Για να αντιμετωπίσει την αλλαγή του κλίματος και να επιτύχει βιώσιμη ανάπτυξη, η διεθνής κοινότητα έχει λάβει μια σειρά μέτρων για τη μείωση των εκπομπών CO2, μία από τις οποίες είναι η τεχνολογία σύλληψης άνθρακα. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία σύλληψης άνθρακα έχει αναπτυχθεί γρήγορα και χρησιμοποιείται ευρέως, καθιστώντας ένα σημαντικό μέσο για την αντιμετώπιση της αλλαγής του κλίματος και τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ωστόσο, η ανάπτυξη της τεχνολογίας συλλήψεων άνθρακα εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, όπως το λειτουργικό κόστος, η κατανάλωση ενέργειας του σύγχρονου χημικού εξοπλισμού και η αποθήκευση και η μεταφορά του CO2. Η χρήση του CO2 ως πρώτης ύλης και η προετοιμασία πολύτιμων βιομηχανικών προϊόντων μέσω μεθόδων χημικής σύνθεσης θεωρείται ως ένας αποτελεσματικός τρόπος για την επίλυση του περιορισμού της σύλληψης άνθρακα. Η αντίδραση μεθανισμού του CO2 προτάθηκε από τον Paul Sabatier. Η αντίδραση των CO2 και Η2 για την παραγωγή CH4 θεωρείται αποτελεσματική τεχνολογία για την ανακύκλωση του CO2.
Μερικοί ερευνητές πρότειναν ένα καινοτόμο επιχειρηματικό μοντέλο: χρησιμοποιώντας την τεχνολογία μεθανισμού CO2 και την τεχνολογία πράσινου υδρογόνου για την παραγωγή CH4 για την ολοκλήρωση της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια. Αυτό το μοντέλο μπορεί να μετατρέψει την υπερβολική ηλεκτρική ενέργεια σε CH4 για αποθήκευση, επίλυση του προβλήματος της μεταβλητότητας των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η χρήση υφιστάμενων εγκαταστάσεων αποθήκευσης και μεταφοράς φυσικού αερίου μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος των επενδύσεων. προωθώντας την ανάπτυξη της τεχνολογίας σύλληψης και χρήσης άνθρακα και συμβάλλοντας στην παγκόσμια μετάβαση στην πράσινη ενέργεια. Το παρόν έγγραφο εισάγει την ανάπτυξη καταλυτών μεθανισμού CO2 και αναλύει τα σενάρια βιομηχανικών εφαρμογών της τεχνολογίας ισχύος προς αερίου (PIG) χρησιμοποιώντας την τεχνολογία μεθανισμού.
Λέξεις -κλειδιά:Διοξείδιο του άνθρακα, μεθανίωση, ισχύ προς αερίου, σύλληψη άνθρακα, αποθήκευση ενέργειας, ύφεση υδρογόνου, ηλεκτρόλυση νερού
Συνεργάτης2αντίδραση μεθανισμού
Θερμοδυναμική αντίδραση
Οι ακόλουθες αντιδράσεις εμφανίζονται κυρίως μεταξύ Η2και C02Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεθάνης.
Κύρια αντίδραση: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kJ/mol
Πλευρική αντίδραση: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ H=41.1 kJ/mol
Η πλευρική αντίδραση, επίσης γνωστή ως αντίδραση μετατόπισης νερού-αερίου, είναι ενδοθερμική. Όταν η αντίδραση φτάσει σε μια ορισμένη θερμοκρασία, η εκλεκτικότητα του υποπροϊόντος CO αυξάνεται και η εκλεκτικότητα του CH4μειώνεται. Ως εκ τούτου, το ερευνητικό επίκεντρο του CO2Οι καταλύτες μεθανισμού είναι η ανάπτυξη καταλυτών με υψηλή δραστηριότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η επίδραση της πίεσης και της θερμοκρασίας στα προϊόντα αντίδρασης, όπου ο λόγος όγκου των αντιδραστηρίων h2σε συνεργασία2είναι 4: 1.
