Реактор водородный: Больше чем просто источник энергии |

Содержание

Новосибирские ученые оптимизировали реактор для энергоустановки на водородных топливных элементах

13 мая, 2022 12:32

Источник:

Научная Россия

Ученым удалось оптимизировать геометрию каталитического реактора, предназначенного для получения водородсодержащих смесей из дизельного топлива для питания водородных топливных элементов. Подобные энергоустановки можно будет использовать в северных регионах для энергообеспечения изолированных объектов, например, вышек сотовой связи. Исследователи планируют к 2026 году получить прототип энергоустановки на полностью российской элементной базе.

Старший научный сотрудник ИК СО РАН, кандидат химических наук Дмитрий Потемкин. Источник: пресс-служба Минобрнауки России

Работа специалистов Института катализа (ИК) СО РАН и Института химии твердого тела и механохимии (ИХТТМ) СО РАН была посвящена оптимизации геометрических параметров реактора с применением ранее разработанной математической модели, описывающей процесс преобразования дизельного топлива в водородсодержащую смесь на структурированном катализаторе.

«Мы уже несколько лет ведем совместные работы с ИХТТМ СО РАН по разработке энергоустановок на основе топливных элементов, работающих на водородном топливе. Но в настоящее время есть запрос на использование в топливных элементах более традиционных энергоносителей, например, дизельного топлива. В этом варианте для питания топливных элементов требуются промежуточные устройства – конвертеры дизельного топлива в водородсодержащую смесь, состоящую из водорода и угарного газа. Процесс преобразования происходит в присутствии катализатора. В нашей работе мы исследовали влияние геометрии каталитического блока и организации газовых потоков в реакторе на эффективность процесса конверсии дизельного топлива», – рассказывает старший научный сотрудник ИК СО РАН, кандидат химических наук Дмитрий Потемкин.

Использование топливных элементов для получения электроэнергии позволяет извлекать ее из энергоносителей прямым преобразованием энергии химических связей в электрическую. Эффективность этого процесса выше, чем при использовании стандартных дизель-генераторов, в которых энергия химических связей сначала преобразовывается в тепловую, затем в механическую и только потом – в электрическую.

Увеличение эффективности энергоустановок позволит уменьшить объемы ресурсозатратного завоза дизельного топлива в удаленные, арктические районы. Кроме того, применение разрабатываемых энергоустановок будет более экологичным за счет уменьшения объемов потребления дизельного топлива.

На следующем этапе работ ученые займутся воплощением оптимизированных математических моделей в реальных устройствах. В сочетании с топливными элементами, разрабатываемыми в ИХТТМ СО РАН, они составят прототип энергоустановки.

«В рамках Центра компетенций НТИ “Водород как основа низкоуглеродной экономики”, созданного на базе ИК СО РАН в 2021 году, мы рассчитываем через четыре года получить прототип такой энергоустановки на полностью российской элементной базе, после чего можно будет обсуждать ее промышленное производство», – подытожил Дмитрий Потемкин.

Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal (импакт-фактор 13.273). Грант государственной поддержки центров компетенций НТИ выделен в рамках национального проекта «Наука и университеты», курируемого Минобрнауки России. Проект поддержан грантом РНФ.

Теги

Президентская программа, Инженерные науки, Молодежные группы

«Росатом» планирует создать газоохлаждаемый реактор для получения водорода

https://ria. ru/20220826/rosatom-1812220115.html

«Росатом» планирует создать газоохлаждаемый реактор для получения водорода

«Росатом» планирует создать газоохлаждаемый реактор для получения водорода — РИА Новости, 26.08.2022

«Росатом» планирует создать газоохлаждаемый реактор для получения водорода

Госкорпорация «Росатом» планирует к 2030-2032 году реализовать проект по получению водорода на атомной энерготехнологической станции на высокотемпературном… РИА Новости, 26.08.2022

2022-08-26T08:31

2022-08-26T08:32

сахалин

европа

кольский полуостров

государственная корпорация по атомной энергии «росатом»

курская аэс

кольская аэс

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/13/1755147359_0:18:3224:1831_1920x0_80_0_0_0be3d2375e3d8c7d3cc875e90f90ce6b.jpg

