НОВОСТИ О ФТОРОПЛАСТАХ

 

Роль водорода

Снижение выбросов парниковых газов (ПГ) во избежание катастрофических последствий глобального потепления является наиболее серьезной проблемой нашего времени. Значительное сокращение выбросов было достигнуто в электроэнергетическом секторе за счет увеличения выработки возобновляемой электроэнергии, а также поэтапного отказа от электростанций, работающих на угле. Весомую роль в сокращении выбросов ПГ в секторах отопления и транспорта может сыграть водород. И если он будет производится электролитическим способом, то обеспечит связь между этими секторами.

Большая часть водорода, получаемого в настоящее время, проходит через паровую конверсию метана, а затем используется в химической промышленности, например, для производства аммиака. Этот метод не относится к процессам с малыми выбросами углерода в атмосферу, если он не используется в сочетании с улавливанием и хранением углеродных выбросов, при котором возможно сокращение выбросов на 60–85% по сравнению с обычной конверсией метана.

Альтернативным способом получения «зеленого» водорода является электролиз. Электролизер - это тип устройства, которое обычно используется для разложения воды с использованием постоянного электрического тока. Водород и кислород будут производиться из воды посредством окислительно-восстановительных реакций. Общая реакция:

H₂0 --> H₂ + 1/2O₂

Если в процессе используется электричество, происходящее из низкоуглеродистых источников, то водород является низкоуглеродистым топливом. Точная химия реакции зависит от конкретной используемой технологии, причем некоторые технологии более подходят для определенных применений.

Электролизерные технологии

Открытие электролиза воды оспаривается. Одна точка зрения утверждает, что он был обнаружен Энтони Карлайлом и Уильямом Николсоном в 1800 году. Другая точка зрения отдает первенство Иоганну Риттеру. По оценкам, в 2017 году мировые продажи электролизеров достигли 100 МВт/год. Это в свою очередь указывает на ежедневную выработку водорода в 50 000 кг.

В типичном процессе электролиза можно использовать три разных типа электролита: жидкий электролит, твердый полимерный электролит в виде протонообменной мембраны или кислородно-ионную проводящую мембрану. В результате, согласно принятой технологии электролитов, существует три основных типа электролизеров: щелочные, протонообменные мембраны (PEM) и твердооксидные (SO) электролизеры.

Щелочные электролизеры были первой коммерциализированной системой электролиза и остаются наиболее зрелой и широко используемой системой для производства водорода. Два электрода, анод и катод, часто изготовленные из никеля, погружены в проводящий электролит. 30 - % водный раствор гидроксида калия (КОН) обычно используется в качестве электролита для усиления ионной проводимости. Однако и гидроксид натрия (NaOH) также может быть использован. Сепаратор используется для миграции гидроксид-анионов (ОН^-) и помогает избежать смешения образующегося водорода и кислорода. Несмотря на то, что это устоявшаяся технология, существует ряд технических недостатков, связанных с щелочными электролизерами. Они включают в себя: использование едкого электролита, низкую плотность тока, ограниченный коэффициент регулирования и невозможность работы при высоких давлениях. Схема проиллюстрирована на рисунке 1.

Рисунок 1: Принцип работы ячейки щелочного электролиза.

В электролизерах PEM используется фторполимерная протонообменная мембрана. Наиболее чаще применяется мембрана Nafion, изготовляемая фирмой DuPont, толщинами от 25 до 250 мкм. Фторопластовая мембрана представляет собой специально обработанную пленку из фторсополимера тетрафторэтилена и перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторида. Более толстая мембрана предпочтительно используется для того, чтобы электролизер мог справиться с работой при низкой нагрузке или с частыми пусками. Эта технология находится на ранней коммерческой стадии. В настоящее время ведутся значительные объемы исследований в области разработки данной технологии. (В России фторопластовая мембрана называется МФ-4СФ – прим. ред.).

Твердооксидные электролизеры отличаются как от щелочных, так и от PEM-электролизеров тем, что вместо того, что они работают в диапазоне высоких температур 800–1000^oC. При такой высокой рабочей температуре в электролизер подается пар вместо воды. Увеличение тепловой потребности компенсируется снижением электрической потребности. Когда тепловая энергия для работы твердоокисного электролизера поступает от других высокотемпературных промышленных процессов, стоимость производства водорода может быть дополнительно снижена. Однако установлено, что работа при такой высокой температуре может вызвать ряд недостатков, которые включают в себя плохую долговременную стабильность ячейки, межслойную диффузию и проблемы с материалами. Проводятся исследования по разработке электролизеров, работающих при промежуточных температурах (500–700^oC). В настоящее время SO электролизеры все еще находится на стадии исследований, разработки и демонстрации.

