Untuk mengatasi perubahan iklim dan mencapai pembangunan mampan, masyarakat antarabangsa telah mengambil beberapa langkah untuk mengurangkan pelepasan CO2, salah satunya ialah teknologi penangkapan karbon. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, teknologi penangkapan karbon telah berkembang pesat dan digunakan secara meluas, menjadi cara penting untuk mengatasi perubahan iklim dan mengurangkan pelepasan gas rumah hijau. Walau bagaimanapun, pembangunan teknologi penangkapan karbon masih menghadapi banyak cabaran, seperti kos operasi, penggunaan tenaga peralatan kimia moden dan penyimpanan dan pengangkutan CO2. Menggunakan CO2 sebagai bahan mentah dan menyediakan produk perindustrian yang berharga melalui kaedah sintesis kimia dianggap sebagai cara yang berkesan untuk menyelesaikan batasan penangkapan karbon. Reaksi metanasi CO2 dicadangkan oleh Paul Sabatier. Reaksi CO2 dan H2 untuk menghasilkan CH4 dianggap sebagai teknologi yang berkesan untuk kitar semula CO2.
Sesetengah penyelidik telah mencadangkan model perniagaan yang inovatif: menggunakan teknologi metanasi CO2 dan teknologi hidrogen hijau untuk menghasilkan CH4 untuk melengkapkan penyimpanan tenaga elektrik ke dalam tenaga kimia. Model ini boleh menukar elektrik yang berlebihan ke dalam CH4 untuk penyimpanan, menyelesaikan masalah turun naik tenaga boleh diperbaharui; Menggunakan kemudahan penyimpanan gas dan pengangkutan asli yang sedia ada dapat mengurangkan kos pelaburan dengan ketara; Menggalakkan pembangunan teknologi penangkapan dan penggunaan karbon, dan menyumbang kepada peralihan tenaga hijau global. Makalah ini memperkenalkan pembangunan pemangkin metanasi CO2 dan menganalisis senario aplikasi perindustrian teknologi kuasa-ke-gas (babi) menggunakan teknologi metanasi.
Kata kunci:karbon dioksida, metanasi, kuasa-ke-gas, penangkapan karbon, penyimpanan tenaga, bahan bakar hidrogen, elektrolisis air
Co2tindak balas methanation
Thermodynamics reaksi
Tindak balas berikut terutamanya berlaku antara h2dan C02Semasa proses metanasi.
Reaksi utama: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kJ/mol
Reaksi sampingan: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ H=41.1 kJ/mol
Reaksi sampingan, juga dikenali sebagai tindak balas peralihan gas-gas, adalah endotermik. Apabila tindak balas mencapai suhu tertentu, selektiviti produk sampingan meningkat, dan selektiviti ch4berkurangan. Oleh itu, fokus penyelidikan Co2Pemangkin metanasi adalah untuk membangunkan pemangkin dengan aktiviti yang tinggi pada suhu rendah. Kesan tekanan dan suhu pada produk tindak balas, di mana nisbah isipadu reaktan h2kepada co2adalah 4: 1.
Penyelidikan pemangkin
Keunggulan tindak balas metanasi terutamanya dicerminkan dalam sifat termodinamiknya dan potensi teoritis untuk kadar penukaran yang tinggi pada suhu dan tekanan bilik. Sejak C02Molekul telah dioksidakan sepenuhnya dan atom karbon dan atom oksigen membentuk ikatan ganda kovalen, tenaga pengaktifan yang diperlukan untuk tindak balasnya sangat tinggi, dan pemangkin diperlukan untuk mengurangkan tenaga pengaktifan dan dengan itu meningkatkan kadar penukaran.