НОВОСИБИРСК, 26 авг – РИА Новости. Госкорпорация «Росатом» планирует к 2030-2032 году реализовать проект по получению водорода на атомной энерготехнологической станции на высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе, сообщил в пятницу на форуме «Технопром-2022» руководитель направлений науки и инноваций госкорпорации «Росатом» Мирон Боргулев. «Наш самый главный проект технологии получения водорода и основная ставка «Росатома» в водородной энергетике — это атомная энерготехнологическая станция на высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе. Это новый тип реактора, охлаждаемый не водой, а гелием в первом контуре и, соответственно, дающий очень высокотемпературный пар порядка 750-850 градусов, а можно и выше», — рассказал он.В «Росатоме» планируют, что на разработку и запуск проекта уйдет около десяти лет.»Мы предполагаем, что где-то к 2030-2032 году этот проект мы сможем запустить. На нем конверсия метана не потребует сжигания значительной части этого метана для получения нужных температур, соответственно получается снижение углеродного следа», — пояснил Боргулев.Он отметил, что якорным заказчиком проекта в определенной части является сам «Росатом», который развивает проекты водородной энергетики, в частности, на Сахалине. Второе направление – это получение водорода на действующих атомных электростанциях.»Как минимум две точки можно назвать. Это Кольская АЭС, где уже сейчас большой избыток электроэнергии и там даже создается испытательный комплекс. Предполагалось, что там будет получаться большое количество водорода с экспортом в Европу. Сейчас мы смотрим на возможные местные рынки вокруг Кольского полуострова… Второй момент – Курская АЭС», — сказал он.

https://ria.ru/20220727/rosatom-1805308084.html

https://ria.ru/20220708/rosatom-1801224758.html

сахалин

европа

кольский полуостров

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2022

Варвара Скокшина

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/0a/13/1755147359_127:0:2858:2048_1920x0_80_0_0_6b5f8f9bf07a0afb073e63ac7d1fd94d.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Варвара Скокшина

сахалин, европа, кольский полуостров, государственная корпорация по атомной энергии «росатом», курская аэс, кольская аэс

Сахалин, Европа, Кольский полуостров, Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Курская АЭС, Кольская АЭС

НОВОСИБИРСК, 26 авг – РИА Новости. Госкорпорация «Росатом» планирует к 2030-2032 году реализовать проект по получению водорода на атомной энерготехнологической станции на высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе, сообщил в пятницу на форуме «Технопром-2022» руководитель направлений науки и инноваций госкорпорации «Росатом» Мирон Боргулев.

«Наш самый главный проект технологии получения водорода и основная ставка «Росатома» в водородной энергетике — это атомная энерготехнологическая станция на высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе. Это новый тип реактора, охлаждаемый не водой, а гелием в первом контуре и, соответственно, дающий очень высокотемпературный пар порядка 750-850 градусов, а можно и выше», — рассказал он.

В «Росатоме» планируют, что на разработку и запуск проекта уйдет около десяти лет.

«Мы предполагаем, что где-то к 2030-2032 году этот проект мы сможем запустить. На нем конверсия метана не потребует сжигания значительной части этого метана для получения нужных температур, соответственно получается снижение углеродного следа», — пояснил Боргулев.

27 июля, 13:15Ядерные технологии

«Росатом» успешно освоил ключевой этап технологий энергетики будущего

Он отметил, что якорным заказчиком проекта в определенной части является сам «Росатом», который развивает проекты водородной энергетики, в частности, на Сахалине. Второе направление – это получение водорода на действующих атомных электростанциях.

«Как минимум две точки можно назвать. Это Кольская АЭС, где уже сейчас большой избыток электроэнергии и там даже создается испытательный комплекс. Предполагалось, что там будет получаться большое количество водорода с экспортом в Европу. Сейчас мы смотрим на возможные местные рынки вокруг Кольского полуострова… Второй момент – Курская АЭС», — сказал он.

