Фонов А.М.
СРАВНЕНИЕ ПИРОЛИЗА МЕТАНА В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ И ПЛАЗМЕННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА *
Аннотация:
в работе представлено сравнение двух методов получения водорода: в жидком металле и используя плазменную дугу. Проведен экономический расчёт установки на жидком металле
Ключевые слова:
водородная энергетика, пиролиз метана, пиролизёр, плазменная дуга, жидкий металл, экономический расчёт
DOI: 10.24412/2712-8849-2023-259-282-293
УДК 620.9
Фонов А.М.
студент бакалавр
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
(г. Москва, Россия)
СРАВНЕНИЕ ПИРОЛИЗА МЕТАНА
В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ И ПЛАЗМЕННОЕ
РАЗЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА
Аннотация: в работе представлено сравнение двух методов получения водорода: в жидком металле и используя плазменную дугу. Проведен экономический расчёт установки на жидком металле.
Ключевые слова: водородная энергетика, пиролиз метана, пиролизёр, плазменная дуга, жидкий металл, экономический расчёт.
Водород – универсальный, экологичный и эффективный энергоноситель, и накопитель, способный стать оптимальным энергетическим «агентом» и сбалансировать энергетику. Именно поэтому направление «Водородной энергетики» сегодня стало одним из самых наиболее быстроразвивающихся и вызывает огромный интерес у многих стран. Основными целями «водородной энергетики» являются снижение экологически вредных выбросов и переход к возобновляемой энергетике. Однако не только стремление ведущих стран к декарбонизации делает это направление наиболее перспективным, так как помимо своей экологичности водород позволит существенно повысить энергетическую эффективность. Используя его в качестве топлива можно существенно повысить КПД энергоустановок и топливных элементов не его основе. На сегодняшний день водород широко применяется в следующих сферах: химическая промышленность, нефтепереработка, металлургии и прочее. Однако в рамках «Водородной энергетики» водород может применятся в широком спектре направлений:
Рис 1. Структура потребления водорода [1].
В 2020 г. мировое потребление чистого водорода и водорода в смеси с другими газами составило 75 и 44 млн. тонн соответственно[2]. Очевидно, что развитие промышленности и техники будет приводить к увеличению спроса на водород не только в качестве составного элемента отдельных технологических циклов, но и в качестве полноценного энергетического «агента».
Рис 2. Динамика потребления чистого водорода и водорода в смеси
в мире по сегментам производства, млн т. [2].
Сегодня «Водородная энергетика» из статуса инвестиционного проекта переходит в стадию непосредственной реализации. Свидетельством этого являются соглашения и нормативные акты, сформулированные не только среди отдельных компаний, но и на государственном уровне. В декабре 2015 года 194 страны подписали Парижское соглашение, обязавшись удерживать прирост глобальной температуры на уровне ниже 2 градусов Цельсия и прилагать усилия к ограничению роста температуры 1,5 градусами Цельсия. Россия присоединилась к Парижскому соглашению осенью 2019 года. В рамках этого соглашения в США, Китае, Японии, Евросоюзе и других странах в последние годы были утверждены стратегии развития водородной энерегетики, которые подразумевают постепенное вытеснение углеводородов за счет наращивания мощностей для производства водорода (преимущественно за счет гидролиза). Так в соответствии с водородной стратегий ЕС доля водородной энергетики в структуре энергопотребления возрастет до 6 % в 2030 году и до 24 % в 2050 году. В России задача по развитию водородной энергетики закреплена в ключевом отраслевом документе стратегического планирования – актуализированной Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года. Вместе с тем в октябре 2020 года правительство РФ утвердило «дорожную карту» по развитию водородной энергетики до 2024 года, которая направлена на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя, а также вхождение страны в число мировых лидеров по его производству и экспорту. В целом, на сегодняшний день в России производится около 5 млн тонн водорода при мировом потреблении в 72 млн тонн. Однако согласно Энергостратегии 2035, Россия планирует удвоить производство водорода и занять до 16% мирового рынка. Задача, поставленная до 2024 года – экспортировать 0.2 млн. тонн водорода в год, а к 2035 году – 2 млн. тонн водорода, при этом целевые показатели для внутреннего рынка не предусмотрены. [3]. Сегодня в качестве сырья для производства водорода используют: природный газ 68%, Нефть – 16%, уголь – 11%, электролиз воды – 5%.
Рис 3. Соотношение между сырьевыми продуктами
для производства водорода.
К основным способам производства водорода на сегодняшний день можно отнести: электролиз, газификация угля, паровая конверсия метана, биологическое получения водорода с помощью водорослей, газификация отходов и пиролиз метана. Стоит отметить, что из всех вышеперечисленных методов наиболее рентабельным является метод паровой конверсии метана, однако данный способ больше применяется в нефте и химической промышленности. В энергетике наибольшее распространение получил электролиз, который, является методом получения «зеленого» водорода» и в основном используется на крупных АЭС. Однако данный метод довольно дорогой по сравнению с остальными, что заставляет прибегнуть к рассмотрению альтернативных методов.