Logam Kumpulan VIII dapat meningkatkan kadar penukaran dan selektiviti dalam tindak balas metanasi, dan aktiviti mereka berada dalam urutan menurun: RU, IR, RH, Ni, Co, OS, PT, FE, MO, PD, AG. Apabila hanya faktor yang paling penting (aktiviti dan selektiviti) tindak balas metanasi yang dipertimbangkan, aktiviti itu adalah dalam urutan menurun: Ru, Fe, Ni, Co, Mo, dan selektiviti adalah dalam urutan menurun: Ni, Co, Fe, Ru.
Perbandingan prestasi pemangkin logam yang berbeza ditunjukkan dalam Jadual 1. Sistem pemangkin berdasarkan logam peralihan (RU, RH, PD, dan lain -lain) telah dibangunkan secara meluas. Mereka mempunyai aktiviti pemangkin yang sangat baik dan selektiviti di CO2Reaksi Methanation! Khususnya, pemangkin berasaskan RU menunjukkan aktiviti dan selektiviti yang tinggi di bawah suhu rendah dan keadaan sederhana. Kajian telah menunjukkan bahawa di bawah keadaan tindak balas yang sama, 3%RU/AI2O3(3% RU dimuatkan di AI2O3pembawa, sama di bawah) mempunyai selektiviti yang lebih tinggi untuk ch4daripada 20%Ni/AI2O3. Logam berharga (seperti PT) juga mempunyai aktiviti yang tinggi dan selektiviti di CO2Reaksi Methanation, tetapi kos tinggi mereka telah menjadi penghalang utama kepada aplikasi berskala besar mereka di CO2methanation. Logam peralihan lain (seperti Fe dan Co) juga mempunyai kereaktifan kimia tertentu, tetapi selektiviti mereka adalah rendah, dan mereka digunakan terutamanya sebagai bahan tambahan untuk pemangkin bimetallic yang lain. Oleh kerana harga rendah dan bahan mentah yang banyak, kebanyakan projek penyelidikan dan perindustrian menggunakan pemangkin berasaskan NI.
Kesan sokongan dan aditif terhadap pemangkin
Pembawa yang berbeza memainkan peranan yang besar dalam penyediaan dan peningkatan pemangkin. Pembawa yang biasa digunakan terutamanya pembawa oksida logam. Pembawa ini terutamanya meningkatkan kapasiti penjerapan reaktan dengan mengubah keadaan kewujudan fasa aktif, termasuk morfologi permukaan, penyebaran logam, dan wajah kristal terdedah utama, dengan itu meningkatkan prestasi pemangkin. Oksida dengan sifat tertentu sering digunakan sebagai pembawa pemangkin, seperti AI2O3, Sio2, Zro2, Ketua Pegawai Eksekutif2, dll di antara mereka, AI2O3adalah salah satu pembawa pemangkin yang paling biasa digunakan kerana ia mempunyai kelebihan harga yang rendah, kawasan permukaan yang besar, dan liang -liang yang dibangunkan. Walau bagaimanapun, fasa aktif Ni/AI2O3Pemangkin mudah untuk sinter dan karbon pada suhu tinggi, mengakibatkan pemangkin pemangkin. Oleh itu, penyediaan Ni/AI2O3Pemangkin dengan aktiviti yang baik dan kestabilan yang tinggi telah menjadi tumpuan penyelidikan semasa.
Bagi pemangkin berasaskan NI, bahan tambahan adalah komponen pengubahsuaian utama yang dapat mengubah sifat dan prestasi pemangkin dengan ketara. Prestasi pemangkin dioptimumkan melalui mekanisme yang berbeza, seperti sinergi bimetal, mengubah persekitaran elektronik logam, menghalang pembentukan spesies spinel, meningkatkan penjerapan reaktan dan perantaraan, dan meningkatkan penyebaran logam. Sidik et al. mendapati bahawa dengan menambah CO sebagai pengikat, pemangkin Ni-CO/MSN yang disediakan menunjukkan aktiviti dan kestabilan yang lebih tinggi daripada Ni/MSN. Analisis mengesahkan bahawa aloi Ni-Co membantu mengurangkan saiz zarah Ni dan menyediakan prestasi penyebaran logam yang lebih baik. Paviotti et al. pemangkin Ni-Ru yang disediakan dan mendapati bahawa RU meningkatkan kebolehpercayaan pemangkin berasaskan NI dan meningkatkan kapasiti penjerapan NI untuk h2, dengan itu meningkatkan prestasi pemangkin.
