Dadansoddiad o Gynnydd a Chymhwyso Technoleg Methanation Carbon Deuocsid - Blog

Er mwyn ymdopi â newid yn yr hinsawdd a chyflawni datblygu cynaliadwy, mae'r gymuned ryngwladol wedi cymryd cyfres o fesurau i leihau allyriadau CO2, ac un ohonynt yw technoleg dal carbon. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae technoleg dal carbon wedi'i datblygu'n gyflym a'i defnyddio'n helaeth, gan ddod yn fodd pwysig i ymdopi â newid yn yr hinsawdd a lleihau allyriadau nwyon tŷ gwydr. Fodd bynnag, mae datblygu technoleg dal carbon yn dal i wynebu sawl her, megis costau gweithredu, defnyddio ynni offer cemegol modern a storio a chludo CO2. Ystyrir bod defnyddio CO2 fel deunydd crai a pharatoi cynhyrchion diwydiannol gwerthfawr trwy ddulliau synthesis cemegol yn ffordd effeithiol o ddatrys cyfyngiad dal carbon. Cynigiwyd adwaith methaniad CO2 gan Paul Sabatier. Ystyrir bod ymateb CO2 a H2 i gynhyrchu CH4 yn dechnoleg effeithiol ar gyfer ailgylchu CO2.

Mae rhai ymchwilwyr wedi cynnig model busnes arloesol: defnyddio technoleg methanation CO2 a thechnoleg hydrogen gwyrdd i gynhyrchu CH4 i gwblhau storio egni trydanol i ynni cemegol. Gall y model hwn drosi trydan gormodol yn CH4 i'w storio, gan ddatrys problem anwadalrwydd ynni adnewyddadwy; Gall defnyddio cyfleusterau storio a chludo nwy naturiol presennol leihau costau buddsoddi yn sylweddol; hyrwyddo datblygiad technoleg dal a defnyddio carbon, a chyfrannu at y trawsnewid ynni gwyrdd byd -eang. Mae'r papur hwn yn cyflwyno datblygiad catalyddion methanation CO2 ac yn dadansoddi senarios cymhwysiad diwydiannol technoleg pŵer-i-nwy (moch) gan ddefnyddio technoleg methaniad.

Geiriau allweddol:carbon deuocsid, methaniad, pŵer-i-nwy, dal carbon, storio ynni, porthiant hydrogen, electrolysis dŵr

Mae'r ymatebion canlynol yn digwydd yn bennaf rhwng h₂a C0₂yn ystod y broses fethaniad.

Prif Ymateb: C0₂ + 4H₂⇄ Ch₄ + 2H₂ O

Δ H=-165.0 kj/mol

Adwaith Ochr: C0₂ + H₂ ⇄ C0 + H₂ O

Δ h=41.1 kj/mol

Mae'r adwaith ochr, a elwir hefyd yn adwaith shifft nwy dŵr, yn endothermig. Pan fydd yr adwaith yn cyrraedd tymheredd penodol, mae detholusrwydd y sgil -gynnyrch CO yn cynyddu, a detholusrwydd CH₄yn lleihau. Felly, ffocws ymchwil CO₂Catalyddion methaniad yw datblygu catalyddion gyda gweithgaredd uchel ar dymheredd isel. Effaith pwysau a thymheredd ar y cynhyrchion adweithio, lle mae cymhareb cyfaint yr adweithyddion yn₂I CO₂yw 4: 1.

Mae rhagoriaeth yr adwaith methaniad yn cael ei adlewyrchu'n bennaf yn ei briodweddau thermodynamig a'r potensial damcaniaethol ar gyfer cyfradd trosi uchel ar dymheredd a gwasgedd yr ystafell. Ers y C0₂Mae moleciwl wedi'i ocsidio'n llwyr ac mae'r atom carbon a'r atom ocsigen yn ffurfio bond dwbl cofalent, mae'r egni actifadu sy'n ofynnol ar gyfer yr adwaith yn uchel iawn, ac mae angen catalydd i leihau'r egni actifadu a thrwy hynny gynyddu'r gyfradd trosi.

