Зеленый производства водорода: Работа продолжается
На протяжении десятилетий водорода Многие считают, что "чистое" топливо, которые могут производиться по всему миру из возобновляемых источников. Но мечта его промоутеры остается невыполненным из-за отсутствия конкурентоспособной техники. Сегодня, однако, перспективы для извлечения водорода из устойчивых сырья в качестве альтернативы нефти и природного газа топлива кажется намного ярче .* Под давлением перспектива сокращения поставок нефти, США и другие страны предпринимают огромные инвестиции в "зеленые "водородных технологий производства, с общей целью ускорить принятие того, что обычно называется водородной экономики.
Президент Буш, который заявил о своей приверженности к водороду своего государства Союза адрес на 31 января 2006, попросил Конгресс выделить 289 миллионов финансового года (ФГ) 2007 (на $ 53 млн от 2006 финансовом году. Окончания 30 сентября) для поддержки Инициатива Водородные топливные (СТВ). Управляется Министерством энергетики США (Washington. DC: <a target="_blank" href="http://www.doe.gov" rel="nofollow"> www.doe.gov </ A>). Эта инициатива является хозяином обширной R
Инициатива предусматривает инвестиции в размере 1,2 млрд. долларов в течение 5 лет, с 2004 по 2008 год. Основной целью является разработка технологии к 2015 году, которые могли бы доставить водорода на рынке за $ 2-3/gasoline галлон эквивалента (ГПЭ: untuxed в 2005 долл. США), независимо от пути используются для производства и поставок газа. Один ГПЭ является абсолютным эквивалентом 1 кг H ^ 2 югу ^.
"Основной целью программы является замена водорода на бензин в автомобили с использованием бортовой протон-обменных мембран (PEM) топливных элементов в качестве ключевых технологий", говорит Чок. В нынешнем бюджете (FY 2006), $ 73 млн было выделено на H, производства и доставки. $ 44 млн для исследования на топливных элементах, $ 40 млн для топливных элементов транспортного средства демонстрации и заправки инфраструктуры. 32,5 млн. долл. США для проведения фундаментальных исследований и $ 34 млн для H ^ 2 югу ^ хранения. Хранения, конечно, имеет жизненно важное значение для успеха программы (коробка, стр. 10).
В настоящее время около 95% от H ^ 2 югу ^ используется во всем мире производится паровой риформинг природного газа. Остальные 5% высокочистого H ^ 2 ^ к югу электролизом, энергоемких маршрут для расщепления воды в суб H ^ 2 ^ и O2. Одна из основных целей энергетики является снижение стоимости добычи H ^ 2 ^ к югу от воды, либо за счет улучшения экономики электролиза или путем использования других методов расщепления воды. "Мы ищем разнообразия в процессах, и мы равнодушны, как водород производится, если технология является внутренней, carbonneutral и экономически конкурентоспособной", говорит Чок.
Высокотемпературный электролиз
Обычные дает электролиза высокой чистоты H ^ 2 ^ к югу, но это энергоемких и слишком дорого для массового производства. Перспективной альтернативой является высокотемпературный пар или электролиза, который работает при температуре около 800 ° C. Тепло - предпочтительно из недорогой источник - добавляется к сокращению электроэнергии требования к югу H ^ 2 ^ производства. Солнечная энергия и тепло от атомных электростанций являются основными источниками ведется расследование. Хотя системы, которые используют солнечную энергию, уже была опробована, обладание ядерным оружием еще лет от Земли, до разработки высокотемпературных реакторов. Шесть типов реакторов, разрабатываемых в рамках Поколение IV Международный форум, инициатива энергетики, которое координирует R
MD). МЭ усилия сосредоточены на очень высокой температуре реактора (VHTR). охлаждение гелием, под развитие Национальной лаборатории Айдахо (INL: Idaho Falls: <a target="_blank" href="http://www.inl.gov" <rel="nofollow"> www.inl.gov / >). В долгосрочной перспективе, национальной лаборатории Oak Ridge (Ок-Ридж. TN: <a target="_blank" href="http://www.oml.gov" <rel="nofollow"> www.oml.gov /> ) работает над изменением VHTR. Расширенный высокотемпературный реактор, который будет использовать жидкие соли теплоносителя. Оба будут работать на 800-1000 ° C. по сравнению с примерно 300 ° C для коммерческих реакторов сегодня, говорит Хендерсон. Он отмечает, что Япония и Китай уже реакторов, которые работают на 700-850 ° C..
