Výroba vodíku

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. října 2019; kontroly vyžadují 20 úprav .

Průmyslová výroba vodíku  je nedílnou součástí vodíkové energie , prvním článkem životního cyklu spotřeby vodíku . Vodík se na Zemi v čisté formě prakticky nevyskytuje a musí být extrahován z jiných sloučenin pomocí různých chemických metod.

Výrobní metody

V současné době existuje mnoho metod průmyslové výroby vodíku: byly vyvinuty technologie výroby vodíku z odpadu , etanolu, metalurgické strusky [1] , biomasy [2] a další technologie.
Mezi takové metody patří :

Také ve vzácných případech se používá reakce hliníku a alkalického roztoku.
Různorodost způsobů výroby vodíku je jednou z hlavních výhod vodíkové energie, protože zvyšuje energetickou bezpečnost a snižuje závislost na určitých typech surovin.

Výroba vodíku z fosilních paliv je v současnosti považována za ekonomicky nejschůdnější a v současnosti je nejdostupnějším a nejlevnějším procesem parní reformování (podle prognóz bude využíváno v počáteční fázi přechodu na vodíkovou ekonomiku pro zjednodušení překonávání „kuřecí a vejcem“ problém, kdy z - kvůli chybějící infrastruktuře není poptávka po vodíkových autech a kvůli nedostatku vodíkových aut se infrastruktura nebuduje. V dlouhodobém horizontu však dochází k přechodu na obnovitelné zdroje energie zdroje jsou nezbytné , protože jedním z hlavních cílů zavádění vodíkové energie je snížení emisí skleníkových plynů ; takovými zdroji může být větrná energie nebo solární energie , umožňující elektrolýzu vody). V průmyslových odvětvích je možné snížit úroveň emisí uhlíku díky vodíku získávanému pomocí nízkouhlíkových technologií, k tomu je možné využít technologie zachycování a ukládání oxidu uhličitého a také elektrolýzu vody, „především s využitím energie jaderných, vodních, větrných a solárních zařízení.
Barevná gradace vodíku závisí na způsobu jeho výroby a uhlíkové stopě, tedy množství škodlivých emisí [3] :

Náklady na „zelený“ vodík jsou asi 10 USD za kg (což je podle šéfa Národního fondu pro energetickou bezpečnost „absolutně nerentabilní“); "modrý" a "žlutý" vodík jsou několikrát levnější než "zelený" - od 2 $ za kilogram.

Výroba vodíku může být soustředěna v centralizovaných velkých závodech, což snižuje výrobní náklady, ale vyžaduje dodatečné náklady na dodávku vodíku do vodíkových čerpacích stanic . Další možností je malovýroba přímo na speciálně vybavených vodíkových čerpacích stanicích.


V prosinci[ kdy? ] 2013(?) Německý institut Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) dokončil stavbu pilotního závodu na výrobu vodíku z vody v solárních koncentrátorech ; výkon zařízení 100 kW [5] .
V roce 2019 začala v Německu výstavba největšího závodu na světě na výrobu 1300 tun vodíku ročně elektrolýzou [6] .

Výroba vodíku z různých zdrojů surovin

Od roku 2019 se na světě spotřebuje 75 milionů tun vodíku, zejména při rafinaci ropy a výrobě čpavku . Z toho více než 3/4 se vyrábí ze zemního plynu , na který se spotřebuje více než 205 miliard m 3 plynu. [7] Téměř vše ostatní se vyrábí z uhlí. Asi 0,1 % (~100 tisíc tun) se vyrábí elektrolýzou. Při výrobě vodíku se do atmosféry dostane ~830 milionů tun CO 2 . Cena vodíku ze zemního plynu se odhaduje na 1,5-3 dolary za 1 kg.