8 июля, 14:45

«Росатом» запустит сборочное производство литий-ионных батарей

Малые модульные реакторы производят чистый водород

Компания NuScale опубликовала новые данные о способности своего небольшого модульного реактора выделять водород из воды.
Высокотемпературный электролиз водорода требует технологического тепла.
Реактор NuScale был конкурентоспособен с солнечным электролизом в правильном масштабе.

Небольшой стартап NuScale Power, занимающийся модульной атомной энергетикой, несколько месяцев фигурировал в новостях, и у него появился дополнительный потенциальный путь к разнообразному энергетическому рынку. В новой оценке, проведенной Национальной лабораторией штата Айдахо Министерства энергетики США, ядерный модуль NuScale выполнил эффективный катализ водорода .

☢️ Ты любишь атомную энергию. И мы тоже. Давайте поболтаем над ядерным вместе.

Компания сообщает:

Обновленный анализ показал, что при 25-процентном увеличении выходной мощности [NuScale Power Module™ (NPM)] один модуль NuScale мощностью 250 МВт способен производить 2053 кг водорода в час. , или почти 50 метрических тонн в день, что больше, чем 1667 кг/час водорода или 40 метрических тонн в день для модуля NuScale мощностью 200 МВт.

NuScale говорит, что эти цифры означают, что правильно развернутые ядерные модули могут конкурировать с существующими решениями, такими как солнечные водородные установки, помогая устранить потребность в водороде из ископаемого топлива.

Связанная история

Трамп увеличивает крошечные реакторы на миллиарды долларов

Для скептиков это сочетание двух видов змеиного масла. Но справедлива ли эта критика? Все сложно.

Число крошечных атомных станций растет во всем мире, но NuScale привлекла наибольшее внимание как по хорошим, так и по плохим причинам. Продукт компании наиболее близок к выходу на рынок, потому что в нем используется множество довольно традиционных ядерных технологий, которые, по мнению критиков, делают его слишком похожим на то, что было раньше. Эти недоброжелатели также возмущены тем, что NuScale привлекла огромное финансирование и государственную поддержку.

Водород — это гипотетически возобновляемый источник энергии, который в настоящее время застрял в цепочке поставок ископаемого топлива. Это потому, что в природе почти не существует «свободного» (в буквальном, химическом смысле) водорода — его весь приходится вытряхивать, например, из воды или углеводородов .

Это заставило критиков сказать, что водород на данный момент в основном является ископаемым топливом, и они не ошибаются. Но новаторы толпятся в водородном пространстве, пытаясь сделать более легкий, чистый и доступный водород, который будет дешевле для потребителей и планеты.

Вернемся к оценке водорода NuScale — как сочетаются эти две технологии? Одним из ключевых способов, которым атомная промышленность заявляет, что они необходимы для нашего энергетического будущего, является так называемое технологическое тепло, используемое для таких вещей, как домашнее отопление, ковка и плавка. Теперь технологическое тепло от модуля NuScale нагревает воду, а затем выделяет водород из перегретого пара.

NuScale

В выпуске NuScale об оценке компания рекламирует гибкость, которую, по ее словам, обеспечивает ее модуль. Это было большим преимуществом для крошечных атомных станций по всем направлениям, наряду с улучшенными показателями сдерживания и безопасности, благодаря усовершенствованной конструкции этих реакторных блоков.

📚 Дополнительная литература: Лучшие книги по атомной энергии

Командование группы пингвинов: ядерное оружие, авария в Дамаске и иллюзия безопасности Изготовление атомной бомбы.

0015

Читать сейчас

Кредит: Amazon

Impressive Imprint Решение Rad: роман о ядерной энергетике

Читать сейчас

Кредит: Amazon

Но каков реальный вариант использования части выработки небольшого реактора для производства водорода? Разве традиционные крупные атомные электростанции не могут делать то же самое?

Связанная история

Первая в мире термоядерная электростанция появится

Что ж, конечно, но NuScale никогда не претендовала на то, чтобы превзойти лучшие рынки традиционных, крупных атомных электростанций. В больших городах или населенных пунктах это все еще может быть лучшим вариантом в сочетании с растущими возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная, ветровая и гидроэнергетика. Однако небольшие отдаленные районы могут захотеть иметь водород для дозаправки, но не иметь доступа к крупной ядерной инфраструктуре.