Солнечное тепло
Солнечное тепло увеличила H ^ 2 ^ к югу выходе электролизера более чем на 45% в процесс, разработанный Solar Systems Pty Ltd "(Австралия Melbourne.; <A HREF =" http://www.solarsystems.com.au "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.solarsystems.com.au </ A>), производитель коммерческих солнечных батарей. Что еще более важно, этот процесс обещает достичь 45% эффективности H ^ 2 югу ^ производства солнечной энергии - более чем в пять раз большей, чем была достигнута с обычными солнечными батареями и электролизеров, говорит Джон Ласич, технический директор.
В Солнечной системы, концентратор обеспечивает высокой интенсивности солнечного света в спектр сплиттер, который разделяет излучения в кратко-и инфракрасной (ИК) фракций (рис. 1). Коротких длин волн, направляются в арсенид галлия основе, многопереходных солнечных батарей, которые преобразуют световую энергию в электричество с эффективностью 30%, говорит Ласич. ИК-излучения обеспечивает тепловой энергией оксидом иттрия диоксида циркония, стабилизированного электролизера, увеличение рабочей температуры электролизера до 850 ° C и более.
Первоначальные тесты показали, что добавление тепла может увеличить выход водорода электролизера на 1,47 Вт на каждый ватт входного электропитания. Ласич отмечает, что в обычных электролизер работает при комнатной температуре КПД около 70%, уступая 0,7 Вт H ^ 2 югу ^ на один ватт электроэнергии.
Процесс был испытан в масштабе всего лишь несколько ватт, но Ласич говорит технологии "легко масштабируемое решение." "Несколько сотен ватт" системы запланирован на тестирование в этом году в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL; Золотой, CO; <A HREF = "http://www.nrel.gov" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.nrel.gov </ A>). Если предполагаемая эффективность подтвердится, Ласич оценкам коммерческих установки, использующие 10-МВт электролизера может производить 10000 тонн / год к югу H ^ ^ 2 по цене $ 2.48/kg.
Одним из ключевых элементов в паре электролиза является наличие высокой температуры твердого оксида электролиза клеток (SOECs), отмечает Роберт Мак-Коннелл, старший руководитель проекта в NREL. Изначально разработанный для топливных элементов, твердого оксида электролизере "в основном работает на топливных элементах назад," говорит он.
Между тем, Ceramatec, Inc (Salt Lake City, UT; <a target="_blank" href="http://www.ceramatec.com" rel="nofollow"> www.ceramatec.com </ A>) имеет постучал его на топливных элементах опыт для разработки SOECs из оксидом иттрия диоксида циркония, стабилизированного и других материалов. Компания производит плоские листы, которые укладываются в ряд (рис. 2). Иосиф Хартвигсен, старший инженер Ceramatec, объясняет, что при электролизе, H ^ 2 ^ к югу производства ставка стехиометрических по течению, поэтому эффективность клетки зависит только от его операционной потенциал, или напряжения. При более высоких температурах, часть общей энергии поставляется в виде тепловой энергии, что позволит более низком напряжении.
Пока Ceramatec создала клетки 10 25-клеточной стек был введен в эксплуатацию в январе на INL с начальным Н, выпуск 200 нормальный L / h. После 1 месяца непрерывной работы, H, производства снизился до 165 л / ч, а "клетка в противном случае выполняется хорошо, без каких-либо утечек", в соответствии с Stephen Херринг, технический директор для высокотемпературного электролиза на INL. Расследование этой медленной деградации продолжается. В следующем году INL планирует начать тестирование 15-кВт блок, сельдь говорит.