Z metanu

Parní reformování s párou při 1000 °C:

Vodík lze získat v různé čistotě: 95-98% nebo extra čistý. V závislosti na dalším použití se vodík získává za různých tlaků: od 1,0 do 4,2 MPa. Surovina (zemní plyn nebo frakce lehkého oleje) se zahřeje na 350–400 °C v konvekční peci nebo výměníku tepla a vstupuje do odsiřovacího zařízení. Konvertovaný plyn z pece je ochlazen v regenerační peci, kde se vyrábí pára požadovaných parametrů. Po fázích vysokoteplotní a nízkoteplotní přeměny CO je plyn přiváděn k adsorpci CO 2 a následně k methanaci zbytkových oxidů. Výsledkem je vodík o čistotě 95-98,5 % obsahující 1-5 % metanu a stopy CO a CO 2 .

V případě, že je potřeba získat vysoce čistý vodík, je jednotka doplněna o sekci pro adsorpční separaci přeměněného plynu. Na rozdíl od předchozího schématu je zde konverze CO jednostupňová. Směs plynů obsahující H2 , CO2 , CH4 , H20 a malé množství CO se ochladí, aby se odstranila voda, a posílá se do adsorpčních zařízení naplněných zeolity. Všechny nečistoty jsou adsorbovány v jednom stupni při teplotě okolí. Výsledkem je vodík o čistotě 99,99 %. Tlak výsledného vodíku je 1,5-2,0 MPa.

Katalytická oxidace kyslíkem je také možná :

Z uhlí

Průchod vodní páry přes žhavé uhlí o teplotě asi 1000 °C:

Nejstarší způsob výroby vodíku. Náklady na tento proces jsou 2 až 2,5 USD za kilogram vodíku. V budoucnu může být cena snížena na 1,50 $ včetně dopravy a skladování.

Elektrolýza

Elektrolýza vodných roztoků solí:

Elektrolýza vodných roztoků hydroxidů aktivních kovů (hlavně hydroxidu draselného ) [8]

Navíc existuje průmyslová technologie elektrolýzy chemicky čisté vody, bez použití jakýchkoliv přísad. Ve skutečnosti je zařízením reverzibilní palivový článek s pevnou polymerní membránou [8] .

Z biomasy

Vodík z biomasy se vyrábí termochemickou nebo biochemickou metodou. Při termochemické metodě se biomasa zahřívá bez přístupu kyslíku na teplotu 500°-800° (u dřevního odpadu), která je mnohem nižší než teplota procesu zplyňování uhlí. Proces uvolňuje H2 , CO a CH4 .

Cena procesu je 5-7 $ za kilogram vodíku. V budoucnu je možný pokles na 1,0–3,0 USD.

V biochemickém procesu je vodík produkován různými bakteriemi , jako je Rodobacter speriodes .

Pro urychlení tvorby vodíku z polysacharidů ( škrob , celulóza ) obsažených v biomase je možné využít různé enzymy . Proces probíhá při teplotě 30° Celsia za normálního tlaku. Cena procesu je asi 2 $ za kg.

Z řetězce palivových článků cukr -vodík-vodík [9] lze získat třikrát více energie než z řetězce cukr- etanol - spalovací motor .

Z koše

Vyvíjejí se různé nové technologie výroby vodíku. Například v říjnu 2006 zveřejnilo London Hydrogen Partnership studii  (nedostupný odkaz) o možnosti výroby vodíku z komunálního a komerčního odpadu . Podle studie lze v Londýně vyrobit 141 tun vodíku denně pyrolýzou i anaerobní digescí odpadků . Z komunálního odpadu lze vyrobit 68 tun vodíku.

141 tun vodíku stačí na provoz 13 750 autobusů se spalovacími motory na vodík. V Londýně je v současnosti v provozu přes 8 000 autobusů.

Chemická reakce vody s kovy

V roce 2007 Purdue University (USA) vyvinula metodu výroby vodíku z vody pomocí hliníkové slitiny.

Slitina hliníku a galia se formuje do pelet. Pelety jsou umístěny v nádrži s vodou. Vodík vzniká jako výsledek chemické reakce. Gallium zabraňuje tvorbě oxidového filmu na povrchu hliníku, který zpomaluje proces oxidace hliníku. V důsledku reakce vzniká vodík a oxid hlinitý.

