Brintproduktion

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. oktober 2019; checks kræver 20 redigeringer .

Industriel produktion af brint  er en integreret del af brintenergien , det første led i brintforbrugets livscyklus . Brint forekommer praktisk talt ikke i sin rene form på Jorden og skal udvindes fra andre forbindelser ved hjælp af forskellige kemiske metoder.

Produktionsmetoder

I øjeblikket er der mange metoder til industriel produktion af brint: teknologier til produktion af brint fra affald , ethanol, metallurgisk slagge [1] , biomasse [2] og andre teknologier er blevet udviklet.
Sådanne metoder omfatter :

Også i sjældne tilfælde anvendes reaktionen af ​​aluminium og en alkalisk opløsning.
En række forskellige metoder til fremstilling af brint er en af ​​hovedfordelene ved brintenergi, da det øger energisikkerheden og reducerer afhængigheden af ​​visse typer råmaterialer.

Brintproduktion fra fossile brændstoffer betragtes i øjeblikket som den mest økonomisk rentable, og i øjeblikket er den mest tilgængelige og billigste proces dampreformering (ifølge prognoser vil den blive brugt i den indledende fase af overgangen til en brintøkonomi for at forenkle overvindelsen af ​​"kyllingen" og æg” problem, når der fra - grundet manglen på infrastruktur ikke er efterspørgsel på brintbiler , og grundet manglen på brintbiler bygges der ikke infrastruktur. På længere sigt dog en overgang til vedvarende energi kilder er nødvendige , da et af hovedmålene med indførelsen af ​​brintenergi er at reducere drivhusgasemissioner ; sådanne kilder kan være vindenergi eller solenergi , hvilket muliggør elektrolyse af vand). Det er muligt at reducere niveauet af kulstofemissioner i industrisektorer på grund af brint opnået ved hjælp af lav-kulstofteknologier, til dette er det muligt at bruge teknologier til opsamling og lagring af kuldioxid, samt elektrolyse af vand, "primært ved at bruge energien af nukleare, vandkraftige, vind- og solanlæg. energi."
Farvegradueringen af ​​brint afhænger af produktionsmetoden og kulstoffodaftrykket, det vil sige mængden af ​​skadelige emissioner [3] :

Omkostningerne ved "grøn" brint er omkring $ 10 pr. kg (hvilket er "absolut urentabelt", ifølge lederen af ​​National Energy Security Fund); "blå" og "gul" brint er flere gange billigere end "grøn" - fra $ 2 pr. kilogram.

Brintproduktion kan koncentreres i centraliserede store anlæg, hvilket reducerer produktionsomkostningerne, men kræver ekstra omkostninger til levering af brint til brinttankstationer . En anden mulighed er småskalaproduktion direkte på specialudstyrede brinttankstationer.


I december[ hvornår? ] 2013(?) Det tyske institut Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) afsluttede opførelsen af ​​et pilotanlæg til produktion af brint fra vand i solenergikoncentratorer ; anlægseffekt 100 kW [5] .
I 2019 begyndte opførelsen af ​​verdens største anlæg til produktion af 1300 tons brint årligt ved elektrolyse i Tyskland [6] .

Brintproduktion fra forskellige råmaterialekilder

Fra 2019 forbruges 75 millioner tons brint i verden, hovedsageligt i olieraffinering og ammoniakproduktion . Heraf er mere end 3/4 produceret af naturgas , hvortil der forbruges mere end 205 milliarder m 3 gas. [7] Næsten alt andet er lavet af kul. Omkring 0,1% (~100 tusinde tons) produceres ved elektrolyse. Under produktionen af ​​brint kommer ~830 millioner tons CO 2 ud i atmosfæren . Omkostningerne ved brint fra naturgas anslås til 1,5-3 dollars pr. 1 kg.