Системы романа пара-электролиза в настоящее время разрабатывается SRI International (Менло Парк, Калифорния; <a target="_blank" href="http://www.sri.com" rel="nofollow"> www.sri.com < />). Угарный газ поступает к аноду сторону ячейки твердого азота и деполяризует анода, тем самым уменьшая высокотемпературный электролиз напряжение от 1 до 0.2-0.3 V В. Использование CO как деполяризатора также генерирует тепло на аноде, говорит Юрий Балашов, старший инженер исследования в НИИ, и этого будет достаточно для поддержания реакции температуры 800-850 ° С в 5-10-кВт электролизера.
Хотя этот процесс был протестирован только в лаборатории, НИИ ожидает, что сочетание анодного деполяризации с паром электролиза позволит сократить потребление электроэнергии до 20-30% от стоимости, связанных с обычными электролиз, при генерации чистого H ^ 2 ^ к югу на долл. США 2-3/gge, против более чем $ 4/gge на обычном электролизе. НИИ считает, что процесс будет хорошо ложатся в пределах или вблизи химического завода или процесса комплексной газификации угольных, парогазовой установки, где CO легко доступна и этот процесс может служить в качестве альтернативы реакции сдвига вода-газ.
Термохимических циклов
Солнечная и ядерная энергия также основным источником тепла для термохимической маршрутов H ^ 2 ^ к югу. Расщепления воды термохимического цикла, использующего концентрированной солнечной энергии для снижения оксида цинка (ZnO) частиц металлического цинка, а затем реагирует с Zn H2O производить H ^ 2 ^ к югу в настоящее время разрабатывается ETH-Швейцарского федерального института технологии в области энергетики Цюрих ( ETH; <a target="_blank" href="http://www.pre.ethz.ch" rel="nofollow"> www.pre.ethz.ch </ A>) и Институт Пауля Шеррера (Цюрих; <a target="_blank" href="http://www.psi.ch" rel="nofollow"> www.psi.ch </ A>). ZnO распадается на выше 2000 ° С, но исследователи снизили температуру реакции до 1,000-1,300 ° C, добавив восстановителя, например, основанных на использовании биомассы уголь.
Реактора 300 кВт прототипом для сокращения карботермическим был испытан в солнечной установки башни Институт Вейцмана (Реховот, Израиль; <A HREF = "http://www.weizmann.ac.il" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.weizmann.ac.il </ A>) и мощностью 50 кг / ч Zn, с солнечной к топливной эффективности преобразования энергии на 30%, в соответствии с ETH профессор Альдо Steinfeld. "Коммерческого масштаба завод мощностью 10 МВт должна достичь 50% преобразования энергии эффективности", добавляет он.
Что касается второго шага, ETH был разработан процесс, в котором Zn наночастицы образуются и немедленно гидролизуется в месте для H ^ 2 югу ^ производства. "Высокая удельная поверхность наночастиц увеличивает кинетики реакции, а также тепло-и массообмена", говорит Steinfeld. "В результате время пребывания менее чем 1 секунду. Этот процесс был продемонстрирован на лабораторном масштабе в непрерывном, трубчатые аэрозоля реактора потока.
Ядерного варианта
В ядерной программы водородной энергетики, научно-исследовательских термохимических и развития направлена на серу йода и серы гибридных циклов. "Из приблизительно 100 термохимических циклов, которые были предложены в прошлом, они являются наиболее зрелых технологий", говорит Хендерсон. Оба эти процесса должны встретиться цели МЭ по превращению H ^ 2 ^ к югу по $ 2.00/kg на ядерном полигоне завода. В цикле С.И., H ^ 2 ^ к югу образуется при разложении иодистоводородной кислоты (III) при температуре 400-500 ° C. Йод, совместного продукта, вступает в реакцию с SO югу ^ ^ 2 и Н 2 составляет около 120 ° C для производства HI плюс H ^ 2 ^ к югу SO ^ ^ 4 подпункта (это известно как реакция Бунзена). SO ^ 2 ^ к югу восстанавливается путем разложения кислоты при температурах до 900 ° C.
