hydrogen producing
Post on 21-Dec-2015
223 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Cod lucrare: S1-7-ro
ECONOMIE A HIDROGENULUI
Elisabeta Pasculete, SC OVM ICCPET SA, Bucuresti
Rezumat
“Economia hidrogenului” va marca viitorul nu prea indepartat al omenirii care va trebui sa faca
eforturi de cercetare, de demonstrare si implementare a tehnologiilor , echipamentelor, materialelor
avansate, inclusiv a nanotehnologiilor si a nanomaterialelor pentru a obtine, stoca si transporta hidrogenul,
combustibil sintetic purtator de energie secundara.
Se prezinta argumentele care stau la baza schimbarii economiei bazate pe combustibilii fosili intr-o
economie a hidrogenului, care va sta la baza unui sistem energetic sigur si sustenabil si a unuia de transport
nepoluant.
Se inventariaza succint cateva cai de obtinere a hidrogenului avand la baza surse regenerabile de
energie precum si preocuparile pe linia asimilarii de materiale avansate pe care le implica tehnologiile noi de
obtinere a hidrogenului.
Key words: hidrogen; gazeificare; electroliza, electroliti solizi
1. INTRODUCERE
Hidrogenul poate fi considerat drept combustibil sintetic purtator de energie secundara
intr-o epoca viitoare, ulterioara economiei combustibililor fosili. Bockris defineste astfel
conceptul de “economie a hidrogenului” care va marca viitorul nu prea indepartat [1].
In SUA “ Centrul de cercetare a hidrogenului” defineste prin urmatoarele patru puncte
scenariul energetic al viitorului:
Incepand cu sec. XXI vestul va incepe sa resimta efectele epuizarii rezervelor de
combustibili fosili lichizi;
Perioada utilizarii carbunelui ca inlocuitor al petrolului nu va fi de 50-100 de ani, asa
cum sustin adeptii entuziasti ai carbunelui;
Costurile poluarii la utilizarea carbunelui dubleaza costurile combustibilului propriu-zis;
Sursa acceptata in mod conventional pentru inlocuirea petrolului, reactiile de fisiune, va
fi disponibila aproximativ acelasi timp ca petrolul, in masura in care energia provine
numai din energia din scoarta pamantului.
Prin urmare, omenirea se va indrepta spre alte resurse energetice.
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Potenţialul surselor regenerabile de energie este mai mult decât suficient pentru a
satisface cererea de energie la nivel mondial. Dezvoltarea şi utilizarea surselor regenerabile de
energie creşte diversitatea furnizării pe piaţă a energiei, contribuie la asigurarea energiei pe
termen lung, ajută la reducerea emisiilor atmosferice la nivel local şi global şi prezintă opţiuni
atractive comercial pentru satisfacerea necesarului de servicii energetice. International Energy
Outlook 2001 indică o continuă creştere a cererii de energie la nivel mondial, până în 2020, care
va ajunge până la 59% din consumul mondial de energie actual, iar emisiile de CO2 în aceeaşi
perioadă, aproape se vor dubla. Aceste previziuni nu reprezintă doar cifre ci un real pericol
pentru existenţa vieţii pe Pământ.
Sectorul energetic este unul dintre sectoarele economice cu o puternică „dezvoltare
nedurabilă” care joacă un rol cheie prin efectele asupra mediului înconjurător. Situaţia actuală
arată că din totalul de 5,3 miliarde de locuitori ai Pământului, 25% (1,3 miliarde) consumă circa
67% din totalul energiei, în ţările cu putere economică, restul este consumat în ţările sărace,
pentru satisfacerea nevoilor a circa 4 miliarde de locuitori. Ţările dezvoltate utilizează ţiţei,
cărbuni şi energie nucleară pentru asigurarea a 62% din necesarul de energie, ceea ce reprezintă
233% din consumul acestor combustibili în ţările sărace. „Contribuţia” ţărilor dezvoltate la
totalul emisiilor de CO2, în 1999, era de 64%, adică 3.898 milioane tone C echivalent, ceea ce
reprezintă un autentic dezastru pentru viaţă şi mediu.