Έρευνα καταλύτη
Η ανωτερότητα της αντίδρασης μεθανισμού αντικατοπτρίζεται κυρίως στις θερμοδυναμικές της ιδιότητες και το θεωρητικό δυναμικό υψηλού ρυθμού μετατροπής σε θερμοκρασία και πίεση δωματίου. Από το C02Το μόριο έχει οξειδωθεί πλήρως και το άτομο άνθρακα και το άτομο οξυγόνου σχηματίζουν έναν ομοιοπολικό διπλό δεσμό, η ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για την αντίδραση είναι πολύ υψηλή και απαιτείται καταλύτης για να μειωθεί η ενέργεια ενεργοποίησης και έτσι να αυξήσει τον ρυθμό μετατροπής.
Τα μέταλλα της ομάδας VIII μπορούν να βελτιώσουν τον ρυθμό μετατροπής και την εκλεκτικότητα στην αντίδραση μεθανισμού και η δραστηριότητά τους είναι σε φθίνουσα σειρά: RU, IR, RH, NI, CO, OS, PT, FE, MO, PD, AG. Όταν λαμβάνονται υπόψη μόνο οι σημαντικότεροι παράγοντες (δραστηριότητα και επιλεκτικότητα) της αντίδρασης μεθανισμού, η δραστηριότητα είναι σε φθίνουσα σειρά: Ru, Fe, Ni, Co, Mo και η επιλεκτικότητα είναι σε φθίνουσα σειρά: Ni, Co, Fe, Ru.
Η σύγκριση απόδοσης διαφορετικών μεταλλικών καταλυτών παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Τα καταλυτικά συστήματα που βασίζονται σε μεταβατικά μέταλλα (RU, RH, PD κ.λπ.) έχουν αναπτυχθεί ευρέως. Έχουν εξαιρετική καταλυτική δραστηριότητα και εκλεκτικότητα στο CO2Αντιδράσεις μεθανισμού! Συγκεκριμένα, οι καταλύτες που βασίζονται σε RU παρουσιάζουν υψηλή δραστηριότητα και εκλεκτικότητα υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και μέτριας. Μελέτες έχουν δείξει ότι υπό τις ίδιες συνθήκες αντίδρασης, 3%RU/AI2O3(3% RU φορτώθηκε στο AI2O3Ο μεταφορέας, το ίδιο παρακάτω) έχει υψηλότερη εκλεκτικότητα για το CH4από 20%Ni/Ai2O3. Τα πολύτιμα μέταλλα (όπως το PT) έχουν επίσης υψηλή δραστηριότητα και εκλεκτικότητα στο CO2Οι αντιδράσεις μεθανισμού, αλλά το υψηλό κόστος τους έχει καταστεί το κύριο εμπόδιο στην εφαρμογή τους σε μεγάλης κλίμακας στο CO2μεθανισμός. Άλλα μετά τα μεταβατικά μέταλλα (όπως Fe και Co) έχουν επίσης κάποια χημική αντιδραστικότητα, αλλά η επιλεκτικότητα τους είναι χαμηλή και χρησιμοποιούνται κυρίως ως πρόσθετα για άλλους διμεταλλικούς καταλύτες. Λόγω της χαμηλής τιμής και των άφθονων πρώτων υλών τους, τα περισσότερα ερευνητικά και βιομηχανικά έργα χρησιμοποιούν καταλύτες με βάση το NI.