Разработка цикла С.И., совместных усилий и энергетики Франции Комиссии по атомной энергии (CEA, Париж; <a target="_blank" href="http://www.cea.fr" rel="nofollow"> WWW. cea.fr </ A>), возглавляет Павел Пиккард Sundia из национальной лаборатории (Albuquerque. СС; <a target="_blank" href="http://www.sandia.gov" rel="nofollow"> WWW . sandia.gov </ A>). CEA работает на реакции Бунзена. Сандиа по югу H ^ 2 ^ SO ^ ^ 4 югу разложения и General Atomics (Сан-Диего. CA; <a target="_blank" href="http://www.ga.com" rel="nofollow"> WWW . ga.com </ A>) о разложении HI. Комплексных лабораторных подразделение демонстрирует closedloop функционирования всего цикла планируется начать в конце 2007 года.
Поиск материалов (например, чтобы сделать теплообменники и катализаторы), которые могут выдерживать горячую, агрессивных сред цикла СИ является "серьезной проблемой". говорит Пикард. Другая проблема заключается в том, что реакция Бунзена требует избыточного я, в целях содействия фазового разделения HI от H ^ 2 югу ^ SO ^ ^ 4 к югу. Обостряется проблема заключается в присутствии избытка воды, которая увеличивает количество энергии, необходимой для насоса и тепла этот процесс жидкости. Пиккард заметки. INL развивается мембранные системы для удаления воды - шаг, который бы также внести I ^ 2 ^ к югу менее растворим в кислоте.
Гибридных серы (ги) термохимических процесс, который в настоящее время разрабатывается в Саванна-Ривер национальной лаборатории (Айкен, SC; <A HREF = "http://www.srnl.doe.gov" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW "> <www.srnl.doe.gov />), сочетает в себе H ^ 2 ^ к югу SO ^ ^ 4 югу разложение электролиза. SO ^ 2 ^ к югу от разложения шаг смешивается с разбавленной H ^ 2 ^ к югу SO ^ ^ 4 к югу и подается на анод электролизера. При температуре 25 ° C, присутствие SO югу ^ 2 ^ уменьшается обратимый потенциал клетки 1,23 V, на обычном электролизе воды, 0,17 V, говорит Уильям Саммерс, руководитель программы для обеспечения энергетической безопасности в Саванна-Ривер. H ^ 2 ^ к югу эволюционирует от катода, а концентрированной H ^ 2 ^ к югу SO ^ ^ 4 югу формируется у анода и перерабатывается для разложения.
До сих пор процесс ги был протестирован на одноклеточных масштаба при температуре окружающей среды, с использованием мембранных полимерных электролитов (PEM), аналогичный тому, который используется в топливных элементах для транспортных средств. В следующем году, лаборатория планирует построить ячейки стека производить около 120 л / ч H ^ 2 ^ к югу на 80 ° C и 90 фунтов на квадратный дюйм.
Увеличение давления и температуры, улучшает кинетики и снижает напряжение требований к процессу, говорит Саммерс. Промышленном предприятии, как ожидается, работают на 300 фунтов на квадратный дюйм, с ячейки напряжение 0,6 V - примерно одну треть, что в обычных электролизера.