Z jedné libry (≈453 g) hliníku lze získat více než 2 kWh energie spalováním vodíku a více než 2 kWh tepelné energie při reakci hliníku s vodou. V budoucnu, při použití elektřiny z jaderných reaktorů 4. generace, budou náklady na vodík vyrobený během reakce ekvivalentní ceně benzinu 3 dolary za galon (≈3,8 litru).

Středně velké auto se spalovacím motorem s 350 librami (158 kg) hliníku na palubě může ujet 350 mil (560 km). V budoucnu budou náklady na takovou cestu činit 63 USD (0,11 USD/km), včetně nákladů na obnovu oxidu hlinitého v jaderné elektrárně 4. generace. [deset]

Použití řas

Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley (UC Berkeley) v roce 1999 [11] zjistili , že pokud řasám chybí kyslík a síra, jejich procesy fotosyntézy prudce slábnou a začíná rychlá produkce vodíku.

Vodík může být produkován skupinou zelených řas, jako je Chlamydomonas reinhardtii . Řasy mohou produkovat vodík z mořské vody nebo odpadních vod.

Domácí systémy výroby vodíku

Místo budování vodíkových čerpacích stanic lze vodík vyrábět v domácích závodech ze zemního plynu, případně elektrolýzou vody. Honda testuje svou domácí instalaci s názvem Honda Home Power Station . Tuzemský závod vyrábí vodík ze zemního plynu. Část vodíku se používá v palivových článcích k výrobě tepla a elektřiny pro domácnost. Zbytek vodíku se používá k pohonu auta.

Britská společnost ITM Power Plc vyvinula a otestovala v roce 2007 elektrolyzér pro domácnost na výrobu vodíku. Vodík se vyrábí v noci, což vyrovná špičky ve spotřebě elektřiny. Elektrolyzér o výkonu 10 kW vyrábí vodík z vody a ukládá jej pod tlakem 75 barů. Vyrobený vodík vystačí na 40 km jízdy dvoupalivového (vodík/benzín) Ford Focus. Společnost plánuje zahájit výrobu elektrolyzérů pro domácnost začátkem roku 2008 . ITM Power již dosáhl ceny elektrolyzérů 164 USD za 1 kW.

Hlavní producenti vodíku

Viz také

Poznámky

  1. ↑ http://www.financialexpress.com/news/tata-steel-develops-hydrogen-production-tech-granted-pct/370776/0
  2. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9358.html Archivováno 9. ledna 2009 na Wayback Machine  (odkaz dolů od 13.05.2013 [3451 dní] - historie )
  3. ↑ Alternativa k plynu a uhlí byla nalezena v Rusku Archivní kopie ze 16. května 2021 na Wayback Machine // Lenta.ru , 15. dubna 2021
  4. ↑ Siemens uvedl do provozu jednu z největších továren na zelený vodík v Německu KP.RU, 19. září 2022 | na webu Siemens
  5. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9397.html  (downlink)  (downlink od 13-05-2013 [3451 dní])
  6. ↑ Deutsche Welle 17.09.2018 Vodíkový vlak Inza Wrede – evropský technologický průlom s rezervacemi Archivováno 25. srpna 2019 na Wayback Machine
  7. ↑ Sčítání VODÍKU, časopis Gazprom, září 2019, s. 42 . Získáno 22. října 2019. Archivováno z originálu dne 22. října 2019.
  8. ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Základy procesů obnovitelné energie . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - s. 370. - xvii, 689 stran s. — ISBN 0120885107 .
  9. ↑ Nová technologie cukru-vodíku slibuje nezávislost na palivu v dopravě | Virginia Tech News | Virginia Tech . Získáno 28. prosince 2007. Archivováno z originálu 30. prosince 2007.
  10. ↑ nanoHUB.org - Témata: Hromadné slitiny bohaté na hliník: Materiál pro skladování energie pro štěpení vody za účelem výroby vodíkového plynu na vyžádání . Datum přístupu: 24. prosince 2007. Archivováno z originálu 28. srpna 2008.
  11. ↑ Výroba vodíku pomocí kyslíkatých fotosyntetických  organismů obsahujících hydrogenázu . Získáno 17. října 2019. Archivováno z originálu dne 17. října 2019.

Odkazy