Senario aplikasi reaksi metanasi
Pada masa ini, walaupun perkembangan tenaga boleh diperbaharui telah mencapai hasil yang luar biasa, ia juga menghadapi beberapa cabaran. Kesesakan ini terletak terutamanya dalam ketidakpastian sumber yang boleh diperbaharui, yang boleh menyebabkan lebihan kuasa dan membawa cabaran kepada operasi stabil grid kuasa.
Teknologi PTG Menggunakan Co2Reaksi Methanation, menggunakan hidrogen hijau yang dihasilkan oleh tenaga boleh diperbaharui dan CO2sebagai bahan mentah untuk menjana produk gas asli sintetik, dan oksigen produk sampingan boleh disucikan dan dijual. Menggunakan sepenuhnya haba tindak balas yang berkualiti tinggi dapat mengurangkan kos teknologi PTG. Oleh kerana komponen utama gas asli sintetik yang dihasilkan adalah CH4, ia boleh dihantar terus ke rangkaian saluran paip gas asli, menyedari penyimpanan jangka panjang dan besar-besaran CH4.
Pengeluaran bahan mentah hidrogen
Kaedah utama pengeluaran hidrogen industri termasuk pengeluaran hidrogen gas asli, pengeluaran hidrogen elektrolisis air, pengeluaran hidrogen arang batu, dan pengeluaran hidrogen produk sampingan industri. Kecuali elektrolisis air, pengeluaran hidrogen, kaedah lain memerlukan penggunaan tenaga fosil. Teknologi pengeluaran hidrogen tenaga fosil adalah matang, dan kosnya lebih rendah daripada pengeluaran hidrogen elektrolisis air, tetapi sejumlah besar CO₂ akan dihasilkan semasa proses pengeluaran.
Idealnya, bahan mentah hidrogen teknologi PTG adalah H2 (hidrogen hijau) yang dihasilkan oleh teknologi elektrolisis air gandingan dengan tenaga boleh diperbaharui. Pada masa ini, teknologi elektrolisis air utama adalah teknologi elektrolisis air alkali (AEL), teknologi membran pertukaran proton (PEM), teknologi membran anion (AEM), dan teknologi elektrolisis oksida pepejal (SOEC). Antaranya, teknologi AEL matang dan sesuai untuk pengeluaran hidrogen industri berskala besar, tetapi kadar pengeluaran adalah rendah, dan penggunaan kuasa adalah tinggi. Sebelum tahun 2014, projek elektrolisis air domestik dan asing menggunakan teknologi AEL. Sejak 2015, kapasiti PEM yang dipasang secara beransur -ansur meningkat. Ini disebabkan terutamanya oleh fakta bahawa elektrolisis PEM sesuai untuk keadaan kerja dengan turun naik kuasa yang besar, mempunyai masa permulaan yang lebih pendek, dan bertindak balas dengan lebih cepat kepada turun naik tenaga boleh diperbaharui. Teknologi AEM dan teknologi SOEC tidak matang: mereka kini tidak dapat menyesuaikan diri dengan pengeluaran hidrogen hijau berskala industri.
Co2Pengambilalihan
Co2Dalam reaksi metanasi berasal dari CO2-Dier minyak dan gas yang besar, loji janakuasa arang batu yang besar, loji simen, dan lain-lain. Tumbuhan ini biasanya memancarkan sejumlah besar CO2Semasa operasi, dan CO berkecuali tinggi2boleh didapati menggunakan teknologi penangkapan karbon. Pada masa ini, teknologi penangkapan pasca pembakaran telah digunakan secara meluas di kilang-kilang, terutamanya menggunakan penyerap kimia untuk menangkap Co2dalam gas serombong selepas pembakaran.
