№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 62-622
© 2009 г. АМИНОВ Р.З., БАЙРАМОВ А.Н.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ*
Рассмотрены современные методы получения водорода. Анализируется производство водорода методом электролиза воды при использовании электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС. Определены условия целесообразности производства водорода на АЭС на примере эксплуатации блочных электролизных установок.
В настоящее время актуальны вопросы реализации водородных циклов на базе атомных энергетических источников, в этой связи необходимо изучение и определение потенциальной эффективности получения водорода различными освоенными методами.
Эффективность производства водорода
По данным конца XX века в странах с развитой экономикой 77% водорода было получено из природного газа и нефтепродуктов, 18% - из угля, 4% - из воды и 1% - из прочего сырья [1].
Известны различные методы [2, 3] получения водорода, наибольшее распространение получили следующие [4]:
- каталитические методы разложения метана и углеводородных топлив (паровая конверсия, парокислородная конверсия, пиролиз и пр.);
- газификация угля;
- электролиз воды;
- метод термохимических циклов расщепления воды и различных неорганических веществ;
- плазмохимические и плазмокаталитические методы получения водорода из углеводородного топлива, диоксида углерода;
- биоконверсия органических масс.
В промышленных масштабах освоено получение водорода из природного газа, попутных нефтяных углеводородных фракций методом паровой каталитической конверсии. Процесс протекает по реакциям [3]:
СН4 + Н20 СО + 3Н2 - 206,4 кДж;
СО + Н20 # С02 + Н2 + 41,0 кДж.
Температура процесса первой стадии составляет 750-850°С, метан реагирует с нагретым паром с образованием монооксида углерода и водорода. Температура второй стадии, так называемая "реакция сдвига", - 200-250°С, здесь монооксид углерода реа-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант 07-08-00079а.
гирует с водяным паром, окисляясь до диоксида углерода с образованием дополнительного количества водорода. Давление может быть 2-3 МПа [2, 3].
Процесс характерен низкой стоимостью получаемого водорода, но необходимы дополнительные затраты на технологию для очистки получаемого водорода и секвестрации двуокиси углерода [2, 3, 5].
Эффективность использования первичной энергии 70-80% [1]. Общий энергетический КПД процесса - до 60% [2].
По оценкам США (2004 г.) себестоимость производства водорода данным методом составляет 2-5 долл./кг (59-148 руб./кг при 1долл. = 29,55 руб.) [6].
Известны другие способы производства водорода из углеводородных топлив.
Получение водорода в процессе парокислородной конверсии осуществляется по реакциям:
2СН4 + 02 ^ 2СО + 4Н2;
СН4 + Н20 СО + 3Н2;
СО + Н20 С02 + Н2.
Характерный температурный интервал процесса составляет 850-900°С (1123-1173 К), давление - до 4 МПа [3]. КПД энерготехнологической системы, основанной на этом процессе, при давлении 2 МПа - 87-92% [2], при атмосферном давлении - 85-90% [2], с учетом затрат теплоты на очистку водорода КПД - 67-70% [3].
Процесс углекислотной конверсии с получением водорода происходит при 827-927°С (1100-1200 К) по реакции [2, 4]:
СН4 + С02 ^ 2С0 + 2Н2.
При парциальном окислении метана водород получается по реакции [2-4] при ~1327°С (1600 К и 10 МПа [2]): СН4 + 1/202 # С0 + 2Н2.
Получение водорода в процессе пиролиза метана происходит по реакции [2]:
СН4 ^ С + 2Н2.
Производство водорода методом газификации угля требует его интенсивной очистки и представляет собой сложную технологическую систему химических реакций [2, 3, 5, 7]. Известные способы газификации угля - процессы Лурги, Копперс-Тотцека, Винклера, Тексако. Они могут проводиться при нормальном атмосферном давлении и давлении до 10 МПа и температурах 750-1700°С, в некоторых случаях до 2000°С [2]. Например, газификация угля по методу Тексако может проходить при 1,96-2,94 МПа и 1400°С. Эффективность использования первичной энергии по этому методу может быть до 60% [1]. Процесс газификации угля может сочетаться с использованием энергии высокотемпературного газоохлаждаемого реактора [2, 7].
Общий энергетический КПД процесса газификации, например, бурого угля под давлением с использованием тепла атомного реактора может составлять 40% [2].
По оценкам США (2004 г.) себестоимость производства водорода методом газификации угля - 2-2,5 долл./кг (59-74 руб./кг) [6].
Производство водорода методом электролиза воды [2, 3, 8, 9] доступно сочетается с использованием электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС. При получении водорода не происходит каких-либо выбросов или сбросов вредных веществ в атмосферу или гидросферу. Процесс позволяет вырабатывать водород высокой чистоты.
Последовательность реакций при электролизе воды может быть следующей. На первой стадии происходит разряд молекул воды с образованием адсорбированных на катоде атомов водорода [2]:
Н20 + е ^ ИаДС + 0Н-.
5 Энергетика, № 1
129
Затем происходит электрохимическая десорбция - реакция Гейровского [2]:
Иадс + H2O + е ^ H2 + OH-.
