Producția de hidrogen

Cu producerea de hidrogen , furnizarea moleculară este hidrogen (H ₂ în continuare). Apa (H ₂ O), gaz natural ( în special metan (CH ₄ )), alte hidrocarburi , biomasă și alți compuși care conțin hidrogen pot fi utilizate ca materii prime . Energia chimică sau energia electrică, termică sau solară furnizată extern este utilizată ca sursă de energie .

Utilizarea hidrogenului

Hidrogenul este utilizat în principal în industria chimică, de exemplu pentru producerea de îngrășăminte cu azot sau pentru crăparea hidrocarburilor în rafinăriile de petrol . Este important ca etapă intermediară în procesele chimice pentru producerea de combustibili sintetici, cum ar fi gaz-la-lichid (GtL), cărbune-la-lichid (CtL) și biomasă-la-lichid (BtL), care, printre altele, necesită generarea unui gaz de sinteză bogat în hidrogen . Având în vedere importanța tot mai mare a energiilor regenerabile , sunt necesare sisteme de stocare a energiei , astfel încât timpii de producție și cerere să poată fi coordonați între ei. O opțiune pentru stocarea electricității ar putea fi electroliza apei pentru a forma gazele hidrogen și oxigen (O ₂ ), care pot fi stocate și ulterior transformate din nou în electricitate. În contextul așa-numitei economii de hidrogen , hidrogenul ar putea fi, de asemenea, utilizat direct.

În contextul dezbaterii climatice și a dioxidului de carbon, este obișnuit să se numească hidrogen cu culori, în funcție de procesul de fabricație utilizat.

• Hidrogenul gri: procesele tradiționale împart de obicei gazul natural în hidrogen și CO ₂ la căldură . CO ₂ intră în atmosferă nefolosit. _Se produc în jur de 10 tone de CO ₂ pe tonă de hidrogen produs .
• Hidrogen albastru: „Albastru” este numele dat hidrogenului, care este produs în mod tradițional ca gri, dar în care CO ₂ rezultat _este legat și nu este eliberat în atmosferă.
• Hidrogenul turcoaz este produs prin divizarea termică a metanului (gazului natural). Aceasta nu produce CO ₂ , ci carbon solid. Cu toate acestea , acest proces este neutru doar cu CO ₂ dacă energia termică provine din surse regenerabile de energie și carbonul nu este ars permanent.
• Hidrogen verde : procesele de fabricație bazate pe divizarea apei pot produce hidrogen fără CO ₂ dacă sunt acționate cu electricitate neutră din punct de vedere climatic. Implementarea pe scară largă a unor astfel de procese este văzută de unii ca o tehnologie cheie în combaterea încălzirii globale . Pe de altă parte, este controversat cu privire la eficiența costurilor și la ce grad de eficiență se poate obține cu acestea, cât de mare ar fi beneficiul general al acestei tehnologii într-o formă matură și dacă, de exemplu, bateriile nu ar fi preferabile pentru majoritatea sectoarelor .
• Hidrogenul roșu: utilizarea energiei nucleare pentru a produce hidrogen

metoda de producție

Procesele de producție a hidrogenului sunt explicate mai jos, dintre care unele sunt utilizate la scară industrială, dar unele sunt încă în curs de dezvoltare. Se face distincția între procesele care utilizează hidrocarburi și compuși similari și cele care împart hidrogenul din apă folosind diverse metode.

Utilizarea hidrocarburilor

Atunci când se utilizează hidrocarburi, dar și cărbune și biomasă, materia primă furnizează energia necesară procesului. Hidrogenul poate fi, de asemenea, parțial legat în materia primă sau este adăugat sub formă de apă. O excepție este procesul Kværner, în care energia necesară este furnizată în principal din exterior.

Reformarea cu abur

În reformarea cu abur , hidrogenul este generat din hidrocarburi în două etape de proces. Pot fi utilizate următoarele materii prime: gaz natural, biomasă, dar și hidrocarburi cu lanț mai lung din țiței, cum ar fi fracția medie a benzinei . Acest proces este stabilit și implementat în instalații cu capacități de până la 100.000 m³ / h.

