Kako bi se nosio s klimatskim promjenama i postigao održivi razvoj, međunarodna je zajednica poduzela niz mjera za smanjenje emisije CO2, od kojih je jedna tehnologija hvatanja ugljika. Posljednjih godina tehnologija hvatanja ugljika brzo se razvija i široko koristi, postajući važno sredstvo za nošenje s klimatskim promjenama i smanjenje emisije stakleničkih plinova. Međutim, razvoj tehnologije hvatanja ugljika i dalje se suočava s mnogim izazovima, poput operativnih troškova, potrošnje energije moderne kemijske opreme i skladištenja i transporta CO2. Korištenje CO2 kao sirovine i priprema vrijednih industrijskih proizvoda pomoću metoda kemijske sinteze smatra se učinkovitim načinom rješavanja ograničenja uhićenja ugljika. Reakciju metanacije CO2 predložio je Paul Sabatier. Reakcija CO2 i H2 na proizvodnju CH4 smatra se učinkovitom tehnologijom za recikliranje CO2.
Neki su istraživači predložili inovativni poslovni model: koristeći tehnologiju metanacije CO2 i tehnologiju zelenog vodika za proizvodnju CH4 za dovršavanje skladištenja električne energije u kemijsku energiju. Ovaj model može pretvoriti višak električne energije u CH4 za skladištenje, rješavajući problem nestabilnosti obnovljivih izvora energije; Korištenje postojećih postrojenja za skladištenje i prijevoz prirodnog plina može značajno smanjiti troškove ulaganja; Promicanje razvoja tehnologije hvatanja i korištenja ugljika i doprinose globalnom prijelazu zelene energije. Ovaj rad uvodi razvoj katalizatora metanacije CO2 i analizira scenarije industrijske primjene tehnologije energetskog plina (PIG) koristeći tehnologiju metanacije.
Ključne riječi:Ugljični dioksid, metanacija, napajanje do plina, hvatanje ugljika, skladištenje energije, sirovina vodika, vodena elektroliza
Co2Reakcija metanacije
Reakcijska termodinamika
Sljedeće reakcije uglavnom se javljaju između h2i C02Tijekom procesa metanacije.
Glavna reakcija: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kJ/mol
Bočna reakcija: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ h=41.1 kJ/mol
Bočna reakcija, poznata i kao reakcija pomaka vodenog plina, endotermična je. Kad reakcija dosegne određenu temperaturu, selektivnost nusproizvoda CO povećava se i selektivnost CH4smanjuje. Stoga je istraživački fokus co2Metanacijski katalizatori trebaju razviti katalizatore s visokom aktivnošću pri niskim temperaturama. Učinak tlaka i temperature na reakcijske proizvode, gdje je omjer volumena reaktanata h2CO2je 4: 1.
Istraživanje katalizatora
Superiornost reakcije metanacije uglavnom se odražava na njegova termodinamička svojstva i teorijski potencijal za visoku brzinu pretvorbe pri sobnoj temperaturi i tlaku. Budući da C02Molekula je u potpunosti oksidirana, a atom ugljika, a atom kisika tvore kovalentnu dvostruku vezu, energija aktivacije potrebna za reakciju je vrlo velika, a potrebna je katalizator za smanjenje energije aktivacije i na taj način povećanje brzine pretvorbe.
Metali grupe VIII mogu poboljšati stopu konverzije i selektivnost u reakciji metanacije, a njihova je aktivnost silaznim redoslijedom: ru, ir, rh, ni, co, os, pt, fe, mo, pd, ag. Kada se uzimaju u obzir samo najvažniji čimbenici (aktivnost i selektivnost) reakcije metanacije, aktivnost je u silaznom redoslijedu: Ru, Fe, Ni, Co, Mo, a selektivnost je u silaznom redoslijedu: Ni, Co, Fe, Ru.
Usporedba performansi različitih metalnih katalizatora prikazana je u tablici 1. katalitički sustavi na temelju prijelaznih metala (RU, RH, PD, itd.) Široko su razvijene. Imaju izvrsnu katalitičku aktivnost i selektivnost u CO2Reakcije metanacije! Konkretno, katalizatori koji se temelje na Ru pokazuju visoku aktivnost i selektivnost u niskoj temperaturi i umjerenim uvjetima. Studije su pokazale da je pod istim reakcijskim uvjetima 3%ru/ai2O3(3% ru učitano na AI2O3nosač, isto u nastavku) ima veću selektivnost za ch4od 20%ni/ai2O3. Plemeniti metali (poput PT) također imaju visoku aktivnost i selektivnost u CO2Reakcije metanacije, ali njihovi visoki troškovi postali su glavna prepreka njihovoj velikoj primjeni u CO2metanacija. Ostali prijelazni metali (poput Fe i CO) također imaju određenu kemijsku reaktivnost, ali njihova selektivnost je niska i uglavnom se koriste kao aditivi za ostale bimetalne katalizatore. Zbog niskih cijena i obilnih sirovina, većina istraživačkih i industrijskih projekata koristi katalizatore temeljene na NI.