Gall metelau Grŵp VIII wella'r gyfradd trosi a'r detholusrwydd yn yr adwaith methaniad, ac mae eu gweithgaredd mewn trefn ddisgynnol: Ru, IR, RH, Ni, CO, OS, PT, Fe, Mo, Pd, Ag. Pan mai dim ond ffactorau pwysicaf (gweithgaredd a detholusrwydd) yr adwaith methaniad sy'n cael eu hystyried, mae'r gweithgaredd yn nhrefn ddisgynnol: Ru, Fe, Ni, CO, Mo, ac mae'r detholusrwydd mewn trefn ddisgynnol: Ni, CO, Fe, ru.

Dangosir cymhariaeth perfformiad gwahanol gatalyddion metel yn Nhabl 1. Mae systemau catalytig sy'n seiliedig ar fetelau pontio (RU, RH, PD, ac ati) wedi'u datblygu'n eang. Mae ganddyn nhw weithgaredd catalytig rhagorol a detholusrwydd yn CO₂Adweithiau Methanation! Yn benodol, mae catalyddion wedi'u seilio ar RU yn dangos gweithgaredd uchel a detholusrwydd o dan dymheredd isel ac amodau cymedrol. Mae astudiaethau wedi dangos, o dan yr un amodau ymateb, 3%RU/AI₂O₃(3% RU wedi'i lwytho ar yr AI₂O₃Mae gan gludwr, yr un peth isod) ddetholusrwydd uwch ar gyfer ch₄nag 20%ni/ai₂O₃. Mae gan fetelau gwerthfawr (fel PT) weithgaredd uchel a detholusrwydd yn CO hefyd₂Adweithiau Methaniad, ond mae eu cost uchel wedi dod yn brif rwystr i'w cymhwysiad ar raddfa fawr yn CO₂Methanation. Mae gan fetelau pontio eraill (fel Fe a CO) rai adweithedd cemegol penodol hefyd, ond mae eu detholusrwydd yn isel, ac fe'u defnyddir yn bennaf fel ychwanegion ar gyfer catalyddion bimetallig eraill. Oherwydd eu pris isel a'u deunyddiau crai toreithiog, mae'r mwyafrif o brosiectau ymchwil a diwydiannol yn defnyddio catalyddion sy'n seiliedig ar NI.

news-1211-460

news-1407-506

Mae gwahanol gludwyr yn chwarae rhan wych wrth baratoi a gwella catalyddion. Mae cludwyr a ddefnyddir yn gyffredin yn gludwyr ocsidydd metel yn bennaf. Mae'r cludwyr hyn yn cynyddu gallu arsugniad adweithyddion yn bennaf trwy newid cyflwr bodolaeth y cyfnod gweithredol, gan gynnwys morffoleg arwyneb, gwasgariad metel, a'r prif wynebau grisial agored, a thrwy hynny wella'r perfformiad catalytig. Defnyddir ocsidau ag eiddo penodol yn aml fel cludwyr catalydd, fel AI₂O₃, SIO₂, Zro₂, Prif Swyddog Gweithredol₂, ac ati yn eu plith, ai₂O₃yw un o'r cludwyr catalydd a ddefnyddir amlaf oherwydd mae ganddo fanteision pris isel, arwynebedd mawr, a mandyllau datblygedig. Fodd bynnag, cam gweithredol NI/AI₂O₃Mae catalydd yn hawdd ei sintro a charonize ar dymheredd uchel, gan arwain at ddadactifadu catalydd. Felly, paratoi Ni/AI₂O₃Mae catalydd gyda gweithgaredd da a sefydlogrwydd uchel wedi dod yn ffocws ymchwil cyfredol.

Ar gyfer catalyddion sy'n seiliedig ar Ni, mae ychwanegion yn gydrannau addasu allweddol a all newid priodweddau a pherfformiad y catalydd yn sylweddol. Mae perfformiad catalydd yn cael ei optimeiddio trwy wahanol fecanweithiau, megis synergedd bimetallig, newid yr amgylchedd electronig metel, atal ffurfio rhywogaethau spinel, gwella arsugniad adweithyddion a chanolradd, a gwella gwasgariad metel. Sidik et al. canfu, trwy ychwanegu CO fel rhwymwr, bod y catalydd NI-CO/MSN a baratowyd yn dangos gweithgaredd a sefydlogrwydd uwch na Ni/MSN. Cadarnhaodd y dadansoddiad fod aloi Ni-Co yn helpu i leihau maint gronynnau NI ac yn darparu gwell perfformiad gwasgariad metel. Paviotti et al. catalyddion Ni-Ru parod a chanfod bod RU yn gwella gostyngiad catalyddion NI a gwell gallu arsugniad Gogledd Iwerddon ar gyfer H.₂, a thrwy hynny wella perfformiad catalydd.

