Превращение отработанного тепла в водородное топливо
Международное энергетическое агентство подтвердило то, что большинству экспертов уже известно: мир должен больше работать над тем, чтобы стимулировать использование чистого водорода в качестве источника энергии без выбросов.
Однако одной из проблем создания водорода является то, что он требует энергии – много энергии. МЭА говорит, что для производства всего современного водорода только с использованием электричества потребуется 3600 ТВт*ч, что больше, чем ежегодно генерируется Европейским Союзом.
Но что, если бы мы смогли использовать существующий источник бросовой энергии, для производства водорода? Новый подход, разработанный исследователями из Норвежского университета науки и технологий, делает именно это – используя отходящее тепло от других промышленных процессов.
«Мы нашли способ использования тепла, которое в противном случае выбрасывается», – сказал Кьерсти Вергеланд Крахелла, автор статьи, опубликованной в академическом журнале MDPI Energies. «Это низкопотенциальное тепло, но его можно использовать для производства водорода».
Отработанное тепло – это тепло, производимое как побочный продукт промышленного процесса. Все, от промышленного котла до установки по переработке отходов, производит тепло.
Чаще всего это избыточное тепло должно выделяться в окружающую среду. Эксперты в области энергетики говорят, что отработанное тепло на предприятиях разных отраслей Норвегии эквивалентно 20 ТВт*ч энергии.
Для сравнения: вся гидроэнергетическая система Норвегии вырабатывает 140 ТВт*ч электроэнергии в год. Это означает, что есть много ненужного тепла, которое потенциально может быть использовано.
Исследователи использовали метод, названный обратным электродиализом (RED), который основывается на солевых растворах и двух разновидностях ионообменных мембран. Чтобы понять, что на самом деле сделали исследователи, вы должны сначала понять, как работает техника RED.
В RED одна мембрана, называемая анионообменной мембраной, или AEM, позволяет отрицательно заряженным электронам (анионам) перемещаться через мембрану, в то время как вторая мембрана, называемая катионообменной мембраной, или CEM, позволяет положительно заряженным электронам (катионам) течь через мембрану.
Команда Heat to Hydrogen: слева направо: Фроде Селанд, Кристиан Этьен Эйнарсруд, Кьерсти Вергеланд, Крахелла, Роберт Бок и Одне Стокке Бурхейм.
Мембраны отделяют разбавленный солевой раствор от концентрированного солевого раствора. Ионы мигрируют из концентрированного в разбавленный раствор, и поскольку два разных типа мембран чередуются, они заставляют анионы и катионы мигрировать в противоположных направлениях.
Когда эти чередующиеся колонны расположены между двумя электродами, батарея может генерировать достаточно энергии для расщепления воды на водород (на стороне катода) и кислород (на стороне анода). Этот подход был разработан в 1950-х годах и впервые использовал морскую и речную воду.
Однако Крахелла и ее коллеги использовали другую соль, называемую нитратом калия. Использование этого вида соли позволило им использовать отработанное тепло как часть процесса.
В какой-то момент концентрат и разбавленный солевой раствор становятся все более похожими, поэтому их необходимо обновлять.
Это означает, что необходимо найти способ увеличить концентрацию соли в концентрированном растворе и удалить соль из разбавленного раствора. Вот откуда получается бросовое тепло.
Во-первых, использовалось отработанное тепло для испарения воды из концентрированного раствора, чтобы сделать ее более концентрированной.
Вторая система использовала отработанное тепло, чтобы заставить соль выпадать в осадок из разбавленного раствора (поэтому она будет менее соленой).
Когда исследователи посмотрели на результаты, они увидели, что использование существующей мембранной технологии и отработанного тепла для испарения воды из их системы производило больше водорода на площадь мембраны, чем метод осаждения.
Производство водорода было в четыре раза выше для испарительной системы, работающей при 25 ° С, и в два раза выше для системы, работающей при 40 ° С, по сравнению с их системой осаждения.
Однако, как показали исследования, процесс осаждения был лучше с точки зрения потребления энергии. Например, энергия, необходимая для производства кубического метра водорода с использованием процесса осаждения, составила всего 8,2 кВт*ч, по сравнению с 55 кВт*ч для процесса испарения.
«Это совершенно новая система», – сказала автор. «Нам нужно будет больше тестировать с другие соли в других концентрациях».
Другая проблема, которая продолжает ограничивать производство водорода, заключается в том, что сами мембраны остаются чрезвычайно дорогостоящими.
Крахелла надеется, что по мере того, как общество будет стремиться отказаться от ископаемого топлива, рост спроса приведет к снижению цен на мембраны, а также к улучшению характеристик самих мембран.
«Мембраны являются самой дорогой частью нашей системы», – сказал Крахелла. «Но все знают, что мы должны что-то делать с окружающей средой, и цена потенциально намного выше для общества, если мы не будем развивать экологически чистую энергию».
https://econet.ru/articles/prevraschenie-otrabotannogo-tepla-v-vodorodnoe-toplivo