Viitoarea economie bazată pe hidrogen prezintă hidrogenul ca purtător de energie în
cadrul unui sistem energetic sigur şi sustenabil.
Hidrogenul, în combinaţie cu celulele de combustie, este considerat o sursă de energie,
pentru mijloacele de transport cât şi pentru utilizări staţionare, „prietenoasă” mediului.
Hidrogenul are avantajul semnificativ că nu produce aer sau poluanţi, la transformarea sa în
energie, iar celulele combustibile pe bază de hidrogen, oferă o eficienţă mărită la generarea de
energie.
F.N. Veziroglu, editorul revistei specializate in probleme de energetica a hidrogenului,
“International Journal of Hydrogen Energy”, sintetizeaza cateva argumente care recomanda
utilizarea hidrogenului ca vector energetic, produs pe baza de tehnologii si surse
neconventionale[2]:
- hidrogenul concentreaza surse energetice de energie primara dispersata;
- posibilitatea de conversie in forme de energie variata;
- este o sursa inepuizabila obtinandu-se din apa si prin utilizare transformandu-se in apa;
- cel mai usor si mai curat combustibil; are o “densitate energetica” gravimetrica mult
superioara oricarui alt combustibil;
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
- poate fi stocat drept gaz la presiune normala sau inalta presiune, ca lichid sau sub forma
de hidruri metalice solide si prin urmare, usor de transportat;
- ofera perspectiva posibilitatii de depozitare a electricitatii prin electroliza apei cuplata cu
pile de combustie, combinandu-se fara probleme cu oxigenul;
- perfectionarile de ordin tehnologic si ultilizarea de materiale avansate conduc la o
productie relativ ieftina de hidrogen daca se adauga si costurile impuse de restrictiile de
ordin ecologic aferente economiei combustibililor fosili.
In prezent, in perspectiva utilizarii largi a hidrogenului in economia mileniului trei, tarile
dezvoltate aloca fonduri substantiale pentru finantarea unor programe globale de cercetare
fundamentala, aplicativa si de dezvoltare a tehnologiilor de obtinere neconventionala a
hidrogenului
De asemenea, s-au elaborat proiecte de diverse anverguri ca de exemplu sistemul
energetic hidrogen-solar lansat in ultimul deceniu al secolului trecut. Veziroglu in colaborare cu
El-Osta au lansat modelul prin care, utilizand energia solara prin acoperirea cu panouri
fotovoltaice a coastei mediteraneene a Libiei sa asigure necesarul de energie electrica in timpul
zilei, pe de o parte, iar pe de alta parte, sa produca hidrogen prin electroliza apei, pentru
generarea de energie electrica in timpul noptii si in zilele lipsite de insolatie [3].
2. HIDROGENUL. OBTINERE.
Hidrogenul nu există ca atare în natură.
Hidrogenul, din punct de vedere al frecvenţei cu care este întâlnit, este al nouălea
element de pe pământ si pe primul loc la scara universului. El apare în straturile superioare ale
pămândtului şi aproape în exclusivitate în compuşi chimici. Prin urmare, pentru aducerea lui în
formă elementară este nevoie de electricitate sau de căldură. De aceea o economie bazata pe
hidrogen devine avantajoasă numai dacă se coroborează datele privind producerea şi transportul
hidrogenului, optimizând fluxul de energie primară necesară cu cele privitoare la aspecte
ecologice de utilizare a acestuia versus combustibilii fosili.
Gazele naturale conţin hidrogen (circa 95% din gazul natural este metanul, CH4), la fel
biomasa (celuloza) şi hidrocarburile. În prezent, 95% din hidrogenul produs în SUA, adică 9
milioane t/an, se obţin printr-un proces termic, din gaze naturale, denumit reformarea cu abur a
metanului. Intr-o mai mică măsură se obţine prin electroliza apei, atunci când este necesar un
produs de puritate mai ridicată.O varietate de surse primare de energie ca eoliană, solară,
geotermală, nucleară şi hidro, poate fi folosită pentru extragerea hidrogenului din apă. Această
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
diversitate de opţiuni face ca hidrogenul să poată fi produs oriunde în lume. Toate procesele de
obţinere a hidrogenului se bazează pe separarea acestuia din materialele care îl conţin.