Ar hyn o bryd, er bod datblygu ynni adnewyddadwy wedi sicrhau canlyniadau rhyfeddol, mae hefyd yn wynebu rhai heriau. Mae'r dagfa yn gorwedd yn bennaf yn anrhagweladwy adnoddau adnewyddadwy, a allai arwain at warged pŵer a dod â heriau i weithrediad sefydlog y grid pŵer.

Mae technoleg PTG yn defnyddio CO₂Adwaith Methanation, yn defnyddio hydrogen gwyrdd a gynhyrchir gan ynni adnewyddadwy a chyd₂Fel deunyddiau crai i gynhyrchu cynhyrchion nwy naturiol synthetig, a gellir puro a gwerthu ocsigen y sgil-gynnyrch. Gall gwneud defnydd llawn o'r gwres ymateb o ansawdd uchel leihau cost technoleg PTG. Gan mai prif gydran y nwy naturiol synthetig a gynhyrchir yw CH₄, gellir ei anfon yn uniongyrchol i'r Rhwydwaith Piblinell Nwy Naturiol, gan wireddu storfa tymor hir a graddfa fawr Ch₄.

Mae prif ddulliau cynhyrchu hydrogen diwydiannol yn cynnwys cynhyrchu hydrogen nwy naturiol, cynhyrchu hydrogen electrolysis dŵr, cynhyrchu hydrogen glo, a chynhyrchu hydrogen sgil-gynnyrch diwydiannol. Ac eithrio electrolysis dŵr, y cynhyrchiad hydrogen, mae angen defnyddio ynni ffosil ar ddulliau eraill. Mae technoleg cynhyrchu hydrogen ynni ffosil yn aeddfed, ac mae'r gost yn is na chynhyrchu hydrogen electrolysis dŵr, ond cynhyrchir llawer iawn o CO₂ yn ystod y broses gynhyrchu.

Yn ddelfrydol, deunydd crai hydrogen technoleg PTG yw H2 (hydrogen gwyrdd) a gynhyrchir trwy gyplu technoleg electrolysis dŵr ag ynni adnewyddadwy. Ar hyn o bryd, y prif dechnolegau electrolysis dŵr yw technoleg electrolysis dŵr alcalïaidd (AEL), technoleg pilen cyfnewid proton (PEM), technoleg pilen cyfnewid anion (AEM), a thechnoleg electrolyzer ocsid solet (SOEC). Yn eu plith, mae technoleg AEL yn aeddfed ac yn addas ar gyfer cynhyrchu hydrogen diwydiannol ar raddfa fawr, ond mae'r gyfradd gynhyrchu yn isel, ac mae'r defnydd pŵer yn uchel. Cyn 2014, defnyddiodd prosiectau electrolysis dŵr domestig a thramor dechnoleg AEL. Er 2015, mae gallu gosodedig PEM wedi cynyddu'n raddol. Mae hyn yn bennaf oherwydd y ffaith bod electrolyzers PEM yn addas ar gyfer amodau gwaith ag amrywiadau pŵer mawr, mae ganddynt amseroedd cychwyn byrrach, ac ymateb yn gyflymach i amrywiadau mewn ynni adnewyddadwy. Nid yw technoleg AEM a thechnoleg SOEC yn aeddfed: ar hyn o bryd ni allant addasu i gynhyrchu hydrogen gwyrdd ar raddfa ddiwydiannol.

Y cyd₂Yn yr adwaith methaniad daw o CO₂-Rich caeau olew a nwy, gweithfeydd pŵer glo mawr, planhigion sment, ac ati. Mae'r planhigion hyn fel arfer yn allyrru llawer iawn o CO₂yn ystod llawdriniaeth, a chyd-burdeb uchel₂gellir ei gael gan ddefnyddio technoleg dal carbon. Ar hyn o bryd, defnyddiwyd technoleg dal ôl-losgi yn helaeth mewn ffatrïoedd, gan ddefnyddio amsugnyddion cemegol yn bennaf i ddal CO₂mewn nwy ffliw ar ôl hylosgi.