Оба процесса дают катодную реакцию выделения водорода.
На аноде первой стадией происходит разряд гидроксил-ионов с образованием радикалов ОН [2]:
2OH- ^ 2OH + 2е.
Далее следуют процессы [2]:
2OH + 2OH- ^ 2O- + 2H2O;
2O- ^ 2O + 2е; 2O ^ O2.
Температура электролиза воды составляет 80±5°C, в некоторых случаях до 120°С, давление в зависимости от типа электролизной установки может быть 0,101-1 МПа и более.
В РНЦ "Курчатовский институт" в лабораторных условиях создан электролизер с твердополимерным электролитом производительностью 25, 125 л Н2/ч, 1,5 м3 Н2/ч, позволяющий производить водород при давлении 3 МПа [10].
В РКК "Энергия" проводятся научные исследования по разработке электролизного модуля высокого давления, позволяющего вырабатывать водород и кислород при 2035 МПа. На базе экспериментальной установки проведены исследования по получению водорода и кислорода в диапазоне давлений 0,8-12 МПа [11].
Из зарубежных фирм-производителей электролизных установок известны Proton Energy Systems Inc., Avalence LLC, Teledyne Technologies Inc., H2Gen Innovation Inc. (США), Hydrogenics (Канада), Norsk Hydro Electrolysers AS (Норвегия). Электролизные установки с твердополимерным электролитом (серия HOGEN) имеют КПД 41-53%, со щелочным электролитом - 73% [12].
КПД российских электролизных установок составляет ~60%.
Таким образом, КПД различных электролизных установок находится в диапазоне 60-75%. Общий энергетический КПД процесса с учетом КПД генерирования электроэнергии - 28% [1].
По оценкам США (2004 г.) себестоимость процесса электролиза воды при использовании электричества из промышленной сети - 6-7 долл./кг (177-207 руб./кг) [6]. По данным [13] (2005 г.) стоимость производства водорода при использовании электроэнергии провальной части графика электрической нагрузки АЭС с учетом капитальных затрат на установку производства, компрессоры, хранилища и так далее составляет 12-14,5 долл./ГДж (1,4-1,7 долл./кг, 40-48,5 руб./кг при 1 долл. = 28,55 руб.). В этот же интервал попадает значение себестоимости производства водорода по данным [14]. В [15] (2006г.) приводится диапазон себестоимости производства водорода в зависимости от тарифа на электроэнергию и единичной мощности установки 22-45 долл./ГДж (2,6-5,4 долл./кг, 72-149,5 руб./кг при 1 долл. = 27,68 руб.).
Актуально производство водорода методом электролиза воды на основе возобновляемых источников энергии, например, энергии ветра [12] и Солнца [2, 3]. Так, Департамент Энергетики США и Национальная Исследовательская Энергетическая Лаборатория (NREL) с 2006 г. проводят научно-исследовательские работы по получению водорода с использованием ветряных энергетических установок [6].
Согласно расчетам NREL 2006 г., в ближайшем будущем себестоимость производства водорода за счет энергии ветра составит 4,03 долл./кг (111,6 руб./кг), в долгосрочной перспективе - 2,33 долл./кг [6].
Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (СНР) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентрато-
ров. Площадь зеркал установки - 93 м2, в фокусе концентратора температура достигает 2200°С, производство водорода на этой установке может составить 3800 кг/год [6].
Общий энергетический КПД процесса производства водорода из воды с использованием солнечной энергии - 11-30% [2]. По оценкам США (2004 г.) себестоимость производства водорода с использованием солнечной энергии составляет 10-30 долл./кг (296886,5 руб./кг).
По данным [13] себестоимость производства водорода на основе возобновляемых источников энергии - 36-72 долл./ГДж (4,3-8,7 долл./кг, 123-248,4 руб./кг).
Среди термохимических циклов известно большое разнообразие. Возможно производство водорода в больших объемах при низкой стоимости и без образования парниковых газов. Однако процесс сложен, не имеет коммерческого значения, и требуются длительные исследования материалов, усовершенствования химической технологии, использование высокотемпературного ядерного реактора [2, 5, 8, 16].
Российскими институтами (ОКБМ, РНЦ "Курчатовский институт", ВНИИНМ, НПО "Луч") и американской кампанией General Atomic разрабатывается проект энергокомплекса производства водорода на основе энергии высокотемпературного гелиевого реактора (ВТГР) методом паровой конверсии метана и термохимическим разложением воды [17, 18]. Энергокомплекс включает четыре реактора тепловой мощностью 600 МВт каждый и производительностью по водороду от 200 до 500 тыс. т/год. Расчетная себестоимость производства водорода в таком комплексе ~1,6 руб./м3. Температурный интервал процесса различных термохимических циклов составляет 251427 °С (298-1700 К) [2, 3, 8, 16]. Эффективность использования первичной энергии -35-45% [1]. Общий энергетический КПД таких циклов с использованием энергии атомного источника может быть 40-42% [2].
По оценкам США (2004 г.) себестоимость производства водорода методом термохимически
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.