|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 07/2007
Od 2020 r. mniej ropy naftowej, gazu, węgla... Więcej wodoru!
|
|
|
W miarę wyczerpywania się zasobów ropy i gazu ziemnego – co uwidaczniają ich szybko rosnące ceny – nasila się zainteresowanie wodorem jako paliwem dla pojazdów samochodowych. Na ogromną skalę realizuje się innowację w tym obszarze w Islandii.
|
Zaletą wodoru jest brak emisji jakichkolwiek zanieczyszczeń do atmosfery podczas jego spalania. Można go wytwarzać na skalę przemysłową nie tylko z nieodnawialnych nośników energii, ale również z biomasy (na drodze jej zgazowania tlenem, lub wprost - parą wodną) oraz poprzez elektrolizę lub termiczny rozkład wody. Tego typu elektrolizę można już dziś najefektywniej sprzęgać z elektrowniami wodnymi, wiatrowymi, lub fotowoltaicznymi.Obecnie termiczny rozkład wody konkuruje ekonomicznie często z jej elektrolizą.
W 2003 roku powołano do życia Międzynarodowe Partnerstwo Gospodarki Wodorowej między innymi z inicjatywy USA, Kanady, Australii, Brazylii, Chin, Indii, Japonii i Rosji.
W 2004 roku ukonstytuowała się Europejska Platforma Wodoru i Ogniw Paliwowych, która zajmuje się masowym jego wytwarzaniem oraz stosowaniem w transporcie i lokalnej energetyce (w tym via ogniwa paliwowe). Obie te organizacje zakładają, że w roku 2020 zastąpi się 20% ropy właśnie wodorem, który charakteryzują następujące właściwości:
-
Najwyższa wartość energii spalania w odniesieniu do jednostki masy.
-
Produktem spalania jest czysta woda.
-
Wysoka sprawność spalania przy szerokim zakresie zapłonu.
-
Jest łatwy w magazynowaniu na skalę przemysłową poprzez jego skraplanie i sprężanie.
-
W pełni opanowano wariantowe techniki jego przesyłu na dowolne odległości (tankowcami, gazociągami, autocysternami, itp.)
Procesy wytwarzania wodoru wraz z gazem syntezowym
Dziś wytwarza się w świecie 500 mld m3 wodoru rocznie i to głównie z gazu ziemnego na drodze jego katalitycznego reformingu z parą wodną i/lub dwutlenkiem węgla
CH4 + H2O ═ CO + 3H2
CH4 + CO2 ═ 2CO + 2H2
względnie poprzez półspalanie na niklowym katalizatorze wg reakcji:
CH4 + ½ O2 → CO + 2H2
W pierwszym procesie osiąga się sprawność 80%, a w drugim - około 70%.
Coraz częściej oraz coraz więcej wodoru wytwarza się w nowej generacji elektrowniach węglowych pod nazwą IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle).
W tego typu elektrowniach węgiel poddaje się tlenowo-parowemu zgazowaniu pod ciśnieniem 2-6 MPa i w temperaturach 1300-1600 st. C wg reakcji:
2C + O2 ═ 2CO
C + H2O ═ CO + H2
oraz ubocznie
C + CO2 ═ 2CO
Ta ostatnia jest szczególnie ważna, gdyż pozwala odpadowy dwutlenek węgla zamieniać w tlenek węgla, a z tego wytwarza się metanol oraz paliwa silnikowe metodą Fischera-Tropscha. Pierwsza jest silnie egzotermiczna, a druga przebiega endotermicznie. Dzięki temu utrzymuje się wyznaczoną temperaturę procesu zgazowania surowca odpowiednim stosunkiem tlenu do pary wodnej, podawanych z węglem do generatorów cylindrycznych.
Wytworzony gaz syntezowy, zawierający głównie tlenek węgla oraz wodór, można po starannym oczyszczeniu z siarki (wypłukując H2S oziębionym metanolem) skierować do spalania przed turbiną gazową, sprzężoną z elektrogeneratorem.
Można jednak tak wytworzony gaz syntezowy – w zależności od zapotrzebowania wzgl. aktualnej opłacalności sprzedaży energii elektrycznej – przetworzyć do czystego wodoru, lub metanolu, a nawet na drodze syntezy Fischera-Tropscha - do najwyższej jakości paliw silnikowych (benzyny i oleju Diesla).
Spaliny po turbinie gazowej o temperaturze około 550 st. C płyną do kotła wodno-parowego, sprzężonego z turbiną parową oraz elektrogeneratorem. Tego typu elektrownie osiągają sprawności powyżej 43%. Do ich generatorów zgazowania można podawać sam węgiel, lub w mieszaninie z biomasą, albo samą biomasę i wówczas nie trzeba niczego zmieniać w dalszych etapach przeróbki gazu syntezowego. Tego typu fabrykę syntezy paliw silnikowych wraz z produkcją energii elektrycznej buduje się w USA, w stanie Pensylwania.
Elektrownie z usuwaniem CO2 ze spalin
Pod naporem nasilającego się efektu cieplarnianego w otaczającej nas atmosferze, występuje konieczność wydzielania ze spalin w elektrowniach dwutlenku węgla wszędzie tam, gdzie będzie możliwe jego utylizowanie wzgl. magazynowanie wg następujących procesów:
-
Składowanie w określonych (specyficznych) regionach oceanicznych i morskich w postaci podobnych wodzianów, jakie występują tam w postaci uwodnionych brył metanu.