Mae technoleg dal carbon wedi aeddfedu yn y bôn, ac mae nifer fawr o brosiectau wedi'u gweithredu ledled y byd. Er y gall technoleg dal carbon leihau costau treth carbon mentrau, ni chynhyrchir unrhyw gynhyrchion cemegol gwerthfawr yn yr holl broses. Ar hyn o bryd, rhai CO₂Mae gan dechnolegau defnyddio a storio risgiau posibl, fel CO₂technoleg llifogydd a thechnoleg storio tanddaearol.

Ar hyn o bryd, nid oes unrhyw achosion dyfais PTG masnachol ar raddfa fawr yn fy ngwlad, ac nid oes llawer o astudiaethau yn y maes hwn. Mae'r ymchwil ar dechnoleg PTG yn bennaf yng ngwledydd Ewrop, ac mae'r Unol Daleithiau a Japan hefyd wedi cynyddu eu hymchwil a datblygiad y dechnoleg hon yn ystod y blynyddoedd diwethaf.

Chehade et al. Mae ymchwil a dadansoddi a gynhaliwyd ar 192 o brosiectau arddangos pŵer-i-x mewn 32 gwlad . 91% o'r prosiectau yn dal i fod ar waith, ac mae 27% o'r prosiectau₂, ac yna defnyddio technoleg celloedd tanwydd hydrogen neu dyrbinau nwy i drosi h₂i mewn i drydan a'i chwistrellu'n uniongyrchol i'r grid pŵer; Mae 69 o brosiectau yn cynhyrchu hydrogen gwyrdd ac yn defnyddio technoleg methanation i drosi H2 yn CH₄a'i chwistrellu i'r rhwydwaith piblinellau nwy naturiol; Mae 154 o brosiectau PTG yn Ewrop, y mae bron i draean ohonynt wedi'u lleoli yn yr Almaen.

Wulf et al. ymchwilio i brosiectau pŵer-i-x yn Ewrop. Ym mis Mehefin 2020, mae cyfanswm o 220 o brosiectau o'r fath wedi'u gweithredu neu'n cael eu hadeiladu a'u cynllunio yn Ewrop, gyda'r twf cyflymaf mewn prosiectau yn yr Almaen a Ffrainc. Yn 2020, gweithredodd 20 gwlad brosiectau arddangos pŵer-i-X, yr oedd 44% ohonynt wedi'u lleoli yn yr Almaen. Roedd y mwyafrif o brosiectau'n defnyddio trydan adnewyddadwy yn uniongyrchol. Trosodd traean o brosiectau pŵer-i-X H2 yn gynhyrchion nwy eraill ar werth. Roedd y mwyafrif o brosiectau'n defnyddio nwy biomas fel porthiant CO2, tra bod eraill yn defnyddio nwy ffliw o nwy naturiol neu weithfeydd pŵer glo fel porthiant CO2 . 66% o'r holl brosiectau a ddefnyddiodd adweithiau methaniad catalytig cemegol.

Mae Awstralia hefyd wrthi'n archwilio ffyrdd i drosi CO₂i mewn i ch₄. Mae nwy gwyrdd deheuol yn bwriadu gweithredu CH adnewyddadwy₄prosiect i gynhyrchu CH4 gan ddefnyddio modiwlau bach. Mae'r modiwlau hyn yn cynnwys paneli solar sy'n cyflenwi trydan i electrolyzers. Mae'r H2 a gynhyrchir gan yr electrolyzers yn adweithio gyda'r CO sydd wedi'i ddal₂mewn adweithydd methaniad i gynhyrchu CH₄, sydd wedyn yn cael ei chwistrellu i Rwydwaith Piblinell Nwy Naturiol Awstralia i'w storio neu ei ddefnyddio'n fasnachol. Mae'r prosiect yn defnyddio'r system biblinell bresennol fel cyfleuster cludo a storio, gan leihau cost adeiladu seilwaith yn sylweddol: gall y sgidiau fod yn hunangynhaliol, gan leihau costau gweithredu yn fawr; ac mae rhentu tir cost isel yn gwella cystadleurwydd y prosiect ymhellach.