В ближайшем будущем, по мере того как мы постепенно отказываемся от ископаемого топлива по всему миру, иметь еще дополнительных вариантов почти всегда будет хорошей идеей.

Теперь посмотрите это:

Кэролайн Делберт

Кэролайн Делберт — писатель, заядлый читатель и пишущий редактор журнала Pop Mech. Она также энтузиаст практически всего. Ее любимые темы включают ядерную энергию, космологию, математику повседневных вещей и философию всего этого.

Исследователи разработали реактор, который перерабатывает углеродные отходы в химические вещества при одновременном производстве водорода — GeekWire

Новый биореактор с проточной ячейкой, на который подана заявка на патент, разработанный в PNNL, может очищать сточные воды (см. здесь) и генерировать водород для подпитки процесса. (Фото PNNL / Andrea Starr)

В мире, сталкивающемся с двойной проблемой изменения климата и растущими потребностями в энергии, разработка возобновляемых заменителей ископаемого топлива была давней мечтой. Хотя в последние годы был достигнут значительный прогресс в преобразовании различных биоматериалов в полезную энергию, их переработка экологически устойчивым способом остается сложной задачей.

Теперь команда Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработала инновационный реактор с проточными ячейками, способный перерабатывать отработанный углерод в ценные химические вещества, одновременно генерируя водород, который можно использовать для питания транспортных средств или выработки тепла. Этот процесс очистки потенциально является углеродно-нейтральным и в конечном итоге может даже быть углеродно-отрицательным.

Под руководством инженера-исследователя катализаторов Хуана А. Лопес-Руиса команда PNNL разработала систему регенерации топлива автокаталитического окисления, которая начинается с биосырья, которое может быть получено из сельскохозяйственных культур, водорослей и даже сточных вод. Эта биосырая нефть создается с помощью процесса, называемого гидротермальным сжижением (HTL), который, по общему признанию, является энергоемким, поскольку использует высокие температуры и давление для превращения органического сырья в биосырую нефть. Имитируя естественные процессы, создавшие ископаемое топливо в мире, HTL может «достичь за считанные минуты того, на что у Матери-природы уходят миллионы лет».

Но, как и при традиционной переработке нефти, процесс переработки биосырья также был энергоемким. «Используемые в настоящее время методы обработки биосырья требуют использования водорода под высоким давлением, который обычно производится из природного газа», — сказал Хуан А. Лопес-Руис, инженер-химик PNNL и руководитель проекта.

Именно здесь вступает в действие запатентованный процесс PNNL. Исследование показало, что электрокаталитические процессы могут предложить более устойчивые способы очистки по сравнению с термокаталитическими процессами, такими как HTL, в которых используется водород при высокой температуре и давлении.

Как объясняет Лопес-Руис: «Наша система может сама генерировать этот водород, одновременно очищая сточные воды в условиях, близких к атмосферным, с использованием избытка возобновляемой электроэнергии, что делает ее недорогой в эксплуатации и потенциально нейтральной в отношении выбросов углерода».

Углеродные отходы ферм, сточных вод и других источников могут быть легко переработаны в высококачественное биотопливо с помощью новой проточной ячейки, разработанной PNNL. В этой анимации проточная ячейка получает биосырую и сточные воды из процесса гидротермального сжижения. Затем он удаляет углерод из сточные воды, что позволяет повторно использовать чистую воду. Система даже вырабатывает водород, ценное топливо, которое можно улавливать, снижая стоимость всей операции. (анимация Sara Levine | PNNL)

Процесс начинается со смеси биосырья и сточных вод, которые проходят в реактор с проточной ячейкой либо непосредственно из процесса HTL, либо из другого подходящего источника влажных отходов. Клетка разделена мембраной, проницаемой для протонов, но не для электронов. Когда смесь попадает на анодную сторону ячейки, она контактирует с тонкой титановой фольгой, покрытой наночастицами оксида рутения. Реакция с этим анодом вызывает каталитическую конверсию потока отходов, которая изменяет его химический состав. Это расщепляет его основные составляющие, в том числе карбоновую кислоту, отделяя полезные масла и парафины. Растворимые соединения, включающие кислород и азот, также расщепляются, превращаясь в эти обычные газы.