Fra metan

Dampreformering med damp ved 1000 °C:

Brint kan fås i forskellig renhed: 95-98% eller ekstra ren. Afhængigt af den videre anvendelse opnås hydrogen under forskellige tryk: fra 1,0 til 4,2 MPa. Råmaterialet (naturgas eller lette oliefraktioner) opvarmes til 350-400°C i en konvektiv ovn eller varmeveksler og kommer ind i afsvovlingsapparatet. Den omdannede gas fra ovnen afkøles i genvindingsovnen, hvor der produceres damp med de nødvendige parametre. Efter stadierne med højtemperatur- og lavtemperaturomdannelse af CO føres gassen til adsorptionen af ​​CO 2 og derefter til metanering af resterende oxider. Resultatet er brint med 95-98,5% renhed indeholdende 1-5% methan og spor af CO og CO 2 .

I tilfælde af at det er nødvendigt at opnå højrent brint, suppleres enheden med en sektion til adsorptionsseparation af den omdannede gas. I modsætning til den tidligere ordning er CO-omdannelsen her i ét trin. Gasblandingen indeholdende H 2 , CO 2 , CH 4 , H 2 O og en lille mængde CO afkøles for at fjerne vand og sendes til adsorptionsapparater fyldt med zeolitter. Alle urenheder adsorberes i ét trin ved omgivelsestemperatur. Resultatet er brint med en renhed på 99,99%. Trykket af det resulterende hydrogen er 1,5-2,0 MPa.

Katalytisk oxidation med oxygen er også mulig :

Fra kul

Ledning af vanddamp over varmt kul ved en temperatur på omkring 1000 ° C:

Den ældste måde at fremstille brint på. Omkostningerne ved processen er $2-$2,5 pr. kg brint. I fremtiden kan prisen blive reduceret til $1,50, inklusive forsendelse og opbevaring.

Elektrolyse

Elektrolyse af vandige opløsninger af salte:

Elektrolyse af vandige opløsninger af hydroxider af aktive metaller (hovedsageligt kaliumhydroxid ) [8]

Derudover er der en industriel teknologi til elektrolyse af kemisk rent vand, uden brug af tilsætningsstoffer. Faktisk er enheden en reversibel brændselscelle med en solid polymermembran [8] .

Fra biomasse

Brint fra biomasse fremstilles ved en termokemisk eller biokemisk metode. I den termokemiske metode opvarmes biomassen uden adgang til ilt til en temperatur på 500°-800° (for træaffald), hvilket er meget lavere end kulforgasningsprocessens temperatur. Processen frigiver H 2 , CO og CH 4 .

Omkostningerne ved processen er $5-$7 pr. kilogram brint. I fremtiden er et fald til $1,0-$3,0 muligt.

I en biokemisk proces produceres brint af forskellige bakterier , såsom Rodobacter sperioder .

Det er muligt at bruge forskellige enzymer til at accelerere produktionen af ​​brint fra polysaccharider ( stivelse , cellulose ) indeholdt i biomasse. Processen foregår ved en temperatur på 30° Celsius ved normalt tryk. Omkostningerne ved processen er omkring $2 pr. kg.

Tre gange mere energi kan opnås fra sukker -brint - brint brændselscellekæden [9] end fra sukker- ethanol - forbrændingsmotorkæden .

Ud af papirkurven

Forskellige nye teknologier til brintproduktion er under udvikling. For eksempel offentliggjorde London Hydrogen Partnership i oktober 2006 en undersøgelse  (utilgængeligt link) om muligheden for at producere brint fra kommunalt og kommercielt affald . Ifølge undersøgelsen kan 141 tons brint produceres dagligt i London ved både pyrolyse og anaerob fordøjelse af affald . 68 tons brint kan produceres af kommunalt affald.

141 tons brint er nok til at køre 13.750 busser med forbrændingsmotorer, der kører på brint. Over 8.000 busser kører i øjeblikket i London.

Kemisk reaktion af vand med metaller

I 2007 udviklede Purdue University (USA) en metode til at fremstille brint fra vand ved hjælp af en aluminiumslegering.

En legering af aluminium og gallium formes til pellets. Pellets anbringes i en tank med vand. Brint dannes som et resultat af en kemisk reaktion. Gallium forhindrer dannelsen af ​​en oxidfilm på aluminiumsoverfladen, hvilket bremser processen med aluminiumoxidation. Som et resultat af reaktionen dannes brint og aluminiumoxid.