-
W opróżnionych, podziemnych pokładach po gazie ziemnym oraz po ropie. Są przypadki, że występujące tam skały mają odpowiednie składy chemiczne, zapewniające trwałe wiązanie wtłaczanego z wodą CO2 wg reakcji:
KalSi3O8 + CO2 + Na+ + H2O ═ K+ + NaAlCO3(OH)2 + 3SiO2
co ma szczególne znaczenie dla ochrony środowiska.
-
W wyrobiskach podziemnych po węglu kamiennym. Tu są zawsze pozostawione określone fragmenty pokładów węgla z rozpuszczonym metanem. Węgiel rozpuszcza w sobie dwukrotnie więcej dwutlenku węgla niż metanu. Pochłaniany zatem CO2 powoduje desorbcję CH4, który można utylizować na skalę przemysłową w dłuższym horyzoncie czasowym.
-
W przypadku elektrowni typu IGCC można część CO2 zawrócić do generatora zgazowania węgla, gdzie w temperaturze ponad 1000 st. C przebiega reakcja o której już wcześniej wspomniano.
C + CO2 ═ 2CO
-
Można również wymyty ze spalin dwutlenek węgla skierować do wytwórni reformingu metanu i przetworzyć go w gaz syntezowy
CH4 + CO2 ═ 2CO + 2H2
co bywa już stosowane na skalę przemysłową.
Tak pozyskany gaz syntezowy można następnie przerobić do metanolu, paliw silnikowych metodą Fischera-Tropscha, albo do wodoru na miedziowym katalizatorze
CO + H2 + H2O → CO2 + 2H2
Dwutlenek węgla usuwa się z tej mieszaniny etanoloaminą.
Warianty jego magazynowania ilustruje rys. 5.
Logistyka sieci wodoru wraz z paliwami płynnymi
Wszystkie przyszłościowe technologie wytwarzania wodoru, metanolu i paliw płynnych wg wyżej scharakteryzowanych procesów ujęto rys. 1.
Wytwarzany metanol może być mieszany z benzyną (podnosząc jej liczbę oktanową), może być katalitycznie przetwarzany wprost do benzyny, czy oleju dieslowskiego, lub czystego wodoru dla ogniw paliwowych, napędzających pojazdy samochodowe. Wodór można również zamiast benzyny zastosować do napędu silnika spalinowego.
Od ośmiu lat ponadnarodowe koncerny budują ogromnej mocy fabryki paliw płynnych z metanu (na drodze syntezy Fischera-Tropscha) bezpośrednio przy szybach wydobywczych ropy wszędzie tam, gdzie bywał dotąd spalany na specjalnych pochodniach. Obecna produkcja tych paliw silnikowych przekracza 9,5 mln t/r.
Proces syntezy paliw silnikowych z metanu via gaz syntezowy metodą Fischera-Tropscha jest bardzo podobny do syntezy metanolu.
Wszystkie elementy logistyki surowców do miejsc ich przetwarzania, a stąd - produktów - do stacji tankowania aut ujęto rys. 2-3-4.
Logistyka wodoru – jak również metanolu i paliw silnikowych – obejmuje wszystkie elementy od ich wytwarzania do przekazania klientom na stacji tankowania pojazdów samochodowych. Jak to ilustruje rys. 2, obejmuje ona problemy związane z: przyjmowaniem surowca (gaz ziemny, ropa, węgiel, biomasa, itp.), jego przetwarzanie do czystego wodoru i paliw płynnych, sieci ich rozprowadzania aż do stacji tankowania wprost do aut klientów.
Na rys. 4 uwidoczniono rozmiar komplikacji (operacji) z przyjmowaniem i sprzedażą wodoru w obrębie każdej stacji paliw silnikowych. Dowożony wodór bywa magazynowany w zbiorniku, skąd sprężarka przetłacza go pod ciśnieniem 35 MPa poprzez zbiorniki buforowe do kolektora rozdzielczego, a stąd poprzez specjalny układ zaworów oraz giętkie przewody zostaje załadowany do zbiorników wysokociśnieniowych w pojazdach klienta.
Tego typu stacje tankowania wodoru od paru lat działają – między innymi – na terenie USA, Islandii oraz Niemiec. Zasilają one głównie autobusy.
Na terenie Zakładów Chemicznych Leuna koło Drezna w RFN firma Linde wznosi kosztem 20 mln euro wytwórnię skroplonego wodoru o wydajności 5 t/dobę. Temperatura jego magazynowania oraz w czasie transportu w autocysternach wynosi -253 st. C. Uruchomienie tej wytwórni zaplanowano na 2007 rok.
W niedalekiej już przyszłości wodór w gospodarce światowej będzie odgrywał tak ważną rolę, jak dziś energia elektryczna, olej dieslowski i benzyna. Pozycja tych ostatnich od około 2020 roku będzie szybko malała na rzecz wodoru, który dziś potrafimy wytwarzać z drewna, słomy, odpadów przemysłu rolno-spożywczego oraz wyselekcjonowanych odpadów komunalnych i fabrycznych na skalę przemysłową.
|
|
|
|