Водород из биомассы
1 этапа для производства H ^ 2 ^ к югу от биомассы полученных кислородсодержащих соединений, таких как глицерин, глюкоза и сахар-спиртов, была разработана Virent Energy Systems (Мэдисон, Висконсин), параллельное из Univ. Висконсин (<a target="_blank" href="http://www.uwisc.edu" rel="nofollow"> www.uwisc.edu </ A>). водной фазы реформирования Virent в (APR) использует драгоценный металл-катализатор на основе при 210-250 ° C и 300-500 дюйм для преобразования сахара в смеси H ^ 2 югу ^, метан, этан, пропан, CO2 и пар . H2O удаляется с помощью конденсации, а затем к югу H ^ 2 ^ о 99,999% восстанавливается через фильтр металлическую мембрану или давления качели поглощения (рис. 3).
Эрик Apfelbach, указывает Virent исполнительный директор компании, что апрель проще, чем обычные альтернативные решения, такие как производство, то реформирование этанола для получения H ^ 2 ^ к югу, или газификации биомассы и восстановления H ^ 2 ^ к югу от результирующей синтез-газа. Тестовая система производит 450 г / час H югу ^ 2 ^ (около 6 м ^ ^ SUP 3 / ч) - достаточно мощности 5-7-кВт на топливных элементах.
В следующем году Virent планируется начать до 50 кг / сут устройство для энергетики. Сырье будет поставляться компанией "Archer Daniels Midland (ADM; Decatur, IL; <a target="_blank" href="http://www.adm.com" <rel="nofollow"> www.adm.com /> ). основной процессор кукурузы и партнеров Virent в проекте Министерства энергетики. Apfelbach говорит, этот процесс может производить H ^ 2 ^ к югу за $ 2-3/gge из сахарного потоков, генерируемых в кукурузном мокрого фрезерования.
В связи с этим проектом. United Technologies Научно-исследовательский центр (Ист-Хартфорд. CT: <a target="_blank" href="http://www.utrc.utc.com" rel="nofollow"> www.utrc.utc.com </>) работает на процесс гидролиза низового уровня древесины тополя в серной кислоте, а затем реформы гидролиз биомассы при 200-300 ° С для получения H ^ 2 ^ к югу. Процесс еще не были протестированы, говорит инженер сотрудников сканирования Emerson, но исследователи определили некоторые кандидаты драгоценных металлов катализаторов и смоделировали процесс. "Мы рассчитываем завершить к 2010 году эффективность целевого показателя в 50% (против ввода энергии H ^ 2 югу ^ выход) на сумму $ 1.75/kg H ^ 2 ^ к югу," Emerson говорит.
Использование солнечного света и воды
Фотоэлектрохимическая системы ликвидировать большинство стоимость электролизера с помощью солнечного света, чтобы разделить H2O через полупроводников, погруженных в воду. Кроме того, они достигают H ^ 2 ^ к югу производства примерно в 1,35 V, для электролиза эффективность 91%, отмечает Джон Тернер, главный ученый NREL.
Однако, для разработки материалов, которые имеют долгосрочные коррозии является сложной задачей Intematix Coip. (Фримонт, Калифорния; <a target="_blank" href="http://www.intematix.com" rel="nofollow"> www.intematix.com </ A>) утверждает, что разработала на основе вольфрама металла оксида фото-электрод ячейки, которые не разъедает H2O.
Фотохимической системы, которая говорит, сбор более чем на 80% H ^ 2 ^ к югу, против 12% по югу TiO 2 ^ ^, была разработана прибрежных водородной энергетики, Inc (Stillwater, OK). Водяной пар при 115-125 ° C потоков через цилиндр, покрытый патентованный катализатор. Одновременно пара облучается ультрафиолетовой лампой и радиочастотной энергии проходит через пара, разделив его на H ^ 2 югу ^ и O2. По словам Гари Остин, директор по науке, стоимость H ^ 2 югу ^ производства ниже $ 1/kg Н югу ^ ^ 2.
* Для получения дополнительной охвата водородной экономики в КЭП, см. декабря 2005, с. 20-22, ноябрь 2004, с. 4-6.
GERALD ПАРКИНСОН является пишущим редактором с более чем 25-летним опытом писать о химической промышленности процесса.