În primul pas, hidrocarburile cu lanț lung sunt împărțite în metan, hidrogen, monoxid de carbon și dioxid de carbon într-un pre-reformator cu adăugarea de abur la o temperatură de aproximativ 450-500 ° C și o presiune de aproximativ 25-30 bar . Această etapă preliminară evită cocsarea excesivă a catalizatorului reformator. În cea de-a doua etapă, metanul este transformat în reformator la o temperatură de 800 până la 900 ° C și la o presiune de aproximativ 25-30 bar peste un catalizator de nichel cu apă pentru a forma monoxid de carbon și hidrogen. Al doilea pas este de obicei precedat de o instalație de rafinare pentru prelucrarea gazelor, deoarece catalizatorii sunt extrem de sensibili la compușii de sulf și halogeni , în special la clor ( otrăvuri cu catalizator ).

• ecuație generală: ${\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + n \ H_ {2} O \ rightarrow (n + m / 2) \ H_ {2} + n \ CO}}$
• Exemplu metan ;${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} + H_ {2} O \ rightarrow CO + 3 \ H_ {2}}}$${\ displaystyle \ mathrm {CO + H_ {2} O \ rightarrow CO_ {2} + H_ {2}}}$

Produsul intermediar monoxid de carbon produs prin conversie incompletă este apoi transformat în dioxid de carbon și hidrogen cu ajutorul reacției de deplasare a gazului de apă pe un catalizator de oxid de fier (III) . Pentru a obține hidrogen de înaltă puritate în etapa finală, sunt adesea utilizate în practică sisteme de adsorbție a presiunii oscilante sau scrubere cu gaze de absorbție a leșiei , care filtrează subprodusele precum CO, CO ₂ și CH ₄ până la câteva ppm .

Reformarea cu abur este cea mai economică și utilizată pe scară largă (~ 90%) metodă de producere a hidrogenului. Datorită utilizării combustibililor fosili, la fel de mult din gazul cu efect de seră dioxid de carbon CO _{2 este} eliberat ca atunci când este ars. Utilizarea biomasei poate îmbunătăți echilibrul climatic, deoarece este eliberat doar dioxidul de carbon pe care plantele îl absorbeau anterior din atmosferă în timp ce creșteau.

Oxidarea parțială

În cazul oxidării parțiale , materia primă, cum ar fi gazul natural sau o hidrocarbură grea ( ulei de încălzire ), este transformată substoichiometric - adică sub lipsa de oxigen - într-un proces exoterm . Principalele produse de reacție sunt hidrogenul și monoxidul de carbon:

• ecuația reacției generale: ${\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + {\ frac {n} {2}} \ O_ {2} \ rightarrow n \ CO + {\ frac {m} {2}} \ H_ {2 }}}$
• Exemplu: component tipic al uleiului pentru încălzire :${\ displaystyle \ mathrm {C_ {12} H_ {24} +6 \ O_ {2} \ rightarrow 12 \ CO + 12 \ H_ {2}}}$
• Exemplu: compoziția tipică a cărbunelui :${\ displaystyle \ mathrm {C_ {24} H_ {12} +12 \ O_ {2} \ rightarrow 24 \ CO + 6 \ H_ {2}}}$

De obicei, se adaugă apă pentru a controla atât temperaturile extreme, cât și formarea funinginei , astfel încât ar trebui să vorbim despre o reformă autotermală cu puțină apă. Oxidarea parțială este considerată matură punct de vedere tehnic.

În țările bogate în cărbune, cum ar fi China sau Africa de Sud , cărbunele poate fi folosit și ca materie primă pentru acest proces, care este măcinat în prealabil și amestecat cu apă pentru a forma o suspensie.

