مقدمه
منابع سوختهای فسیلی در سراسر جهان به سرعت در حال کاهش است. در حالی که مصرف انرژی در جهان افزایشی روزافزون یافته است. این موضوع نیاز به منابع جایگزین و جدید انرژی را بیشتر کرده انرژی اولیه دنیا را تأمین میکنند و این 80 است. علاوه بر این، سوختهای فسیلی در حال حاضر %75 مساله آسیب بزرگی را به محیط زیست وارد میسازد.
تغییر منابع انرژی متداول و تبدیل آن به انرژیهای تجدیدپذیر یک نیاز فوری برای جلوگیری از پیامد فوق میباشد. البته منابع جدید انرژی باید از نظر کمی و کیفی قابلیت جایگزینی سوختهای فسیلی را داشته باشد. انتظار میرود که هیدروژن با ظرفیت بالایی که از انرژی دارد، بتواند راه حل مناسبی برای حل این مشکل باشد.
هیدروژن یک شکل ثانویه انرژی است که با استفاده از سه دسته سیستمهای تأمین انرژی، شامل سوختهای فسیلی (زغال سنگ؛ نفت، گاز طبیعی و غیره)، راکتورهای هسته ای مثل راکتورهای شکافت هسته ایی و بارورکننده ها و منابع تجدید شدنی انرژی( نیروی برق- آبی ، مولدهای برق نوری ، نیروی باد، سیستم های تبدیل انرژی گرمایی اقیانوس شامل تولید بیومس ، سیستمهای گرمایی خورشیدی و غیره) تولید میشود.
مصارف هیدروژن
هیدروژن در صنایع مختلف کاربردهای بسیاری دارد. در ادامه به توضیح چند مورد میپردازیم.
اهمیت هیدروژن در پالایشگاه به دلیل کاربرد آن در تخلیص یا تبدیل سایر فرآورده های پالایشگاهی است. فرآیندهای پالایشگاهی مصرف کننده هیدروژن عبارتند از:
- گوگردزدایی با هیدروژن
- فرایندهای هیدروژناسیون
- هیدروکراکینگ
- شکستن هیدروژنی ترکیبات سنگین
- مصارف سوختی
هیدروژن و پیل سوختی
استفاده از انرژیهای نو یک انتخاب نیست بلکه یک ضرورت است و دستیابی به توسعه پایدار بدون توجه به فناوریهای برتر و ابزارهای نوین امری محال است و لازمه این دستیابی درک تحول سریع جهانی است. امروزه روند افزایشی تقاضا برای انرژی در جهان از یک سو و کاهش منابع انرژی فسیلی از سوی دیگر، جهان را در مقابل چالشی بزرگ برای تأمین انرژی آینده خود قرار داده است.
در همین راستا دیدگاه نوینی برای استفاده از هیدروژن با توجه به خصوصیات منحصر به فرد آن ایجاد شده است. از جمله خصوصیات هیدوژن می توان به فراوانی، انتشار بسیار ناچیز آلایندهها، برگشت پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه ای اشاره نمود. کاربرد هیدروژن به عنوان سوخت موجب کاهش آلاینده های زیست محیطی و حذف اکسیدهای گوگرد و اکسیدهای کربن ناشی از احتراق سوختهای فسیلی می گردد.
یکی از راه های تبدیل هیدروژن به رایج ترین انواع انرژی های مورد نیاز مانند الکتریسیته و گرما، استفاده از پیل سوختی میباشد. پیل‌های سوختی نوعی مبدل انرژی می باشند که انرژی شیمیایی یک سوخت را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می نمایند. سوخت عمده این پیل ها هیدروژن و یا سایر گازهای هم خانواده هیدروژن یعنی گاز طبیعی یا متانول می باشد که در اثر سوختن این گازها تنها مقداری آب و حرارت تولید می شود که موجب کاهش آلایندههای زیست محیطی و حذف اکسید های گوگرد و کربن ناشی از احتراق سوخت های فسیلی می گردد. این فناوری از جهت عدم تولید آلایندههایی مانند اکسیدهای نیتروژن، مونواکسیدکربن و هیدروکربن‌های نسوخته، بی همتاست.
پیل سوختی
شکل ظاهری همه پیل سوختی‌ها یکسان است. دو الکترود ، آند و کاتد اجزای سازنده آن را تشکیل می دهند که به دور یک الکترولیت (جامد یا مایع) پیچیده شدهاند. یک مدار خارجی دو الکترود را به هم اتصال داده و الکترونهای اطراف مدار را به جریان الکتریسیته تبدیل می کند. درحقیقت واکنش شیمیایی میان عناصر اکسیژن و هیدروژن در پیل سوختی سبب تولید یک انرژی پاک می شود. تنها محصول جانبی حاصل از این فرایند، آب است.