Natura materiei prime dictează alegerea metodei de separare. Astăzi se utilizează două
metode principale de separare a hidrogenului: termice şi chimice. A treia metodă, cea biologică,
este în fază de cercetare-dezvoltare.
În prezent, hidrogenul este produs, aproape în întregime, din combustibili fosili cum ar
fi: gazele naturale, ţiţei şi cărbuni, pe baza unor procese de conversie bine stabilite[4]. In aceste
cazuri, dioxidul de carbon eliberat în atmosferă în timpul procesului de producere a hidrogenului
este numai puţin mai mic decât cel rezultat prin combustia directă a acestor combustibili, pentru
producerea unor cantităţi egale de energie. Pe de altă parte, utilizarea hidrogenului produs din
surse regenerabile, ca biomasa, reduce substanţial cantitatea de CO2 eliberată în atmosferă.
Toate tehnologiile de obţinere prezintă o varietate de costuri cât şi beneficii cu privire la
mediu, economie, securitate, etc.
Principalele procese de producere a hidrogenului sunt prezentate în tabelul 1.
Cu toate că gazeificarea biomasei este o tehnologie veche, ea este de asemenea o
tehnologie în dezvoltare, deoarece nu a ajuns niciodată la un nivel comercial larg. De-a lungul
timpului îmbunătăţirile s-au realizat la gazogenele de mici dimensiuni. În ultimele două decenii a
crescut interesul şi preocuparea cercetătorilor pentru gazogenele de mari dimensiuni, în special
pentru generarea combinată de căldură şi electricitate.
Toate tehnologiile de gazeificare a biomasei şi obţinere a hidrogenului au ca puncte
comune folosirea temperaturii ridicate, a reformării catalitice cu abur urmate de o absorbţie-
desorbţie selectivă la presiuni ridicate pentru separarea hidrogenului.
Tabelul 1
PRINCIPALELE PROCESE DE PRODUCERE A HIDROGENULUI
Metoda de
bază
Procesul Materia primă Energie necesară Emisii
Reformare cu
abur
Gaze naturale Abur de înaltă
temperatură
Unele emisii
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lor
Termică
Descompunerea
termochimică a
apei
Apă Temperatură ridicată
obţinută de la răcirea
reactoarelor nucleare
Fără emisii
Termică Gazeificare Cărbuni,
biomasă
Aburi şi oxigen la
temperatură ridicată şi
presiune
Unele emisii.
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lor
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Metoda de
bază
Procesul Materia primă Energie necesară Emisii
Piroliză Biomasă Aburi de temperatură
moderată
Unele emisii.
Sechestrarea
carbonului poate
scădea efectul lor
Electroliză Apă Electricitate de natură
eoliană, solară, hidro şi
nucleară
Fără emisii Electro-
chimică
Electroliză Apă Electricitate produsă de
cărbuni şi gaze naturale
Unele emisii
rezultate la
producerea
electricităţii
Foto-
electrochimică
Apă Lumină solară directă Fără emisii
Foto-biologică Apă şi specii de
alge
Lumină solară directă Fără emisii
Fermentaţie
anaerobă
Biomasă Temperatură ridicată Unele emisii
Biologică
Microorganisme
fermentative
Biomasă Temperatură ridicată Unele emisii
Aşa cum se observă în figura 1, tehnologiile lucrează la temperaturi din gazeificator,
cuprinse în intervalul 500 - 1000C, presiunea fiind un factor de diferenţiere major: 0.1MPa - 4
MPa (39.5 atm). În continuare, se face purificarea gazului de sinteză, o comprimare (după caz)
urmată de reformarea catalitică cu abur la temperatura de 850C şi presiune de 3.5 MPa (34.5
atm). Urmează apoi absorbţia-desorbţia la presiune ridicată, cu variaţie de temperatură şi
presiune prin HTS (high temperature shift), LTS (low temperature shift), şi PSA (pressure swing
absorbtion).