Reformarea autotermală

Autotermică de reformare este o combinație de reformare a aburului și oxidare parțială, prin care este optimizata eficienta. De exemplu, poate fi utilizat metanol, ca orice altă hidrocarbură sau orice amestec de hidrocarburi (gaz natural, benzină, motorină etc.). Cele două procese sunt combinate între ele în așa fel încât avantajul oxidării (furnizarea de energie termică) este completat de avantajul reformării cu abur (randament mai mare de hidrogen). Acest lucru se face prin măsurarea precisă a alimentării cu aer și vapori de apă. Cerințele deosebit de mari sunt făcute de catalizatorii utilizați aici, deoarece trebuie să promoveze atât reformarea aburului cu reacția de schimbare a apei-gazului, cât și oxidarea parțială.

Prelucrarea gazelor

Dacă produsul conține proporții de CO, randamentul de hidrogen poate fi totuși crescut. După reformare, gazul de sinteză este procesat în continuare. Următorul pas este conversia CO prin intermediul reacției de deplasare a gazului de apă . Urmată de orice purificare fină necesară de CO, prin oxidare preferențială sau metanare selectivă, CO este reacționat chimic sau fizic prin adsorbție prin presiune sau printr- o membrană permeabilă la hidrogen dintr-un aliaj de paladiu - argint - separat (PdAg). La scară industrială, este, de asemenea, posibil să se spele CO ₂ și H ₂ S ( hidrogen sulfurat ) cu metanol ( proces Rectisol ).

Metoda Kværner

Procesul dezvoltat de compania norvegiană Kværner separă complet hidrocarburile dintr-o lanternă cu plasmă la 1600 ° C în cărbune activ (carbon pur) și hidrogen.

• ecuația reacției generale: ${\ displaystyle \ mathrm {C_ {n} H_ {m} + energy \ rightarrow n \ C + {\ frac {m} {2}} \ H_ {2}}}$
• Ecuația de reacție pentru metan: ${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {4} + energy \ rightarrow C + 2 \ H_ {2}}}$

O fabrică pilot construită în Canada în 1992 a obținut o eficiență de aproape 100% - dar numai cu condiția ca căldura reziduală generată să fie pe deplin utilizată. Conținutul de energie al produselor de reacție din acest proces este distribuit în jur de 48% pe hidrogen, în jur de 40% pe cărbune activ și în jur de 10% pe abur supraîncălzit.

Biomasă

Biomasa constă în principal din carbohidrați și poate fi transformată în procese similare cu hidrocarburile. O altă opțiune ar putea fi fermentarea anaerobă cu ajutorul microorganismelor.

Reformarea cu abur

Biomasa constă în principal din carbohidrați și alți compuși organici care conțin hidrogen și carbon. Acestea pot fi transformate în hidrogen molecular prin reformarea aburului alotermic sau autotermic . Deoarece biomasa este formată din aproximativ 40% oxigen, aceasta se gazifică de la sine cu doar puțin oxigen suplimentar pentru a efectua reacția endotermică . Aceasta înseamnă că se obțin niveluri semnificativ mai ridicate de eficiență decât, de exemplu, atunci când se gazeifică cărbunele.

Piroliza și reformarea aburului

Un alt proces combină piroliza și reformarea aburului . Prima etapă este piroliza, în care gazele primare, cocsul și metanolul sunt produse ca produse finale. Într-un al doilea subproces, acestea sunt amestecate cu vapori de apă, care la rândul lor creează un amestec de hidrogen, metan, monoxid de carbon și dioxid de carbon. Și în acest al doilea pas trebuie să se furnizeze energie, iar hidrogenul este apoi obținut prin reformarea aburului. Această variantă în două etape este utilizată în principal pentru sisteme mai mici.

Conform proiectului dena GermanHy , gazificarea pe scară largă a biomasei poate deveni o opțiune pentru generarea hidrogenului din energii regenerabile în viitor. Eficiența celor mai importante procese de conversie a biomasei în hidrogen este cuprinsă între 30 și 40%. Nu există instalații comerciale cunoscute pentru producerea de hidrogen. Cu toate acestea, producția de hidrogen din biomasă este în competiție cu lichefierea biomasei pe lângă utilizarea energetică directă a biomasei (de exemplu, folosind așchii de lemn ) . Ca purtător de energie, combustibilii lichizi astfel obținuți au o densitate energetică mai mare decât hidrogenul și sunt mai ușor de manevrat.

