СРАВНЕНИЕ ПИРОЛИЗА МЕТАНА В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ И ПЛАЗМЕННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

ЭНЕРГЕТИКА И АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

УДК 620.9

Фонов А.М.

студент бакалавр Национальный исследовательский университет «МЭИ»

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:

1) Выработка электроэнергии: преобразование избыточной энергии в водород методом электролиза позволяет создавать запас этого газа, который может храниться для дальнейшего использования в качестве источника электроэнергии по мере необходимости. Данное решение представляется весьма эффективным, поскольку водород является надежным источником энергии и может храниться очень долго. В результате дискретный процесс выработки энергии стабилизируется и откладывается во времени, что важно для ВИЭ.

2) Топливо для транспорта: если говорить о бытовых способах применения водорода, то в первую очередь стоит отметить возможность его использования в качестве топлива для автомобилей и других транспортных средств.

3) Сырье для промышленности: водород - не только газ, который может использоваться в качестве энергоносителя, но и химический элемент, востребованный в промышленности благодаря своим свойствам. В частности, водород имеет широкое применение в нефтепереработке, а также в металлургии.

4) Энергоноситель для производства: благодаря тепловой энергии, образуемой при его сжигании, водород может использоваться в качестве альтернативы природному газу. По своим характеристикам эти газы существенно отличаются (в т.ч. по плотности и удельной теплотворной способности), однако затраты на переоснастку или полную замену оборудования в результате окупятся. С экологической точки зрения выгоды очевидны: использование водорода в качестве энергоносителя позволит добиться существенного снижения выбросов парниковых газов.

5) Газ для отопления: наряду с описанным выше применением на производстве в качестве энергоносителя водород также может использоваться для отопления зданий (жилых комплексов, школ, больниц и пр.).

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^]. 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».

и Кгфгеперердбогы  Транспорт  Мепяпурпи <в смеем)

Пр-ю аммним  Пр-ао мепнопа • Приче» ( см«си>

« Проча* •

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%.

нрнрошый I пз  нефть  уголь злскчрилш вилы

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

СН4 —> С| + 2Н2|. Основная реакция эндотермическая, а необходимая энергия может поступать из разных источников энергии. Реакция протекает без окислителя, т.е не образуются СО и С02, а значит и не требуется дополнительного оборудования для их улавливания. Для термического разложения метана необходимы высокие температуры (выше 1000 °С). 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.

• В данной работе сравниваются два метода: пиролиз в жидком металле и пиролиз в плазменном реакторе. В жидком металле - В этом процессе метан подвергается термическому разложению при температурах до 1200°С при прохождении через жидкометаллический реактор с пузырьковой колонной. Особенностью данного реактора является то, что он выполнен из кварцевого стекла и стали, что минимизирует риск закупоривания твёрдым углеродом. В качестве металлической среды выступает олово. В ходе эксперимента, проведенного Karlsruhe Institute of Technology (KIT) [5,6] были выявлены оптимальные параметры реактора для получения максимального выхода H2. Образованный в ходе процесса углерод сконцентрировался на поверхности металла в виде порошка с размером частиц от 15 мкм до 20 мкм. Также отмечается, что полученный углерод имеет высокую частоту и легко отделим от

олова. Данный реактор имеет следующие параметры:

н2

о Температура процесса: 1175 °С, о Расход газа: 0.012 мА3/ч, о Конверсия по Н2: 78%,

сн4

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:

о Температура процесса: 2100 °С, о Расход газа: 144 мА3/ч, о Конверсия метана: 95%, о Электроэнергия на плазматрон: МВт,

о Выход углерода: 10-15 т/год, Рис 4. Схема установки с плазменным

0,85

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./мА3.

Для проведения расчета потребуются следующие параметры разработанной модели установки:

СН2 = 499255,68 кг/год - расход водорода на выходе.

СС = 2505219,84 кг/год- расход углерода на выходе.

Впг = 5628860,64 кг/год- расход природного газа.