Učinci potpora i aditiva na katalizatore
Različiti prijevoznici igraju veliku ulogu u pripremi i poboljšanju katalizatora. Obično se korišteni nosači uglavnom su metalni oksidantni nosači. Ovi nosači uglavnom povećavaju adsorpcijsku sposobnost reaktanata promjenom stanja postojanja aktivne faze, uključujući površinsku morfologiju, disperziju metala i glavna izložena kristalna lica, poboljšavajući na taj način katalitičke performanse. Oksidi sa specifičnim svojstvima često se koriste kao nosači katalizatora, poput AI2O3, Sio2, ZRO2, Izvršni direktor2, itd. među njima, ai2O3jedan je od najčešće korištenih nosača katalizatora jer ima prednosti niske cijene, velike površine i razvijenih pora. Međutim, aktivna faza Ni/AI2O3Katalizator se lako sinterira i karbonizira na visokoj temperaturi, što rezultira deaktivacijom katalizatora. Stoga, priprema NI/AI2O3Katalizator s dobrom aktivnošću i visokom stabilnošću postao je trenutni istraživački fokus.
Za katalizatore koji se temelje na Ni, aditivi su ključne komponente modifikacije koje mogu značajno promijeniti svojstva i performanse katalizatora. Učinkovitost katalizatora optimizirana je kroz različite mehanizme, poput bimetalne sinergije, mijenjanja metalnog elektroničkog okruženja, inhibiranja stvaranja vrsta spinela, poboljšanja adsorpcije reaktanata i intermedijara i poboljšanja disperzije metala. Sidik i sur. utvrdio je da je dodavanjem CO-a kao veziva, pripremljeni Ni-Co/MSN katalizator pokazao veću aktivnost i stabilnost od Ni/MSN. Analiza je potvrdila da legura NI-CO pomaže u smanjenju veličine NI čestica i omogućuje bolje performanse disperzije metala. Paviotti i sur. Pripremili Ni-RU katalizatore i otkrili da je Ru poboljšao reducibilnost katalizatora temeljenih na Ni i poboljšani NI adsorpcijski kapacitet za H2, poboljšavajući izvedbu katalizatora.
Scenariji primjene reakcije metanacije
Trenutno, iako je razvoj obnovljivih izvora energije postigao izvanredne rezultate, također se suočava s nekim izazovima. Usko grlo leži uglavnom u nepredvidivosti obnovljivih izvora, što može dovesti do viška snage i donijeti izazove stabilnom radu električne mreže.
PTG tehnologija koristi co2Reakcija metanacije, koristi zeleni vodik proizveden obnovljivim izvorima energije i co2Kao sirovine za stvaranje sintetičkih proizvoda prirodnog plina, a kisik nusproizvoda može se pročistiti i prodati. U potpunosti iskoristiti visokokvalitetnu reakcijsku toplinu može smanjiti troškove PTG tehnologije. Budući da je glavna komponenta generiranog sintetičkog prirodnog plina ch4, može se izravno poslati u mrežu cjevovoda za prirodni plin, realizirajući dugoročno i veliko skladištenje CH4.
Proizvodnja sirovina vodika
Glavne metode proizvodnje industrijskog vodika uključuju proizvodnju vodika za prirodni plin, proizvodnju vodika vodene elektrolize, proizvodnju vodika ugljena i industrijski nusproizvod proizvodnju vodika. Osim vodene elektrolize, proizvodnje vodika, druge metode zahtijevaju upotrebu fosilne energije. Tehnologija proizvodnje vodika fosilne energije je zrela, a trošak je niži od proizvodnje vodika za elektrolizu vode, ali će se tijekom proizvodnog procesa generirati velika količina CO₂ -a.