Επιδράσεις των υποστηρίξεων και των προσθέτων στους καταλύτες
Διαφορετικοί μεταφορείς διαδραματίζουν μεγάλο ρόλο στην προετοιμασία και τη βελτίωση των καταλυτών. Οι συνήθως χρησιμοποιούμενοι φορείς είναι κυρίως μεταλλικοί οξειδωτικοί φορείς. Αυτοί οι φορείς αυξάνουν κυρίως την ικανότητα προσρόφησης των αντιδραστηρίων μεταβάλλοντας την κατάσταση ύπαρξης της ενεργού φάσης, συμπεριλαμβανομένης της μορφολογίας της επιφάνειας, της διασποράς μετάλλων και των κύριων εκτεθειμένων κρυστάλλων, βελτιώνοντας έτσι την καταλυτική απόδοση. Τα οξείδια με συγκεκριμένες ιδιότητες χρησιμοποιούνται συχνά ως φορείς καταλύτη, όπως το AI2O3, SIO2, Zro2, Διευθύνων Σύμβουλος2, κλπ. Μεταξύ αυτών, ai2O3είναι ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους φορείς καταλύτη επειδή έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής τιμής, της μεγάλης επιφάνειας και των αναπτυγμένων πόρων. Ωστόσο, η ενεργή φάση του Ni/Ai2O3Ο καταλύτης είναι εύκολος να πυρπολήσει και να ανθρακούχο σε υψηλή θερμοκρασία, με αποτέλεσμα την απενεργοποίηση του καταλύτη. Επομένως, η προετοιμασία του Ni/Ai2O3Ο καταλύτης με καλή δραστηριότητα και υψηλή σταθερότητα έχει γίνει η τρέχουσα ερευνητική εστίαση.
Για τους καταλύτες με βάση το Ni, τα πρόσθετα είναι βασικά στοιχεία τροποποίησης που μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τις ιδιότητες και την απόδοση του καταλύτη. Η απόδοση του καταλύτη βελτιστοποιείται μέσω διαφορετικών μηχανισμών, όπως η διμεταλλική συνέργεια, η αλλαγή του μεταλλικού ηλεκτρονικού περιβάλλοντος, η αναστολή του σχηματισμού ειδών σπινέλου, η ενίσχυση της προσρόφησης των αντιδραστηρίων και των ενδιάμεσων και η βελτίωση της διασποράς μετάλλων. Sidik et αϊ. διαπίστωσε ότι προσθέτοντας CO ως συνδετικό υλικό, ο προετοιμασμένος καταλύτης Ni-Co/MSN έδειξε υψηλότερη δραστηριότητα και σταθερότητα από το NI/MSN. Η ανάλυση επιβεβαίωσε ότι το κράμα Ni-Co βοηθά στη μείωση του μεγέθους των σωματιδίων NI και παρέχει καλύτερη απόδοση μετάλλων διασποράς. Paviotti et αϊ. παρασκευασμένοι καταλύτες Ni-Ru και διαπίστωσαν ότι η RU βελτίωσε την μειωτότητα των καταλυτών με βάση το ΝΙ και την ενίσχυση της ικανότητας προσρόφησης του Ni για το Η2, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση του καταλύτη.
Σενάρια εφαρμογής της αντίδρασης μεθανισμού
Επί του παρόντος, παρόλο που η ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει επιτύχει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, αντιμετωπίζει επίσης ορισμένες προκλήσεις. Η συμφόρηση έγκειται κυρίως στην απρόβλεπτη ανανεώσιμη πόρους, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε πλεόνασμα εξουσίας και να ασκήσει προκλήσεις στη σταθερή λειτουργία του ηλεκτρικού δικτύου.
Η τεχνολογία PTG χρησιμοποιεί CO2Η αντίδραση μεθανισμού, χρησιμοποιεί πράσινο υδρογόνο που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και CO2ως πρώτες ύλες για τη δημιουργία συνθετικών προϊόντων φυσικού αερίου και το οξυγόνο του υποπροϊόντος μπορεί να καθαριστεί και να πωληθεί. Η πλήρης χρήση της θερμότητας αντίδρασης υψηλής ποιότητας μπορεί να μειώσει το κόστος της τεχνολογίας PTG. Δεδομένου ότι το κύριο συστατικό του παραγόμενου συνθετικού φυσικού αερίου είναι το CH4, μπορεί να αποσταλεί απευθείας στο δίκτυο αγωγών φυσικού αερίου, συνειδητοποιώντας τη μακροπρόθεσμη και μεγάλη κλίμακα αποθήκευσης του CH4.