همان طور که درشکل مشاهده می شود، در آند پیل سوختی هیدروژنی واکنش اکسیداسیون انجام می گردد و الکترون تولید شده وارد مدار خارجی شده و سپس به کاتد وارد می شود ،یون مثبت تولیدی در آند با عبور از الکترولیت به قسمت کاتد رفته و در حضور کاتالیزور با اکسیژن هوا و الکترونی که از مدار خارجی به قسمت کاتد وارد شده است ترکیب و به آب تبدیل می گردد.
پیل های سوختی از قوانین حاکم بر ماشین های گرمایی تبعیت نمی کنند، از این رو بازدهی آنها به سه برابر ماشین‌های گرمایی می رسد. بر اساس نوع و طراحی، بازدهی الکتریکی پیل های سوختی حدود ۴٠ تا ۶٠ درصد (کمترین ارزش گرمایی) می باشد. بازدهی پیل سوختی ثابت و مستقل از اندازه آنها است. وقتی که از گرمای خروجی آنها نیز استفاده شود بازدهی شان تقریبا به ٨۵ درصد می رسد.
به دلیل بازده بالا (شکل ١-١) و عدم تولید ذرات جامد، در مقایسه با طرح های متداول تولید برق، پیل های سوختی می توانند تا ۵٠ % تولید دی اکسید کربن را کاهش دهند، که از این جهت یک فناوری جذاب برای مصرف تمیز سوختهای فسیلی به شمار می آیند. مزایای نسبتاً زیاد دیگر آن از جمله طول عمر بسیار زیاد،آلودگی صوتی ناچیز، کاهش مصرف سوخت و… آینده درخشانی در استفاده از این تکنولوژی رقم خواهد زد.
روش های تولید هیدروژن
تولید هیدروژن از گاز طبیعی
ریفورمینگ بخار آب و متان فرآیندی است که در آن گاز طبیعی و یا هر جریان دارای متان که ترکیبی از هیدروکربن های سبک را در خود دارد مثل زیست گاز یا گاز دفن زباله آنان ،پروپان بوتان پنتان و نفتای سبک و سنگین در حضور یک کاتالیست با بخار آب واکنش میدهد تا هیدروژن و کربن دی اکسید تولید نماید.
تولید هیدروژن از نفت از طریق ریفورمینگ حرارتی اتوماتیک
اکسیداسیون جزئی یک روش جایگزین به جای ریفورمینگ متان و بخار آب است و به طور معمول برای هیدروکربن های مرتبه بالاتر یا در حالتی که اکسیژن خالص در دسترس باشد ترجیح داده میشود.
تولید هیدروژن از زغال سنگ
هیدروژن را میتوان در فرآیند اکسیداسیون جزئی که معمولا با نام گازیسازی شناخته میشود از سوختهای هیدروکربندار مثل زغال سنگ، پسماندهای نفتیِ سنگین و محصولات کم ارزش پالایشگاه ها تولید کرد.
تولید هیدروژن توسط الکترولیز
تولید هیدروژن پاک بدون وجود ناپاکی های کربن و سولفور یکی از مزیتهای استفاده از الکترولیز به حساب می آید. روشهای مختلفی جهت الکترولیز وجود دارد تا به امروز رایج ترین و توسعه یافته ترین آنها روشهایی مثل الکترولیز آب قلیایی، غشاء تبادل پروتون سلولهای الکترولیز اکسید جامد الکترولیز آب و الکترولیز در دمای بالا هستند. با این که روشهای مختلفی جهت تولید هیدروژن از منابع انرژی تجدیدپذیر وجود دارد تنها روش عملی حال حاضر الکترولیز است.
روش غشای تبادل یون
با این که فرآیند الکترولیز آب از حدود ۲۰۰ سال پیش شناخته شده و میتوان به سادگی از این فرایند هیدروژن فوق خالص تولید کرد مصرف بالای برق دستگاههای الکترولیز آن باعث میشود تا هزینه ی تولید آن نتواند با تکنولوژی های بزرگ مقیاس دیگر رقابت کند و به همین دلیل تنها ۵% از کل مقدار تولید هیدروژن از این روش تولید می شود.