U idealnom slučaju, sirova sirovina PTG tehnologije je H2 (zeleni vodik) proizvedena spajanjem tehnologije elektrolize vode s obnovljivim izvorima energije. Trenutno su glavne tehnologije elektrolize vode alkalne vodene elektrolize (AEL) tehnologija, tehnologija membrane za razmjenu protona (PEM), tehnologija membrane anionske razmjene (AEM) i tehnologija solidnog oksida elektroliza (SOEC). Među njima je AEL tehnologija zrela i prikladna za veliku industrijsku proizvodnju vodika, ali stopa proizvodnje je niska, a potrošnja energije visoka. Prije 2014. godine, domaći i strani projekti elektrolize vode koristili su AEL tehnologiju. Od 2015. godine instalirani kapacitet PEM -a postupno se povećavao. To je uglavnom zbog činjenice da su PEM elektroliziri prikladni za radne uvjete s velikim fluktuacijama snage, imaju kraća vremena pokretanja i brže reagiraju na fluktuacije obnovljivih izvora energije. AEM tehnologija i SOEC tehnologija nisu zreli: trenutno se ne mogu prilagoditi proizvodnji zelenog vodika u industriji.
Co2Stjecanje
Co2U reakciji metanacije dolazi iz CO2-Rich naftna i plinska polja, velike elektrane na ugljen, cementne biljke itd. Ove biljke obično emitiraju veliku količinu CO2Tijekom rada i visoke čistoće co2može se dobiti pomoću tehnologije hvatanja ugljika. Trenutno se u tvornicama naširoko koristi tehnologija za hvatanje nakon ublažavanja, uglavnom koristeći kemijske apsorbente za snimanje CO2u dimnom plinu nakon izgaranja.
Tehnologija hvatanja ugljika u osnovi je sazrijevala, a velik broj projekata provodi se širom svijeta. Iako tehnologija hvatanja ugljika može smanjiti troškove poreza na ugljik poduzeća, u cijelom se procesu ne proizvode vrijedni kemijski proizvodi. Trenutno neki co2Tehnologije korištenja i skladištenja imaju potencijalne rizike, poput CO2Tehnologija poplave i podzemna tehnologija skladištenja.
Inženjerski slučajevi PTG tehnologije
Trenutno u mojoj zemlji nema velikih slučajeva komercijalnih PTG uređaja, a na ovom polju nema mnogo studija. Istraživanje PTG tehnologije trenutno je uglavnom u europskim zemljama, a Sjedinjene Države i Japan također su povećali svoje istraživanje i razvoj ove tehnologije posljednjih godina.
Chehade i sur. Provedena istraživanja i analiza na demonstracijskim projektima s napajanjem-X u 32 zemlje . 91% projekata još uvijek djeluju, a 27% projekata razmatra proširivanje proizvodnje: 99 projekata prve koristi obnovljivu energiju za proizvodnju h2, a zatim upotrijebite tehnologiju vodikovih gorivnih ćelija ili plinske turbine za pretvorbu h2u električnu energiju i izravno je ubrizgavanje u mrežu napajanja; 69 projekata proizvodi zeleni vodik i koristi tehnologiju metanacije za pretvorbu H2 u CH4i ubrizgati ga u cjevovod za prirodni plin; U Europi postoje 154 PTG projekta, od kojih se gotovo jedna trećina nalazi u Njemačkoj.
Wulf i sur. Istraživali su projekti Power-to-X u Europi. Od lipnja 2020. godine, ukupno je provedeno 220 takvih projekata ili su u izgradnji i planiranju u Europi, s najbržim rastom projekata u Njemačkoj i Francuskoj. 2020. godine 20 zemalja implementiralo je demonstracijske projekte Power-to-X, od kojih je 44% bilo smješteno u Njemačkoj. Većina projekata izravno je koristila obnovljivu električnu energiju. Jedna trećina projekata za napajanje-X pretvorila je H2 u druge plinske proizvode na prodaju. Većina projekata koristila je plin za biomasu kao sirovina CO2, dok su drugi koristili dimnjak plina iz prirodnog plina ili elektrane na ugljen kao CO2 sirovina . 66% svih projekata koje su koristile reakcije kemijske katalitičke metanacije.
Australija također aktivno istražuje načine pretvaranja CO2u ch4. Južni zeleni plin planira implementirati obnovljivi CH4Projekt za proizvodnju CH4 pomoću malih modula. Ovi moduli sadrže solarne ploče koje opskrbljuju električnu energiju elektrolizirima. H2 koje proizvodi elektroliziri reagiraju s zarobljenim co2u reaktoru metanacije za proizvodnju ch4, koja se zatim ubrizgava u australsku mrežu cjevovoda za prirodni plin radi skladištenja ili komercijalne uporabe. Projekt koristi postojeći cjevovodni sustav kao prijevoz i skladištenje, što značajno smanjuje troškove konstrukcije infrastrukture: klizači mogu biti samodovoljni, znatno smanjujući operativne troškove; i iznajmljivanje jeftinog zemljišta dodatno poboljšava konkurentnost projekta.
