Использование технологии химических циклов для производства водорода

Дан краткий анализ перспектив использования водорода и развития методов его получения. Показано, что стоимость водорода с низким углеродным следом по традиционной технологии парового риформинга (SMR) с улавливанием СО₂ (CCS) будет оставаться на уровне 1-2 €/kg в период с 2019 по 2050. Стоимость водорода, полученного путем электролиза составляла 3- 7 €/kg в 2019 г, но в дальнейшем предполагается ее снижение. Считается, что к 2050 году обе технологии будут одинаково востребованы с небольшой разницей в затратах в зависимости от региональных условий. Водород, произведенный электролизом из энергии ветра, требует значительно большей площади (почти на 3 порядка), чем по технологии SMR из органических топлив. Выполнен обзор состояния разработок в области технологии химических циклов для производства водорода. Показано, что производство водорода с использованием технологии химического цикла вызывает все больший интерес в последние годы. В таких системах используются 3 связанных между собой реактора. Даны особенности и основные параметры таких систем применительно к использованию природного газа и угля. Технология парового риформинга в химических циклах (CLR) имеет значительный потенциал для коммерческого использования. Кроме того, это технология безвредна для окружающей среды, так как чистый поток CO₂ готов к захоронению. Она обладает заметными преимуществами по сравнению с традиционными технологиями получения водорода путем риформинга природного газа. Одним из наиболее важных вопросов при использовании технологии химических циклов является гидродинамика связанных между собой реакторов. Даны некоторые результаты экспериментальных исследования в России, проведенных ОАО «ВТИ» на крупной аэродинамической установке. Намечено проведение исследований на огневой установке системы связанных между собой ректоров с реальной температурой процесса. Такие исследования позволят создать необходимый научный задел для передовых установок получения водорода из органических топлив без выбросов СО₂.

1. IEA (2020a). Energy Technology Perspectives 2020. Paris: International Energy Agency. https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020.

2. IEA (2020b). Energy Technology Perspectives 2020. Special Report on Carbon Capture Utilisation and Storage. CCUS in clean energy transitions. Paris: International Energy Agency. https://webstore.iea.org/ccusin-clean-energy-transitions.

3. Hydrogen Council (2017). Hydrogen scaling up. A sustainable parthway for the global energy transition. http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/11/Hydrogen-scaling-up-Hydrogen-Council.pdf.

4. ETC (2018b). Mission Possible. Reaching net-zero carbon emissions from harder-to-abate sectors by midcentury. http://www.energy-transitions.org/sites/default/files/ETC_MissionPossible_FullReport.pdf.

5. DNVGL (2018). Hydrogen as an energy carrier. An evaluation of emerging hydrogen value chains. https://www.dnvgl.com/oilgas/download/hydrogen-as-an-energy-carrier.html.

6. ZEP (2021). The crucial role of low- carbon hydrogen production to achieve Europe’s climate ambition: A technical assessment. https://zeroemissionsplatform.eu/wp-content/uploads/The-crucial-role-of-low-carbon-hydrogen-production-to-achieve-Europes-climate-ambition-ZEP-report-January-2021.pdf.

7. Конопляник, A. Корпоративный журнал «Газпром», № 9, 30 сентября 2020.

8. Аксютин, О. Метан, водород, углерод: новые рынки, новые возможности [Текст] / О. Аксютин, А. Ишков, К. Романов, Р. Тетеревлев, //«НЕФТЕГАЗОВАЯ ВЕРТИКАЛЬ» №1-2/2021. С. 40 – 47.

9. Рябов, Г. А. Сепарация СО 2 с использованием химических циклов сжигания и газификации топлив [Текст] / Г. А. Рябов, О. М. Фоломеев, Д. С Литун, Д.А. Санкин // Теплоэнергетика. – 2009. – № 6. – С. 39 – 49.

10. Luo, M. Review of hydrogen production using chemical-looping technology [Text] /M. Luo, Y. Yia, S. Wang, Z. Wang, M. Du, J. Pan, Q. Wang //Renewable and Sustainable Energy Reviews Volume 81, Part 2, January 2018, Pages 3186-3214 https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.07.007.

11. Fan, L.-S. Chemical looping gasification [Text] / L.-S. Fan, F. Li, L. G. Valazquer-Vargas, S. Ramkumar // Proc. of the 9 th In. Conf. of CFB, 2008 May, 13−16. Germany, Hamburg, 2008. − P. 801−806.

12. Chiron, F. X. Hydrogen production through chemical looping using NiO/NiAl2O4 as oxygen carrier [Text] / F. X. Chiron, G. S. Patience, S. Rifflart // Chemical Engineering Science Volume 66, Issue 24, 15 December 2011, P. 6324-6330.

13. Tang, M. Progress in oxygen carrier development of methane-based chemical-looping reforming: A review [Text] / M. Tang, L. Xu, M. Fan // Applied Energy 151 (2015) 143–156. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.04.017.

14. Chiesaa, P. Three-reactors chemical looping process for hydrogen production [Text] /Paolo Chiesaa,, Giovanni Lozzaa, Alberto Malandrinob // INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY 33 (2008) 2233 – 2245. dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.032.

15. Wang, Z. Exergy analysis of methane cracking thermally coupled with chemical looping combustion for hydrogen production [Text] / Zhe Wang, Weiyu Fan, Guangqing Zhang, Shuang Dong // Applied Energy 168 (2016) 1–12. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.076.

16. Khan, M. N. Techno-economic assessment of a plant based on a three reactor chemical looping reforming system [Text] / M. N. Khan, T. Shamim // International Journal of Hydrogen Energy Volume 41, Issue 48, 28 December 2016, P. 22677-22688 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.09.016.

17. Spath P, Aden A, Eggeman T, Ringer M, Wallace B, Jechura J. Biomass to hydrogen production detailed design and economics utilizing the BCL indirectly heated gasifier. National Renewable Energy Laboratory Technical Report TP- 510-37408. 2005.

18. Anonymous. Levelized cost and levelized avoided cost of new generation resources in the annual energy outlook 2014. US Energy Information Administration; 2014 Apr.

19. Shaner MR, Atwater HA, Lewis NS, McFarland EW. A comparative techno-economic analysis of renewable hydrogen production using solar energy. Energy Environ Sci 2016;9:2354e71.

20. G. Ryabov, O Folomeev, I. Dolgushin The investigation of mass flux profile and separation of binary mixture of ash and metal oxide for chemical looping combustion of solid fuels. Proc of 23-rd Int. Conf. on FBC, Seoul, Korea, May 13-17, 2018, pp 468-476.

21. G. Ryabov, D. Sankin, O. Folomeev, I. Dolgushin, The Investigation of fluidization of solids mixture with different particles density, Proc. of CFB12, May 24-26, 2017, Krakow, Poland, pp 179 – 186.