Παραγωγή πρώτων ύλων υδρογόνου
Οι κύριες μέθοδοι της βιομηχανικής παραγωγής υδρογόνου περιλαμβάνουν την παραγωγή υδρογόνου φυσικού αερίου, την παραγωγή υδρογόνου νερού, την παραγωγή υδρογόνου άνθρακα και την παραγωγή υδρογόνου βιομηχανικού υποπροϊόντος. Εκτός από την ηλεκτρόλυση νερού, την παραγωγή υδρογόνου, άλλες μέθοδοι απαιτούν τη χρήση ορυκτών ενέργειας. Η τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου ορυκτής ενέργειας είναι ώριμη και το κόστος είναι χαμηλότερο από την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού, αλλά θα δημιουργηθεί μια μεγάλη ποσότητα CO₂ κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας.
Στην ιδανική περίπτωση, η πρώτη ύλη υδρογόνου της τεχνολογίας PTG είναι Η2 (πράσινο υδρογόνο) που παράγεται με τεχνολογία ηλεκτρόλυσης νερού με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επί του παρόντος, οι κύριες τεχνολογίες ηλεκτρόλυσης νερού είναι η τεχνολογία ηλεκτρόλυσης αλκαλικού νερού (AEL), η τεχνολογία μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), η τεχνολογία μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (AEM) και η τεχνολογία Solid οξειδίου ηλεκτρολυτών (SOEC). Μεταξύ αυτών, η τεχνολογία AEL είναι ώριμη και κατάλληλη για τη βιομηχανική παραγωγή υδρογόνου μεγάλης κλίμακας, αλλά ο ρυθμός παραγωγής είναι χαμηλός και η κατανάλωση ενέργειας είναι υψηλή. Πριν από το 2014, τα εγχώρια και ξένα έργα ηλεκτρόλυσης νερού χρησιμοποίησαν την τεχνολογία AEL. Από το 2015, η εγκατεστημένη χωρητικότητα του PEM αυξήθηκε σταδιακά. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι ηλεκτρολυτές PEM είναι κατάλληλοι για συνθήκες εργασίας με μεγάλες διακυμάνσεις ισχύος, έχουν μικρότερους χρόνους εκκίνησης και ανταποκρίνονται πιο γρήγορα στις διακυμάνσεις των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η τεχνολογία AEM και η τεχνολογία SOEC δεν είναι ώριμες: δεν είναι σε θέση να προσαρμοστούν στη βιομηχανική παραγωγή πράσινου υδρογόνου.
Συνεργάτης2Απόκτηση
Το CO2στην αντίδραση μεθανισμού προέρχεται από CO2-Rich πεδία πετρελαίου και φυσικού αερίου, μεγάλες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα, φυτά τσιμέντου κλπ. Αυτά τα φυτά συνήθως εκπέμπουν μεγάλη ποσότητα CO2κατά τη λειτουργία και το υψηλής καθαρότητας2μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία συλλήψεων άνθρακα. Επί του παρόντος, η τεχνολογία λήψης μετά τη συσσώρευση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στα εργοστάσια, χρησιμοποιώντας κυρίως χημικά απορροφητικά για τη σύλληψη CO2σε καυσαερίδες μετά την καύση.
Η τεχνολογία Carbon Capture ουσιαστικά ωριμάζει και έχουν εφαρμοστεί μεγάλος αριθμός έργων σε όλο τον κόσμο. Αν και η τεχνολογία σύλληψης άνθρακα μπορεί να μειώσει το κόστος φόρου άνθρακα των επιχειρήσεων, δεν παράγονται πολύτιμα χημικά προϊόντα σε ολόκληρη τη διαδικασία. Προς το παρόν, μερικά συνεργεία2Οι τεχνολογίες αξιοποίησης και αποθήκευσης έχουν πιθανούς κινδύνους, όπως το CO2Τεχνολογία πλημμυρών και υπόγεια τεχνολογία αποθήκευσης.