fermentaţie

În condiții de laborator, hidrogenul poate fi obținut direct din biomasă folosind microorganisme anaerobe. Dacă pentru aceasta se utilizează culturi mixte , producția de hidrogen trebuie decuplată de ultima verigă din lanțul alimentar anaerob, producția de metan (metanogeneză). Din motive de cinetică a reacției, eliberarea hidrogenului molecular de către microorganisme este favorizată doar la o presiune parțială de hidrogen foarte scăzută . Prin urmare, această presiune trebuie menținută scăzută, în ciuda absenței microorganismelor metanogene sau a bacteriilor care reduc sulfatul sau care utilizează hidrogen prin construcția și funcționarea bioreactorului .

Cu toate acestea, producția de hidrogen fermentativ este relativ nefavorabilă din punct de vedere energetic. Potrivit lui Thauer (1976), maximum 33% din căldura de ardere din glucoză poate fi stocată în hidrogen în modul descris . În comparație, fermentația cu metan poate transforma 85% din energia din glucoză în produsul de fermentare.

Despicarea apei

Când apa este împărțită, apa servește ca furnizor de hidrogen. Cu ajutorul electricității, hidrogenul și oxigenul sunt generate din apa dintr-un electrolizator . Diferite procese chimice care utilizează electroliza pentru a crea alți compuși pot produce hidrogen ca produs secundar. În procesele termochimice pentru divizarea apei în hidrogen, sunt necesare temperaturi foarte ridicate. De asemenea, se dezvoltă procese biologice în care divizarea apei în timpul fotosintezei poate fi utilizată pentru a genera hidrogen. Fotonii luminii solare sunt folosiți direct în împărțirea fotocatalitică a apei . Fotonii generează perechi electron-gaură, a căror energie poate fi utilizată direct pentru a descompune apa în componentele sale.

Electroliza apei

Această formă de conversie a apei în hidrogen a fost demonstrată pentru prima dată în jurul anului 1800 de către chimistul german Johann Wilhelm Ritter . Reacția are loc într-un vas umplut cu electroliți conductori ( săruri , acizi , baze ), în care există doi electrozi care sunt acționați cu curent continuu. În condiții alcaline, procesul de fabricație are loc în două reacții parțiale:

• Catod: ${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O + 2e ^ {-} \ rightarrow H_ {2} +2 \ OH ^ {-}}}$
• Anod: ${\ displaystyle \ mathrm {\ quad 4 \ OH ^ {-} \, \, \ rightarrow O_ {2} +2 \ H_ {2} O + 4 \ e ^ {-}}}$

În principiu, electronii sunt eliberați la anod, care sunt apoi preluați din nou de catod. În reacția generală, apa este transformată în hidrogen molecular și oxigen molecular:

• Reacție generală: ${\ displaystyle \ mathrm {2H_ {2} O \ rightarrow 2H_ {2} + O_ {2}}}$

Procesul are sens în ceea ce privește eficiența energetică numai dacă oxigenul pur produs poate fi utilizat și nu este pur și simplu eliberat în aer. Eficiența energetică a electrolizei apei este de peste 70%. Mai mulți producători de echipamente (de exemplu, Electrolyser Corp., Brown Boveri, Lurgi, De Nora, Epoch Energy Technology Corp.) oferă dispozitive mari de electroliză cu o eficiență și mai mare (peste 80%). În 2008, oamenii de știință de la MIT au dezvoltat un catalizator care se așteaptă să crească eficiența electrolizei apei la aproape 100%, dar în 2019 era încă în faza de cercetare.

Un tip de proces este electroliza alcalină , care este utilizată în principal ca furnizor de energie în Norvegia și Islanda din cauza prețurilor scăzute la electricitate ale centralelor hidroelectrice .

Spre deosebire de utilizarea combustibililor fosili, nu _se eliberează CO ₂ în timpul electrolizei . Cu toate acestea, acest lucru se aplică numai dacă energia electrică utilizată nu a fost generată din combustibili fosili. Pentru producția, stocarea și reconversia ulterioară a hidrogenului, eficiența din 2013 a fost de maximum 43%. Sterner și colab. indica intervalele de eficiență între 34 și 44%. Se presupune că eficiența electrică globală de maximum 49-55% poate fi atinsă în perspectivă.