Teknologi penangkapan karbon pada dasarnya matang, dan sebilangan besar projek telah dilaksanakan di seluruh dunia. Walaupun teknologi penangkapan karbon dapat mengurangkan kos cukai karbon perusahaan, tiada produk kimia berharga yang dihasilkan dalam keseluruhan proses. Pada masa ini, beberapa CO2teknologi penggunaan dan penyimpanan mempunyai risiko yang berpotensi, seperti CO2Teknologi Banjir dan Teknologi Penyimpanan Bawah Tanah.
Kes Kejuruteraan Teknologi PTG
Pada masa ini, tiada kes-kes peranti PTG komersial berskala besar di negara saya, dan tidak banyak kajian dalam bidang ini. Penyelidikan mengenai teknologi PTG kini berada di negara -negara Eropah, dan Amerika Syarikat dan Jepun juga telah meningkatkan penyelidikan dan pembangunan teknologi ini dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
Chehade et al. menjalankan penyelidikan dan analisis pada 192 projek demonstrasi kuasa-ke-X di 32 negara . 91% projek masih beroperasi, dan 27% daripada projek sedang mempertimbangkan untuk memperluaskan skala pengeluaran: 99 projek menggunakan tenaga boleh diperbaharui yang pertama untuk menghasilkan H2, dan kemudian gunakan teknologi sel bahan api hidrogen atau turbin gas untuk menukar h2ke dalam elektrik dan secara langsung menyuntiknya ke dalam grid kuasa; 69 projek menghasilkan hidrogen hijau dan menggunakan teknologi metanasi untuk menukar H2 menjadi ch4dan menyuntiknya ke dalam rangkaian saluran paip gas asli; Terdapat 154 projek PTG di Eropah, di mana hampir satu pertiga terletak di Jerman.
Wulf et al. Projek-projek kuasa-ke-X yang disiasat di Eropah. Sehingga Jun 2020, sejumlah 220 projek tersebut telah dilaksanakan atau sedang dalam pembinaan dan perancangan di Eropah, dengan pertumbuhan paling cepat dalam projek -projek di Jerman dan Perancis. Pada tahun 2020, 20 negara melaksanakan projek demonstrasi kuasa-ke-X, di mana 44% terletak di Jerman. Kebanyakan projek secara langsung menggunakan elektrik boleh diperbaharui. Satu pertiga daripada projek kuasa-ke-X ditukar H2 ke dalam produk gas lain untuk dijual. Kebanyakan projek menggunakan gas biomas sebagai bahan bakar CO2, sementara yang lain menggunakan gas serombong dari gas asli atau loji kuasa arang batu sebagai bahan makanan CO2 . 66% daripada semua projek yang digunakan reaksi metanasi pemangkin kimia.
Australia juga secara aktif meneroka cara untuk menukar Co2ke Ch4. Southern Green Gas merancang untuk melaksanakan CH yang boleh diperbaharui4projek untuk menghasilkan CH4 menggunakan modul kecil. Modul -modul ini mengandungi panel solar yang membekalkan elektrik kepada elektrolisis. H2 yang dihasilkan oleh elektrolisis bertindak balas dengan CO yang ditangkap2dalam reaktor metanasi untuk menghasilkan ch4, yang kemudiannya disuntik ke dalam rangkaian saluran paip gas asli Australia untuk penyimpanan atau penggunaan komersial. Projek ini menggunakan sistem saluran paip yang sedia ada sebagai kemudahan pengangkutan dan penyimpanan, dengan ketara mengurangkan kos pembinaan infrastruktur: SKID boleh menjadi mandiri, sangat mengurangkan kos operasi; dan menyewa tanah kos rendah terus meningkatkan daya saing projek.