In prezent, hidrogenul electrolitic este produs competitiv ca materie primă pentru
industria chimică numai in economiile în care energia electrică este foarte ieftină si este,
deocamdată, foarte scump pentru a fi luat în considerare utilizarea lui drept combustibil[5].
Totuşi, dacă se priveşte în timp, atunci când combustibilii fosili vor fi epuizaţi şi singura sursă de
combustibil – energie electrică va fi energia nucleară, hidrogenul electrolitic devine competitiv
cu electricitatea ca sursă de combustie şi încălzire, date fiind avantajele sale la transmiterea pe
distanţe mari.
Recent, in lume se reconsidera aceasta cale de obtinere a hidrogenului din urmatoarele
ratiuni: scaderea pretului de producere a hidrogenului prin pretul scazut al electricitatii produse
in centralele nucleare sau prin utilizarea surselor energetice regenerabile facandu-l competitiv cu
cel obtinut din combustibili fosili. De aceea, in continuare se cauta noi solutii tehnice.
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Astfel, unul dintre elementele noi intervenite este cresterea temperaturii de operare care
determina marirea densitatii de curent. Una din problemele importante ale utilizarii unui regim
de temperatura in domeniul 120-150
o
C este materialul pentru diafragme, pentru care s-a pus
problema unor materiale speciale. Astfel, pe piata exista un poliperflorinat sulfonat-Nafilon
R
[6].
In privinta materialelor utilizate s-au realizat progrese notabile lansandu-se electrolitii
solizi [7]. Avantajul electrolizorului utilizand astfel de electroliti il constituie densitatile de
curent de 5-10 ori mai mare decat electrolizoarele conventionale dar prezinta dezavantajul
consumului de metale nobile. Pe o celula General Electric de acest tip s-au obtinut: eficienta
energetica de 79-90%, consum de 33 kWh/kg la o tensiune de 1,24 V, eficienta termica de 118%
Durata de viatapentru o astfel de celula este de cca 20 ani.
Plecându-se de la considerente termodinamice şi anume, că entalpia reacţiei de
descompunere a apei la 1000
o
C este cu 25% mai mică decât la temperatura mediului
înconjurător, s-au făcut investiţii privind electroliţii solizi de înalta temperatură, cum ar fi ytriu
stabilizat cu zirconiu având compoziţia (ZrO2)
0,9
.
(Y2O
3)
o,1. Materialul de anod este PrCoO
3,
Pr2O
3 şi LaNiO
3 iar materialul de catod – Ni, Co sau Pt continând 20% (ZrO
2)
0,9
.
(Y2O
3)
o,1.[8].
Celula funcţionează în domeniul 800-1200
o
C. Consumul de energie este de 3,0 KWh/m
3
H2.
S-au mai propus LaCrO3 impregnat cu Al şi Mg sau La
o,8Sr
o,2 CrO
3
Exista numeroase preocupari in domeniul materialelor catalitice pentru electrozi, astfel,
se fac cercetari pe materiale pentru catod: Ni-Mo, NiRaney, NiCO2S
4 s.a. si pentru anod:
NiRaney + Re/Rh, Sr0,5
-La0,5
CO3, Ni-NiO
x, CoO
x, CO
3O
4 + Li sau pe materiale cu formula
generala RTO3 denumite perovskiti (R=pamant rar, T = metal de tranzitie) ca de ex. feratul de
lantan [9,10].
S-a încercat şi procedura prin care microparticole de catalizatori din metale nobile sunt
precipitate, pe ambele suprafeţe ale unei membrane schimătoare de ioni, Nafion. Pentru
precipitarea Pt se utilizează Pt(NH3)
4Cl
2 şi NaBH
4. Platina nu este omogen distribuită pe
grosimea membranei, în schimb ionii de sodiu sunt. Capacitatea de schimb ionic a membranei nu
este afectată deoarece ionii de sodiu pot fi înlocuiţi cu ionii de hidrogen. Materialele compozite
obtinute conform acestei noi proceduri contin pâna la 1 mg/m
2
metale nobile şi a rezultat o
fiabilitate bună în functionare (>15.000 ore electroliză continuă).