تولید هیدروژن از زیست توده توسط فرآیندهای تبدیل ترموشیمیایی
زیست توده در آینده ممکن است مناسب ترین جایگزین ارگانیک به جای نفت باشد. زیست توده از بین منابع تجدید پذیر در ایالات متحده ی آمریکا بعد از نیروی هیدروالکتریکی دومین منبع انرژی اصلی به حساب می آید ، زیست توده از منابع مختلفی مثل ضایعات حیوانی ضایعات جامد شهری باقی مانده ی محصولات مزارع کشاورزی درخت های با رشد سریع ضایعات مزارع کشاورزی خاک اره گیاهان آبزی گونه های علفی با رشد سریع مثل جمن کاغذهای باطله، ذرت و بسیاری موارد دیگر به دست می آید،زیست توده را میتوان از طریق فرآیندهای تکنیکی متفاوت مثل گوارش جانداران ناهوازی تخمیر پردازش متابولیک تبدیل فشار فوق بحرانی آب گونه سازی فتوسنتز مصنوعی هیدرولیز.
شرح فرآیند
تولید هیدروژن از گاز طبیعی یکی از رایج‌ترین روشهای تولید این عنصر پرکاربرد است. این فرآیند که به اصلاح بخار متان یا Steam Methane Reforming (SMR) معروف است، شامل واکنش‌های شیمیایی مختلفی میشود که در ادامه به بررسی آنها میپردازیم:
واکنش‌های اصلی:
- اصلاح بخار متان: در این واکنش اصلی، متان (CH4) که جزء اصلی گاز طبیعی است، با بخار آب (H2O) در دمای بالا (700 تا 1100 درجه سانتیگراد) و در حضور کاتالیزور (معمولاً نیکل) واکنش میدهد و هیدروژن (H2) و مونوکسید کربن (CO) تولید می‌کند:
CH4 + H2O → CO + 3H2
- واکنش وُت-شیفت: این واکنش برای تبدیل مونوکسید کربن (CO) به هیدروژن (H2) و دی‌اکسید کربن (CO2) استفاده میشود:
CO + H2O → CO2 + H2
واکنش‌های جانبی:
- واکنش متاناسیون: در این واکنش، مونوکسید کربن (CO) با هیدروژن (H2) واکنش میدهد و متان (CH4) و آب (H2O) تولید می‌کند:
CO + 3H2 → CH4 + H2O
- واکنش بوز-مِدن: در این واکنش، متان (CH4) و بخار آب (H2O) به دی‌اکسید کربن (CO2) و هیدروژن (H2) تبدیل می‌شوند:
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
مزایای تولید هیدروژن از گاز طبیعی:
- فراوانی: گاز طبیعی یک منبع فسیلی فراوان و نسبتاً ارزان است.
- قابلیت اطمینان: فناوری تولید هیدروژن از گاز طبیعی به خوبی توسعه یافته و بالغ است و از نظر عملیاتی بسیار قابل اعتماد است.
- تولید متمرکز: هیدروژن را میتوان به طور متمرکز در واحدهای بزرگ تولید کرد که این امر می‌تواند حمل و نقل آن را آسان‌تر کند.
- کاربردهای متنوع: هیدروژن در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله تولید برق، حمل و نقل، پالایش و تولید مواد شیمیایی استفاده میشود.
شبیه سازی فرایند تولید هیدروژن از گاز طبیعی
شبیه‌سازی فرآیند به منظور بررسی اقتصادی فرآیند تا انتهای فرایند تولید سوخت پاک ، در نرم افزار اسپن هایسیس ورژن 12.1 انجام شده است.
محاسبات فنی و اقتصادی فرآیند تولید هیدروژن
تجهیزات زیر برای محاسبات اقتصادی در نظر گرفته شده است:
و همچنین محاسبات TPC , FCI با احتساب پیل سوختی و بدون پیل سوختی
نتیجه گیری
همانطور که می‌دانید، هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی پاک و کارآمد، توجه بسیاری از محققان و صنایع را به خود جلب کرده است. یکی از روشهای رایج تولید هیدروژن، ریفرمینگ بخار گاز طبیعی است. پیل‌های سوختی نیز دستگاه‌هایی هستند که انرژی شیمیایی هیدروژن را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.
شبیه‌سازی و تحلیل اقتصادی این فرآیند، به ما امکان میدهد تا بهینه‌ترین شرایط عملیاتی را برای تولید هیدروژن با خلوص بالا و هزینه کم پیدا کنیم و همچنین کارایی کلی سیستم تولید برق از هیدروژن را ارزیابی نماییم.
شبیه سازی و تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن از گاز طبیعی به منظور استفاده در پیل‌های سوختی
در این پروژه، شبیه‌سازی و تحلیل اقتصادی فرآیند تولید هیدروژن از گاز طبیعی به منظور استفاده در پیل‌های سوختی با نرم افزار اسپن هایسیس نسخه 12.1 انجام شده است.
جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر از طریق لینک زیر اقدام نمایید. با خرید این پروژه تمامی جداول تحلیل اقتصادی نظیر( TPC-TCI-FCI-WCI-Aspen Hysys simulation– گزارش ورد-پاورپوینت و ….) برای شمال ارسال میشود.