Поток отходов извивается к катодной стороне элемента, где он проходит через заряженный угольный войлок. Здесь он подвергается дальнейшим реакциям, которые могут либо гидрировать органические молекулы, либо генерировать газообразный водород, который можно использовать в качестве топлива для части процесса. Помимо того, что волокна углеродного войлока являются отличным проводником электричества, они заставляют молекулы потока смешиваться с высокой степенью турбулентности, что еще больше ускоряет каталитические реакции. Энергетические потребности клетки настолько относительно низки, что оставшаяся часть ее потребностей потенциально может быть обеспечена за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями.

Несмотря на испытания в течение почти 200 часов работы, система сохранила работоспособность без заметных потерь. Испытания могли бы продолжаться намного дольше, если бы у команды не закончилось биосырье.

«Это голодная система», — заметил Лопес-Руис. «Он мог бы работать бесконечно, если бы у вас были сточные воды, чтобы продолжать циркулировать через него».

После удаления загрязняющих веществ сточные воды можно повторно использовать в реакторе, что еще больше снижает воздействие процесса на окружающую среду. Более поздняя стадия фильтрации может быть использована для удаления любых оставшихся нежелательных химических веществ перед использованием воды для выращивания сельскохозяйственных культур или даже для питья.

Одной из возможных проблем в конструкции реактора является его зависимость от так называемых редкоземельных металлов. Как и во многих экологически чистых энергетических технологиях, конструкция проточной ячейки PNNL требует этих энергоемких, труднодоступных элементов, иногда называемых металлами платиновой группы. Согласно одному недавнему исследованию Министерства энергетики, США на 100% зависят от импорта 14 из 35 этих металлов, а мы зависим более чем на 50% от импорта еще 17 из них. Это сделало улучшение нашего внутреннего снабжения главным приоритетом.

Чтобы решить эту проблему, команда PNNL создала свой анод, покрыв титановую пленку наночастицами оксида рутения. По сравнению с использованием тонкой пленки из металла, такого как платина, этот подход значительно увеличивает площадь поверхности, доступную для катализа реакций, и в то же время уменьшает количество необходимого материала.

«Он мог бы работать бесконечно, если бы у вас были сточные воды, чтобы продолжать циркулировать через него».

Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Applied Catalysis B: Environmental, Лопез-Руис и другие определили оптимальный размер частиц оксида рутения около 12 нанометров. В результате для нового подхода PNNL требуется примерно в 1000 раз меньше редкоземельного металла, чем обычно требуется для сопоставимого реактора на основе платины. В то же время этот процесс обеспечивает более чем в 100 раз более высокую степень конверсии, чем термические системы, использующие промежуточные давления и температуры водорода.

Еще одно преимущество подхода PNNL заключается в том, что его можно настраивать, позволяя формировать различные молекулы и соединения в зависимости от напряжения, приложенного к цепи. При изменении напряжения в пределах рабочего диапазона системы примерно от двух до пяти вольт биосырье подвергается различным реакциям. Все это потенциально может контролироваться и управляться программным обеспечением, что позволит кому-то управлять этим, не нуждаясь в степени инженера-химика.

Это согласуется с некоторыми идеями о том, как в конечном итоге можно будет использовать эти реакторы. Хотя естественно думать об использовании подобной концепции для строительства крупных централизованных нефтеперерабатывающих заводов, может быть более экологично размещать меньшие версии рядом с их исходным материалом. Фермы, пивоварни и очистные сооружения могли бы идеально подойти для этого, поскольку они могут быть как производителями, так и потребителями.

Для этого новый процесс PNNL в настоящее время находится на рассмотрении патента под названием CLEANSET (Чистая устойчивая электрохимическая обработка) и доступен для лицензирования компаниями и муниципалитетами. Технология недавно была лицензирована CogniTek, глобальной компанией, которая выводит на рынок энергетические продукты и технологические решения.