În cadrul Special Research Proiect pentru Effective Use of Energy-Japan s-a realizat un
electrolizor expeirmental folosind drept electrolit solid de tip ceramic SrCeo,95
Ybo,o5
O3-a
şi
SrCeo,9o
Yo,1o
O3-a
. Drept material pentru catod s-a folosit nichel, care nu a dat rezultate
satisfăcătoare datorită polarizaţiei mari, determinată de slaba aderenţă la suprafaţa electrolitului.
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Rezultatele satisfăcătoare a dat catodul de platină. Limitarea majoră a electrolizorului a fost
determinata de rezistenţa electrolitului.
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Figura 1. Compararea a trei tehnologii de conversie termochimică a biomasei, cu evidenţierea părţilor comune acestora
FORUMUL REGIONAL AL ENERGIEI – FOREN 2008
Neptun, 15-19 iunie 2008
S14AV093-005 FPF7-02-04-3,Act.0
Concluzii
1 Civilizatia umana va fi in viitorul nu prea indepartat tributara hidrogenului, acesta
putand fi considerat drept combustibil sintetic purtator de energie secundara intr-o economie
ulterioara economiei combustibililor fosili.
2. Hidrogenul se plaseaza pe primul loc al elementelor la scara universului si pe al
noualea loc la nivelul Terrei, unde apare in exclusivitate in compusi chimici. Prin urmare,
pentru aducerea lui in forma elementala este nevoie de energie.
3. Pretul utilizarii hidrogenului devine competitiv cu cel al utilizarii combustibililor
fosili numai intr-o analiza tehnico-financiara in care, pentru acestia din urma, se are in vedere
aspectele de prezervare a resurselor si mai ales, cheltuielile pe care le implica rezolvarea
problemelor de protectie a mediului de catre tehnologiile, instalatiile, echipamentele ce ii
utilizeaza.
4. In prezent, instalatii demonstrative de obtinere a hidrogenului au la baza utilizarea
biomasei prin gazeificare sau a apei prin electroliza alimentate cu sisteme fotovoltaice.
5. Cercetari se efectueaza mai ales in domeniul electrolizei avansate ( cu electrolit solid)
si a materialelor avansate mai ales pentru obtinerea de membrane schimbatoare de ioni
performante la temperaturi ridicate si de electrocatalizatori eficienti, fiabili si ieftini.
References
1. J. O’M Bockris, The Solar Hydrogen Alternative, Australia and New Zeeland Book Comp. Comp.,
1975.
2. T. N. Veziroglu, Hydrogen, Int. J. Hydrogen Energy 12(2), p. 99-129, 1987.
3. W. B. El-Osta, T. N. Veziroglu, Int. J. Hydrogen Energy, 15(1), p. 33-44, 1990.
4. Kirk Othmer, Enciclopedy of Chemical Technology, John Wiley & Sons, 1987.
5. T. Ohta, s.a., General Theory of Multyple Hybrid Chemical cycle for water decomposition, Bull, Facul.
Eng. Yokohama Nat. Univ., 25, p. 119, 1976.
6. Millet P. s.a. Preparation on new solid polymer electrolyte. Components for water
electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 15, No 4, 1990.
7. .Iwahara H, s.a. High – temperature steam electrolysis using SrCeO3
-based proton conductive solide
electrolyte, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 12, No 2, 1987.
8. 8.G. Fiori, Comparison and evaluation of Electrocatalytic Materials in Electrochmical Hydrogen
Production, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 12, No 3, 1987.
9. 9.S. Dutta, Tchenology assessment of advanced electroly
10. J. H. Morehouse, Parametric Study of Hydrogen-Oxygen High temperature Electrolyser-Fuell Cell
Power Plant, , Int. J. Hydrogen Energy, p. 5(15), 1990.
top related