№12 декабрь 2022

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Водород из метановой плазмы

Татьяна Зимина. По информации АО ГНЦ «Центр Келдыша»

Поиском энергоэффективных, недорогих и экологически чистых методов получения водорода как нового вида топлива занимаются многие исследовательские организации и технологические компании. Один из методов производства этого газа, на который возлагают большие надежды, — плазменный пиролиз метана, то есть разложение природного газа при высоких температурах в плазме. Источник энергии в этом процессе — сетевая или полученная от возобновляемых источников электроэнергия.

Работа плазмотрона с электрической мощностью 1,4 МВт на метане. В эксперименте струя водорода и сажа сгорают в атмосфере. Фото: АО ГНЦ «Центр Келдыша».

Несомненное преимущество метода перед широко распространённым паровым риформингом метана (см. статью «Где взять водород?») — отсутствие на выходе углекислого газа. То есть процесс пиролиза можно описать реакцией:

097_1ur.jpg

Таким образом, в ходе пиролиза образуются лишь водород и высокодисперсный углерод, то есть сажа — весьма ценный продукт. Сажа используется в резиновой промышленности, для производства бумаги, штемпельной краски, различных сортов лаков, в сельском хозяйстве, дорожном строительстве и других отраслях.

Энергозатраты на плазменный пиролиз метана сравнимы с таковыми для парового риформинга и в три-четыре раза меньше, чем при получении водорода электролизом воды. Однако до сих пор плазменный пиролиз метана в промышленных масштабах не ведут — прежде всего из-за отсутствия мощных и энергоёмких установок.

В АО ГНЦ «Центр Келдыша» («Роскосмос») уже более 40 лет занимаются разработками плазмотронов, используемых для испытания материалов при высоких тепловых нагрузках. В их числе плазмотрон «Звезда», выполненный за эти годы в разных модификациях. Отличительная особенность этих плазмотронов — возможность питания непосредственно от высоковольтных сетей переменного тока, что значительно упрощает систему электропитания по сравнению с плазмотронами постоянного тока. Мощность установок такой конструкции может достигать 30 МВт.

Сотрудники научного центра модифицировали конструкцию плазмотрона для ведения на нём плазменного пиролиза метана, в ходе которого получается газообразный водород и углерод в виде сажи. В декабре 2021 года электродуговой плазмотрон переменного тока мощностью 1,4 МВт прошёл успешное испытание.

Обычно плазменный пиролиз предполагает использование инертного газа: при его ионизации в электрической дуге образуется высокотемпературная плазма, в которой ведут процесс. В плазмотроне, разработанном и испытанном в «Центре Келдыша», метан подаётся непосредственно в дуговые плазменные каналы установки, без использования дополнительного инертного или иного газа. Такая конструкция даёт возможность избегать расходов энергии на подогрев (ионизацию) инертного газа и операцию по его отделению от получаемого водорода.

Использование технологии плазменного пиролиза может осложняться из-за нежелательного отложения сажи на внутренних плазменных каналах, где происходит образование плазменных дуг и непосредственный нагрев газа. Дело в том, что сажа электропроводна, поэтому её отложение на поверхности внутри плазмотрона может приводить к короткому замыканию между электродами и исчезновению электрической дуги. Однако пути решения данной проблемы у сотрудников научного центра есть.

Технологии плазменного пиролиза нацелены на реализацию концепции водородной энергетики и снижения выбросов углекислого газа.

Другие статьи из рубрики «Новые технологии»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее