Получение Лабораторные методы получения Промышленные методы Перспективные технологии Получение атомарного водорода Хранение Газ Жидкость Металлогидриды. - презентация

1 Получение Лабораторные методы получения Промышленные методы Перспективные технологии Получение атомарного водорода Хранение Газ Жидкость Металлогидриды Адсорбция Углеродные наноструктуры

2 Лабораторные методы получения водорода Взаимодействие металла с кислотой Небольшие объемы Высокая чистота получаемого водорода Простота способа Взаимодействие алюминия с щелочью Электролиз воды с добавлением электролитов

3 Промышленные методы получения водорода Газификация угля Конверсия метана Электролиз

4 Газификация угля Через раскаленный до 1000ºС кокс пропускают водяной пар и получают водяной газ Затем монооксид углерода окисляют в диоксид углерода, пропуская смесь водяного газа с избытком паров воды над нагретым до °С катализатором Fе 2 О 3

5 Конверсия метана Этим методом получают основное количество промышленного водорода Наименьшая стоимость водорода Доступность сырья

6 Газификация угля Индустриальный Альянс FutureGen 18 декабря 2007 г. Альянс FutureGen выбрал площадку для строительства экспериментальной электростанции. Электростанцию мощностью 275 МВт построят в 3,5 милях от города Матун, штат Иллинойс. Захваченные выхлопные газы будут хранить под землёй на глубине 8000 футов. Ежегодно будет улавливаться от 1 до 2 млн. тонн CO 2. Строительство начнётся в 2009 г. Электростанция начнёт работу в 2012 г. Электрическая и тепловая энергия будет вырабатываться на электростанции из водорода. Водород будет производиться методом газификации угля. Часть водорода может быть использована для заправки автомобилей. Электроэнергия будет производиться в газовых турбинах, а в будущем и в водородных топливных элементах.

7 Электролиз воды Высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше Разделение водорода и кислорода на этапе получения Нет подвижных элементов Возможность получать водород под давлением Неисчерпаемое сырье Основное назначение – накопление энергии для сглаживания пиков потребления на атомных электростанциях В качестве побочного продукта при электролизе хлоридов натрия или калия

8 Перспективные методы получения водорода Высокотемпературные газовые реакторы (ВТГР) Разложение воды металлами Термическое разложение воды Из сероводорода

9 Высокотемпературные газовые реакторы ВТГР Реакторная установка МГРТ (Россия) – энергоисточник для комбинированного производства электроэнергии и водорода методом паровой конверсии или термохимическим циклом

10 Высокотемпературные газовые реакторы ВТГР Реактор Блок преобразования энергии

11 Реактор с гранулированным топливом Вскрытый топливный элемент TRISO. Видна четырехслойная оболочка из трех материалов: буферный слой пористого углерода, пиролитический графит, керамика SiC и снова пирографит. Схема реактора, работающего на гранулированном топливе

12 Экспериментальный реактор AVR Германия, Юлих Назначение Конверсия 232 Th в 233 U. Испытание и апробация различных видов топлива Дата пуска 19 мая 1969 Дата закрытия 31 декабря 1988 Установленная электрическая мощность 15 МВт Реактор AVR стал основой для технологии, приобретенной Китаем для постройки реактора HTR-10

13 HTR-10 Китай, Гуандун Дата пуска Январь 2003 Установленная электрическая мощность 10 МВт Температура теплоносителя 700 C ÷ 950 C Топливные элементыTRISO. Ø 6 см Количество топливных элементов 27,000

14 Ториевый высокотемпературный реактор с электрической мощностью 300 МВт был построен в 1971 году, вступил в эксплуатацию 16 ноября 1985 года и закрыт 20 апреля 1988 года. THTR-300

15 Получение водорода с помощью солнечной энергии Sandia National Laboratories США Каталитическое разложение воды на оксиде железа, с восстановлением оксида нагреванием Главное зеркало солнечной печи

16

17 Получение водорода с помощью солнечной энергии Weizmann Institute of Science Восстановление цинка из оксида солнечной печью Солнечная башня, Калифорния. Герметично упакованный цинк транспортируется к местам производства электроэнергии