Μηχανικές περιπτώσεις τεχνολογίας PTG
Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν μεγάλης κλίμακας εμπορικές περιπτώσεις συσκευών PTG στη χώρα μου και δεν υπάρχουν πολλές μελέτες στον τομέα αυτό. Η έρευνα για την τεχνολογία PTG είναι επί του παρόντος κυρίως στις ευρωπαϊκές χώρες και οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ιαπωνία αύξησαν επίσης την έρευνα και την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια.
Chehade et αϊ. Διεξήχθη έρευνα και ανάλυση σε 192 έργα επίδειξης ισχύος προς X σε 32 χώρες . 91% των έργων εξακολουθούν να λειτουργούν και το 27% των έργων εξετάζει την επέκταση της κλίμακας παραγωγής: 99 έργα που χρησιμοποιούν πρώτα ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή H H2, και στη συνέχεια χρησιμοποιήστε τεχνολογία κυψελών καυσίμου υδρογόνου ή αεριοστρόβιλους για να μετατρέψετε το H2σε ηλεκτρική ενέργεια και κατευθύνετε απευθείας στο ηλεκτρικό δίκτυο. 69 έργα παράγουν πράσινο υδρογόνο και χρησιμοποιούν τεχνολογία μεθανισμού για να μετατρέψουν το H2 σε CH4και να το εισαγάγει στο δίκτυο αγωγών φυσικού αερίου. Υπάρχουν 154 έργα PTG στην Ευρώπη, εκ των οποίων σχεδόν το ένα τρίτο βρίσκονται στη Γερμανία.
Wulf et αϊ. Ερευνήθηκαν έργα εξουσίας-X στην Ευρώπη. Από τον Ιούνιο του 2020, έχουν εφαρμοστεί συνολικά 220 τέτοια έργα ή είναι υπό κατασκευή και προγραμματισμός στην Ευρώπη, με την ταχύτερη αύξηση των έργων στη Γερμανία και τη Γαλλία. Το 2020, 20 χώρες εφάρμοσαν έργα επίδειξης εξουσίας προς X, εκ των οποίων το 44% βρισκόταν στη Γερμανία. Τα περισσότερα έργα χρησιμοποίησαν άμεσα την ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Το ένα τρίτο των έργων Power-to-X μετατράπηκε σε H2 σε άλλα προϊόντα αερίου προς πώληση. Τα περισσότερα έργα χρησιμοποίησαν το αέριο βιομάζας ως πρώτη ύλη CO2, ενώ άλλα χρησιμοποίησαν καυσαέρια από φυσικό αέριο ή μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα ως τροφοδοσία CO2 . 66% όλων των έργων που χρησιμοποιούσαν χημικές αντιδράσεις καταλυτικής μεθανισμού.
Η Αυστραλία διερευνά επίσης ενεργά τρόπους μετατροπής CO2σε CH4. Το νότιο πράσινο φυσικό αέριο σχεδιάζει να εφαρμόσει ένα ανανεώσιμο CH4Έργο για την παραγωγή CH4 χρησιμοποιώντας μικρές ενότητες. Αυτές οι ενότητες περιέχουν ηλιακούς συλλέκτες που παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτρολυτικούς. Το H2 που παράγεται από τους Electrolyzers αντιδρά με το Captured Co2Σε έναν αντιδραστήρα μεθανισμού για την παραγωγή CH4, η οποία στη συνέχεια εγχέεται στο δίκτυο αγωγών φυσικού αερίου της Αυστραλίας για αποθήκευση ή εμπορική χρήση. Το έργο χρησιμοποιεί το υπάρχον σύστημα αγωγών ως μονάδα μεταφοράς και αποθήκευσης, μειώνοντας σημαντικά το κόστος κατασκευής υποδομών: οι ολισθήσεις μπορεί να είναι αυτάρκης, μειώνοντας σημαντικά το λειτουργικό κόστος. και η ενοικίαση γης χαμηλού κόστους βελτιώνει περαιτέρω την ανταγωνιστικότητα του έργου.