В силу больших запасов природного газа в России метод получения водорода методом пиролиза видится весьма перспективным, что в перспективе может обеспечить увеличение объёмов производства и экспорта «голубого» водорода на мировой рынок. Пиролиз метана - это химический процесс, разделяющий метан или, в общем случае, углеводороды на его элементарные компоненты - водород и твердый углерод в ходе реакции
СH4 → C↓ + 2H2↑. Основная реакция эндотермическая, а необходимая энергия может поступать из разных источников энергии. Реакция протекает без окислителя, т.е не образуются CO и CO2, а значит и не требуется дополнительного оборудования для их улавливания. Для термического разложения метана необходимы высокие температуры (выше 1000 °C). Использование катализатора помогает увеличить скорость реакции и таким образом снижает температуру, требуемую для конверсии природного газа. На один килограмм водорода, как правило, образуется около 3 кг углерода, при этом существует возможность получения ценных продуктов, например: синтетического графита, графена, фуллеренов, углеродных нанотрубок, использование которых имеет перспективы в электротехнике, электронике, строительстве, машиностроении и др. Так, например, возможно применение углерода в различных кристаллических модификациях в качестве композитного материала, наполнителя или армирующего агента при производстве резиновых изделий, автомобильных шин. Также возможно использование углерода в качестве добавки для улучшения свойств почв, строительных материалов (асфальта, бетона, цемента и др.). Пиролиз метана относится к целому ряду процессов (по аналогии с конверсией метана), которые могут быть разделены на несколько больших классов – термический пиролиз, каталитический пиролиз, плазменный пиролиз, а также отдельно может быть выделен пиролиз в жидких средах, например, расплавах металлов.
Рис 3. Схема установки пиролизёра
с жидким металлом.
Плазменное разложение - это способ разложения метана в плазме (например, сверхвысокочастотного разряда). В этом случае в качестве источника энергии используется электроэнергия (сетевая или возобновляемая) и, соответственно, процесс не сопровождается «прямыми» выбросами диоксида углерода. Основными проблемами данного метода являются: охлаждение плазменной горелки, износ электродов и углеродистые отложения. На сегодняшний день нет ни одной экспериментальной установки, предназначенной для производства водорода, как целевого продукта. Наиболее перспективный проект в этом направлении в соответствии с [7,8] имеет следующие параметры:
Рис 4. Схема установки с плазменным реактором.
Экономический расчёт проведёт для установки с жидким металлом, т.к. её реальные прототипы уже существую и даже используются в некоторых лабораториях. Для проведения экономического расчёта [14] разработанной схемы требуется задаться актуальными ценами. Так для целевых продуктов (углерод и водород) стоимость производства составляет: 1,1 долл. / кг – «серый» водород. 1,64 долл./кг - «Синий» водород. 4 долл./кг – «Зеленый» водород.(по данным МЭА). Стоимость углерода на рынке варьируется от 45 до 80 руб./кг. В соответствии с этими данными для нашей установки проведем расчет трех вариаций цен. Водород: 20, 50, 100 руб./кг. Углерод: 20, 50, 75 руб./кг. Цена на природный газ в соответствии с [13]: 5,144 руб./м^3.
Для проведения расчета потребуются следующие параметры разработанной модели установки:
– расход водорода на выходе.
- расход углерода на выходе.
- расход природного газа.
Расчёт прибыли от реализации водорода и побочного продукта углерода от смоделированной установки определяется как разница между выручкой (TR) и общими ежегодными затратами (TC):
,
Выручка (совокупный доход) в млн руб. от реализации водорода и углерода в общем виде определяется по формуле:
, где
Полученные результаты выручки для трёх значений цены на водород 20, 50, 100 руб./кг и углерод: 20, 50, 75 руб./кг:
-Для цены 20 и 20 руб./кг водорода и углерода соответственно:
-Для цены 50 и 50 руб./кг водорода и углерода соответственно:
-Для цены 100 и 75 руб./кг водорода и углерода соответственно:
Для оценки ежегодных затрат будет учитывать только используемые энергоресурсы в силу того, что на данный момент есть только теоретическая модель установки и оценить затраты на ремонт оборудования, на фонд оплаты труда, на амортизацию и на налог на имущество не представляется возможным.
На основании ежегодной выручки и ежегодных затрат на энергоресурс ежегодная прибыль составит:
,
,
,
Анализируя полученные данные можно сделать следующий вывод: суммарные затраты на производство водорода для первой установки составили порядка 160 руб./(кг H2) что сопоставимо по затратам на производства 1кг H2 методом электролиза [14]. Выход излишнего сгенерированного водорода при этом составил 570 кг H2/час. Расчёт второй установки показал, меньшие показатели по выходу водорода, порядка 350 кгH2/час и показатель 100 руб./(кг H2) излишнего водорода, однако при меньших затратах электроэнергии данный метод является более выгодным. Кроме того, установка первого типа не обеспечена системой очистки углерода, что усложняет её эксплуатацию и срок службы. Вторая установка может легко отделать углерод и использовать его в качестве также целевого продукта, учитывая такую совместную генерацию второй метод экономически более рационален, более того, он предусматривает непрерывную работу установки, что важно в системе охлаждения генераторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Fonov A.M.
Bachelor student
National Research University «MEI»
(Moscow, Russia)
COMPARISON OF METHANE PYROLYSIS IN LIQUID METAL
AND PLASMA DECOMPOSITION TO PRODUCE HYDROGEN
Abstract: the paper presents a comparison of two methods for producing hydrogen: in a liquid metal and using a plasma arc. The economic calculation of the liquid metal installation was carried out.
Keywords: hydrogen energy, methane pyrolysis, pyrolyzer, plasma arc, liquid metal, economic calculation.
Номер журнала Вестник науки №2 (59) том 4
Ссылка для цитирования:
Фонов А.М. СРАВНЕНИЕ ПИРОЛИЗА МЕТАНА В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ И ПЛАЗМЕННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА // Вестник науки №2 (59) том 4. С. 282 - 293. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/7401 (дата обращения: 28.04.2025 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+