18 Получение водорода окислением алюминия Jerry M. Woodall Distinguished Professor, School of ECE, Purdue University, West Lafayette, IN Металлический галлий переходит в жидкое состояние при невысокой температуре и препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия Фазовая диаграмма сплава Al-Ga L+S S S (Al+Ga)

19 Сплав 28% Al и 72% Ga для производства водорода Водород выделяется при контакте алюминия с водой. При этом выделяется тепло. После исчерпания алюминия галлий используется повторно, а алюминий восстанавливается из оксида Использование водорода в топливных элементах и утилизация тепла реакции позволяет получить электрическую батарею с высокой удельной плотностью энергии. Al-Ga-H 2 O система имеет емкость 2200 Вт·час/кг Свинцово кислотный аккумулятор имеет емкость 30÷50 Вт·час/кг

20 Получение атомарного водорода Простейший генератор атомарного водорода с использованием вольфрамовой нитьи, разогретой до Т=2000 o C. Молекулярный водород, напускаемый в вакуумную камеру, термически диссоциирует на накаленной нити. При этом выход атомарного водорода составляет около 0,1%. Известен генератор атомарного водорода на основе СВЧ-газового разряда в условиях электронного циклотронного резонанса Производительность и эффективность получения атомарного водорода в таких источниках высоки. Основным недостатком данного генератора является его высокая стоимость и сложность.

21 Получение водорода из H 2 S Прямое термическое разложение сероводорода на водород и серу по реакции: является сильно эндотермическим процессом и может с заметной скоростью протекать лишь при температурах ºC. В присутствии катализаторов эта реакция может проходить при более низких температурах, а применение хемосорбционно-каталитического материала - сульфида кобальта позволяет проводить выделение водорода при Т=-5ºС.

22 Получение водорода из H 2 S Разработан экологически чистый и экономичный плазмохимический процесс и опытно-промышленное оборудование для разложения сероводорода с получением серы и водорода, значение которого в энергетике все возрастает. настоящее время разработаны два варианта опытно-промышленных установок: с индукционным плазмотроном (мощность в плазме 400 к Вт, частота тока 0,44 МГц); с СВЧ плазмотроном (мощность в плазме 600 к Вт, частота тока 915 МГц). На основе эксплуатации этих установок разработаны конструкции и изготовлены индукционные плазмотроны для мощных установок для использования в промышленных масштабах. ФГУП "ВНИИТВЧ, Россия, г. С.-Петербург

23 Хранение газообразного водорода газовые баллоны Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм 3 и средней ёмкости 20 – 50 дм 3 с рабочим давлением до 20 Мпа. Для хранения 2 кг Н 2 требуются болоны массой 33 кг. стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары Газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. стеклянные микросферы

24 Использование микропористых структур для эффективного аккумулирования водорода При давлении водорода 10 МПа в баллоне с наполнителем содержится 49 г/л или 13,8 вес% водорода. Стеклянные сферы Ø31 мкм Элемент матрицы из капилляров 1 корпус; 2 капилляры с водородом; 3 нагреватель; 4 коллектор подачи-выпуска водорода; 5 патрубок для предохранительного клапана; 6 патрубок подачи-выпуска водорода

25 Хранение жидкого водорода Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа. Железнодорожная цистерна для перевозки жидкого водорода. Вместимость 7350 кг.

26 Применение углеродных наноструктур для хранения водорода Конструкция из углеродной нанотрубки и двух фуллеренов для хранения водорода. Оптимальной для контейнера оказалась однослойная нанотрубка диаметром ~ 15Å. Для блокировки использованы две молекулы фуллерена С 60. Детальные вычисления показали, что при внутреннем давлении 2,5 ГПа емкость по водороду приближается к 7,7 масс.% водорода, при этом после снятия внешнего давления молекулы водорода надежно заперты внутри при комнатной температуре. Теоретическая модель Chinese Univ. Hong Kong Shatin и Fudan Univ., Shanghai

27 Химическое хранения водорода метанол Метанол жидкость при нормальных условиях с плотностью 791 кг/м 3. Водород из метанола обычно получают каталитическим разложением или конверсией.

28 Химическое хранения водорода аммиак Аммиак при нормальных температурных условиях и давлении более 1 МПа находится в жидком виде. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака, который в сжиженном виде занимает объем всего 8,3 литра. Разложение аммиака проводят при температуре 1173 – 1073 К с применением железного катализатора.

29 Металлогидриды