Расчёт прибыли от реализации водорода и побочного продукта углерода от смоделированной установки определяется как разница между выручкой (ТЯ) и общими ежегодными затратами (ТС):

Рг = TR - ТС,

Выручка (совокупный доход) в млн руб. от реализации водорода и углерода в общем виде определяется по формуле:

TR = (Он2 * Рн2 + Сс * Рс), где Сн2 - выход водорода кг/год

СС — выход углерода кг/год РН2 — стоимость водорода руб./кг РН2 — стоимость водорода руб./кг

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:

TR2o = (469255,68 * 20 + 2505219,84 * 20) * 10-3 = 59490 млн. руб.;

20

-Для цены 50 и 50 руб./кг водорода и углерода соответственно: TR5o = (469255,68 * 50 + 2505219,84 * 50) * 10-3 = 148724 млн. руб.;

50

-Для цены 100 и 75 руб./кг водорода и углерода соответственно: TRloo = (469255,68 * 100 + 2505219,84 * 75) * 10-3 = 234817 млн. руб.;

75

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. ТС = Впг * рпг * 10-3, где Впг — расход природного газа кг/год,

рпг — стоимость природного газа кг/год, ТС = 5628860,64 * 7,0747 * 10-3 = 39667 руб/год,

На основании ежегодной выручки и ежегодных затрат на энергоресурс ежегодная прибыль составит:

рГ2о = TR20 - ТС = 19823 млн. руб,

20 20

Prso = TR50 - ТС = 109057 млн. руб,

50 50

Prioo = TR100 — ТС = 195150 млн. руб,

75 75

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 Н2/час. Расчёт второй установки показал, меньшие показатели по выходу водорода, порядка 350 кгН2/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:

1. Hydrogen: Current Use and Future Development / DECHEMA, IEA Hydrogen Workshop, February 2019.

2. Развитие водородной энергетики в России: новая энергополитика : [Электронный ресурс] // Delovoy Profil. URL: https://delprof.ru/press-center/open-analytics/razvitie-vodorodnoy-energetiki-v-rossii-novaya-energopolitika/?ysclid=l4xs3fvp1t498778082. (Дата обращения 20.02.2032).

3. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года // Распоряжение правительства Российской Фелерации от 9 июня 2020 г. №1523-р.

4. J. Kellenbenz, D. Klingler, A. Bode,Methane pyrolysis -Innovative process for the coupled production of hydrogenand carbon, Annual meeting of the ProcessNet High Tem-perature Technology Group, Frankfurt am Main, January2017.

5. T. GeiBler,Methane pyrolysis in a liquid metal bubble columnreactor, Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology(KIT),2017.

6. www.kit.edu/kit/pi_2019_wasserstoff-aus-erdgas-ohne-co2-emissionen.php (Accessed on April 22, 2020).

7. R. Hanson, Special Use Permit Application For ConstructionAnd Operation Of A Carbon Black Manufacturing Plant ByMonolith Nebraska, LLC, Village of Hallam,NE2018.www.lincoln.ne.gov/cnty/clerk/agenda/2018sm/180927/hallamextrat erritorialzoning%2 0.pdf

8. N. J. Hardman et al.,Patent WO2017048621 A1,2017.

a. N. Z. Muradov,Int. J. Hydrogen Energy2005,30 (10), 1149-1158. DOI: https://doi.org/10.1016/j .ijhydene.2005.04.005

b. Cornejo, H. T. Chua,Patent US2018/0065850 A1,2018.

9. Cornejo,Patent AU2016312962 B2,2016.

10. Cornejo,Patent WO2018/170543 A1,2018.

11. Приказ ФАС России от 02.06.2021 N 546/21 «Об утверждении оптовых цен на газ, добываемый ПАО «Газпром» и его аффилированными лицами, реализуемый потребителям Российской Федерации (кроме населения и потребителей Российской Федерации, указанных в пункте 15.1 Основных положений формирования и государственного регулирования цен на газ, тарифов на услуги по его транспортировке и платы за технологическое присоединение газоиспользующего оборудования к газораспределительным

12. Федюхин, А.В. Технические аспекты производства, логистики и использования водорода/ А.В Федюхин, Карасевич В.А// Neftegaz.RU. - 2022. -№10.

Fonov A.M.

Bachelor student National Research University «MEI»

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.