Fra et pund (≈453 g) aluminium kan der opnås mere end 2 kWh energi fra forbrænding af brint og mere end 2 kWh termisk energi under reaktionen af ​​aluminium med vand. I fremtiden, når der bruges elektricitet fra 4. generations atomreaktorer, vil prisen på brint produceret under reaktionen svare til prisen på benzin $ 3 per gallon (≈3,8 liter).

En mellemstor bil med forbrændingsmotor med 350 pund (158 kg) aluminium ombord kan køre 350 miles (560 km). I fremtiden vil omkostningerne ved en sådan tur være $63 ($0,11/km), inklusive omkostningerne til aluminiumoxidgenvinding på et 4. generations atomkraftværk. [ti]

Brug af alger

Forskere ved University of California i Berkeley (UC Berkeley) fandt i 1999 [11] , at hvis alger mangler ilt og svovl, så svækkes deres fotosynteseprocesser kraftigt, og hurtig produktion af brint begynder.

Brint kan produceres af en gruppe grønne alger såsom Chlamydomonas reinhardtii . Alger kan producere brint fra havvand eller spildevand.

Hjemmebrintproduktionssystemer

I stedet for at bygge brinttankstationer kan brint fremstilles i husholdningsanlæg af naturgas eller ved elektrolyse af vand. Honda tester sin indenlandske installation kaldet Honda Home Power Station . Det indenlandske anlæg producerer brint fra naturgas. En del af brinten bruges i brændselsceller til at producere varme og elektricitet til hjemmet. Resten af ​​brinten bruges til at brænde bilen.

Det britiske firma ITM Power Plc udviklede og testede i 2007 en husholdningselektrolysator til produktion af brint. Brint produceres om natten, hvilket vil udjævne spidsbelastninger i elforbruget. En 10 kW elektrolysator producerer brint fra vand og lagrer det ved et tryk på 75 bar. Den producerede brint er tilstrækkelig til en 40 km kørsel af en dual-fuel (brint/benzin) Ford Focus. Virksomheden planlægger at starte produktionen af ​​husholdningselektrolysatorer i begyndelsen af ​​2008 . ITM Power har allerede nået prisen på elektrolysatorer på $164 pr. 1kW.

Store producenter af brint

Se også

Noter

  1. ↑ http://www.financialexpress.com/news/tata-steel-develops-hydrogen-production-tech-granted-pct/370776/0
  2. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9358.html Arkiveret 9. januar 2009 på Wayback Machine  (downlink siden 13/05/2013 [3451 dage] - historie )
  3. ↑ Et alternativ til gas og kul blev fundet i Rusland Arkivkopi dateret 16. maj 2021 på Wayback Machine // Lenta.ru , 15. april 2021
  4. ↑ Siemens tog et af de største grønne brintanlæg i Tyskland i drift KP.RU, 19. september 2022 | på Siemens hjemmeside
  5. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9397.html  (downlink)  (downlink siden 13-05-2013 [3451 dage])
  6. ↑ Deutsche Welle 17/09/2018 Inza Wrede Brinttog - europæisk teknologisk gennembrud med forbehold Arkiveret 25. august 2019 på Wayback Machine
  7. ↑ HYDROGEN Census, Gazprom Magazine, september 2019, s. 42 . Hentet 22. oktober 2019. Arkiveret fra originalen 22. oktober 2019.
  8. ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Grundlæggende om vedvarende energiprocesser . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - s. 370. - xvii, 689 sider s. — ISBN 0120885107 .
  9. ↑ Ny sukker-til-brint-teknologi lover uafhængighed af transportbrændstof | Virginia Tech News | Virginia Tech . Hentet 28. december 2007. Arkiveret fra originalen 30. december 2007.
  10. ↑ nanoHUB.org - Emner: Aluminiumrige bulklegeringer: et energiopbevaringsmateriale til spaltning af vand for at lave hydrogengas efter behov . Dato for adgang: 24. december 2007. Arkiveret fra originalen 28. august 2008.
  11. ↑ Brintproduktion ved hjælp af hydrogenase-holdige oxygeniske fotosyntetiske  organismer . Hentet 17. oktober 2019. Arkiveret fra originalen 17. oktober 2019.

Links