Electroliza cloralcaliilor

În cazul electrolizei clor-alcaline , hidrogenul și clorul sunt produse ca subproduse. Cu toate acestea, este utilizat în principal pentru a obține hidroxid de sodiu și hidroxid de potasiu din soluții de cloruri (de exemplu , sare de masă (NaCI)). Aceste reacții au loc la cei doi electrozi :

• Catod :${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O + 2 \ e ^ {-} \ rightarrow H_ {2} +2 \ OH ^ {-}}}$
• Anod :${\ displaystyle \ mathrm {2 \ NaCl_ {aq} \ rightarrow Cl_ {2} +2 \ e ^ {-} + 2 \ Na ^ {+}}}$

Procesul a fost utilizat la scară industrială de zeci de ani. Are sens economic acolo unde este nevoie de alcalii (și, eventual, de clor), dar nu merită numai în scopul producerii de hidrogen.

Procese termochimice

Disocierea termică

Disocierea termică descrie dezintegrarea moleculelor în atomii lor individuali prin acțiunea căldurii. Peste o temperatură de 1.700 ° C, are loc divizarea directă a vaporilor de apă în hidrogen și oxigen. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, în cuptoarele solare . Gazele rezultate pot fi separate unele de altele cu membrane ceramice . Aceste membrane sunt permeabile la hidrogen, dar nu la oxigen. Problema cu acest lucru este că apar temperaturi foarte ridicate și pot fi utilizate numai materiale scumpe, rezistente la căldură. Din acest motiv, acest proces nu este încă competitiv.

Proces termochimic

O scădere a temperaturii în timpul divizării apei termice la sub 900 ° C poate fi realizată prin reacții chimice cuplate. Încă din anii 1970, au fost propuse diverse procese de cicluri termochimice pentru cuplarea căldurii de la reactoare de temperatură înaltă , dintre care unele sunt potrivite și pentru utilizarea radiației solare concentrate. Din perspectiva actuală, cea mai mare eficiență a sistemului și cel mai mare potențial de ameliorare se găsesc într - un îmbunătățit proces acid iod sulfuric : iod (I) și dioxid de sulf (SO ₂ ) reacționează cu apa la 120 ° C până la iodură formă de hidrogen (HI) și acid sulfuric (H ₂ SO) ₄ ). După separarea produselor de reacție, acidul sulfuric este împărțit în oxigen și dioxid de sulf la 850 ° C, se formează iodură de hidrogen la 300 ° C și produsul de pornire iod. Cu toate acestea, eficiența termică ridicată a proceselor ciclului termochimic (până la 50%) trebuie comparată cu dificultățile încă in mare parte nerezolvate de inginerie a materialelor și a proceselor.

Procesul oxidului metalic

Mulți oxizi metalici împart oxigenul la temperaturi foarte ridicate, iar metalul rezultat reacționează cu apa la temperaturi mai scăzute, recuperând oxidul pentru a produce hidrogen. Sunt cunoscute peste 300 de variante ale acestor procese termochimice. Unele dintre ele, de exemplu procesul de oxid de zinc-zinc sau procesul de oxid de ceriu (IV) oxid-ceriu (III) , sunt cercetate ca fiind promițătoare din punct de vedere tehnologic (vezi și proiectul Hydrosol ):

Exemplu (M: metal; M (II): metal cu stare de oxidare II; O: oxigen; H: hidrogen):

Etapa Clivaj: M (II) O _reduce + H ₂ O → M (IV) O _{2 oxidează} + H ₂

Etapa de regenerare: M (IV) O _{2 se oxidează} → M (II) O _reduce + 1/2 O ₂

Împărțirea fotocatalitică a apei

Fotocataliza folosește lumina soarelui și un catalizator pentru a produce hidrogen. Avantajul fotocatalizei față de alte tehnici, cum ar fi electroliza, este că separarea sarcinii și împărțirea apei dintr-un material pot fi realizate la aceeași interfață, ceea ce minimizează pierderile de transmisie și permite realizarea economiilor de material.