Вполне вероятно, что разные технологии будут подходить для разных назначений. Электролизеры на основе PEM более способны быстро регулировать свою производительность и имеют рабочий диапазон 0–100%. Поэтому подходят для применений, использующих управление производительностью от потребителей и интегрирующих возобновляемые источники энергии, где гибкость работы является ключевым требованием. Щелочные электролизеры, как более устоявшаяся технология, вероятно, будут продолжать использоваться там, где быстро меняющийся выход не является ключевым требованием. Твердооксидные электролизеры могут предложить высокоэффективное производство водорода, если часть используемого тепла обеспечивается потоками отходов тепла с другого производства.

Применение

Водород может быть получен из различных источников, таких как ископаемое топливо, биомасса, а также электролитически из воды. Он может храниться в виде сжатого газа, в виде жидкости, в твердотельных структурах или использоваться для создания синтетического топлива, такого как аммиак. Водород можно использовать в топливных элементах для выработки электроэнергии и тепла, сжигать или использовать в качестве химического сырья в других процессах. Большая часть водорода, добываемая в будущем, вероятно, будет по-прежнему поступать из источников ископаемого топлива, если он будет комбинироваться с системами улавливания и хранения углеродных отходов, с учетом прогнозируемых затрат на производство водорода различными методами. Тем не менее, благодаря своей способности поддерживать работу возобновляемых источников электроэнергии, обеспечивая топливо с нулевым содержанием углерода, водород, получаемый электролитическим путем, может играть ключевую роль в ряде различных систем.

Водород, получаемый электролитически, не содержит углеводородных загрязнений, что снижает требования к его очистке. Это может повысить его конкурентоспособность, особенно в тех областях, где требуется водород высокой чистоты, таких как топливные элементы.

На рисунке 2 показана схема, демонстрирующая, как водород может обеспечить связь между электроэнергетическим, транспортным и газовым хозяйствами.

Рисунок 2: Интеграция водородных систем с энергетическими, газовыми и транспортными сетями.

Интеграция возобновляемых источников энергии

Увеличение объемов производства электроэнергии из возобновляемых источников требует использования накопителей энергии и управления потоками электричества для смягчения имеющихся ограничений в электрической сети, а также для обеспечения баланса всей системы в различных временных масштабах. Водород особенно подходит для длительного хранения энергии, такого как сезонное хранение, благодаря низким затратам, связанным с хранением энергии, и может дополнять более короткое хранение, например аккумуляторное. Водород, полученный электролитически, можно сжать и хранить либо в газовых баллонах, либо, возможно, в геологических структурах, таких как соляные пещеры. Сохраненный водород может позже использоваться для производства электричества посредством топливных элементов, что является обратимым процессом.

Добавка в природный газ

Наряду с хранением энергии, водород может обеспечивать связь между сетями электричества и отопления, вводя электролитически полученный водород в газовую сеть. Действующие нормативные акты строго ограничивают процентное содержание водорода в сети, но исследования показали, что содержание до 8% водорода с точки зрения энергии технически осуществимо без проблем для потребителей. Если водород производится из низкоуглеродистого или возобновляемого электричества, это может помочь снизить углеродные выбросы при работе систем отопления. Некоторые инженерные схемы в Великобритании предлагают перевести целые участки газовой сети на чистый водород. Этот водород затем может быть использован в конвертерных газовых котлах и других приборах или использоваться в топливных элементах для обеспечения комбинированного производства тепла и электричества.

Заправка автомобиля

Электрические транспортные средства на водородных топливных элементах (HFCEV) могут играть ключевую роль в обезуглероживании транспортных выбросов, особенно в энергетически емких условиях эксплуатации, таких как автобусные и грузовые транспортные перевозки, в дополнение к передвижению легковых автомобилей и прочих транспортных средств. Водородные технологии также могут способствовать обезуглероживанию железнодорожных и морских перевозок. Водородные топливные элементы PEMFC всё более активно применяются в квадрокоптерах и иных автономных системах – прим. ред.

Водород может быть произведен электролитически, либо в крупных централизованных установках, либо с применением электролизеров, расположенных прямо перед домами, обеспечивая связь между электроэнергетическим и транспортным вариантами использования.

Промышленность

Промышленные выбросы ПГ трудно сократить из-за необходимости в высокотемпературном тепле в промышленных процессах, которое часто обеспечивается сжиганием полезных ископаемых. Кроме того, водород, используемый в химических реакциях технологических процессов, в настоящее время в основном производится путем паровой конверсией метана, сопровождающейся выбросами ПГ. Производство водорода паровой конверсией метана с помощью системы улавливания и хранения углеродсодержащих газов обеспечивает путь к частичной декарбонизации промышленности, которая может быть дополнена и расширена за счет использования возобновляемого электролитического водорода.

Резюме

Электролитически получаемый водород обладает способностью давать топливо, не содержащее парниковых газов, которое можно использовать в различных инженерных сетях и областях применения. Вполне вероятно, что это будет играть существенную роль наряду с другими технологиями с низкими выбросами парниковых газов в обеспечении пути к декарбонизации наших будущих энергетических систем.

 

Источник: The Chemical Engineer, авторы: Andrew Procter CEng MIChemE, Fan Zhang, Stephen Carr и Jon Maddy.