Producția fotobiologică

În producția fotobiologică de hidrogen, lumina soarelui poate fi folosită și ca sursă de energie. Catalizatorii corespunzători sunt produși de organisme vii. Pentru a face acest lucru, bacteriile trebuie cultivate în bioreactoare cu hidrogen . Influențând fotosinteza pe care o realizează , energia nu este stocată în biomasă , ci este utilizată pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen. Acest proces ar putea fi CO _2- neutru sau aproape CO _2- neutru. Cu toate acestea, până în prezent nu este posibilă nicio implementare economică.

Vezi si

• Proiect Hydrosol
• Hydrogen Challenger
• Lista tehnologiilor de hidrogen
• Chimia solară # Producția solară de hidrogen termic
• Depozitarea hidrogenului
• Ortho și para hidrogen # Producerea și stocarea hidrogenului lichid

Link-uri web

• Generarea gazului combustibil pentru pilele de combustibil ( Memento din 16 octombrie 2006 în Arhiva Internet ) la Forschungszentrum Jülich
• Producerea de hidrogen folosind o simbioză artificială bacterie-alge (ArBAS) , site-ul web al proiectului TU Berlin
• De unde va veni hidrogenul în Germania până în 2050? , Studiu ca parte a proiectului GermanHy alAgenției Germane pentru Energie (dena), statutul august 2009, ca un PDF de 62 de pagini

Dovezi individuale

1. ↑ ^{a b} Ministerul Federal al Educației și Cercetării: O mică teorie a culorii hidrogenului. Adus la 15 iunie 2020 . 
2. ^ Teoria culorii hidrogenului. În: solarify.eu. 18 martie 2020, accesat la 26 ianuarie 2021 . 
3. ↑ Hidrogenul verde ca protector al climei: Der Sauberstoff pe spiegel.de accesat pe 2 ianuarie 2020
4. ↑ Hidrogen: energia viitorului? Adus de pe br.de pe 2 ianuarie 2020
5. ↑ De unde va veni hidrogenul în 2050? Adus pe 19 iunie 2020 . 
6. ↑ Ulf Bossel, Teorie și practică, aprilie 2006: hidrogenul nu rezolvă problemele energetice , accesat pe 24 septembrie 2014
7. ↑ Jan Rössler, Sven Messerer: Tehnologia pilelor de combustibil - producția de hidrogen. (PDF) 2005, p. 5 , arhivat din original la 4 octombrie 2012 ; accesat la 16 ianuarie 2015 (Universitatea de Științe Aplicate Darmstadt, lucru în grup (?)): „În principiu, electronii sunt eliberați la anod și preluați din nou de catod”. 
8. ↑ MIT solicită energie solară 24/7 , 31 iulie 2008, accesat la 19 octombrie 2011
9. ^ Electroliza hidrogenului: fosfura de cobalt ieftină și abundentă poate înlocui platina. În: Energy Post. 24 octombrie 2019, accesat la 23 octombrie 2020 (engleza britanică). 
10. ↑ Volker Quaschning , Regenerative Energy Systems. Tehnologie - calcul - simulare . A 8-a ediție actualizată. Munchen 2013, p. 373.
11. ↑ Evaluarea energetică-economică și ecologică a unei oferte de gaz de vânt p . 18 ( amintirea originalului din 24 decembrie 2014 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. . Fraunhofer IWES . Adus pe 14 noiembrie 2014. @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / wiki.imwe.me
12. ^ Dan Gao, Dongfang Jiang, Pei Liu, Zheng Li, Sangao Hu, Hong Xu, Un sistem integrat de stocare a energiei bazat pe stocarea hidrogenului: configurația procesului și studii de caz cu energie eoliană . Energy 66 (2014) 332-341 doi : 10.1016 / j.energy.2014.01.095 .
13. ^ Raport al Agenției Federale de Mediu privind utilizarea microalgelor ( Memento din 30 septembrie 2007 în Arhiva Internet ), ultima actualizare la 16 martie 2009, accesat la 30 martie 2010