CZ39153U1 - Zařízení pro výrobu vodíku z bioplynu pyrolýzou biometanu - Google Patents

Description

Zařízení pro výrobu vodíku z bioplynu pyrolýzou biometanu

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti výroby vodíku a zpracování plynného paliva, konkrétně do odvětví zařízení pro výrobu vodíku z obnovitelných zdrojů a ekologických energetických systémů. Jde o inovativní technologii produkce vodíku z bioplynu pomocí pyrolýzy metanu (biometanu). Tato technologie propojuje obory obnovitelné energie, chemických procesů a environmentálních technologií zaměřených na snižování emisí skleníkových plynů.

Dosavadní stav techniky

V současnosti existuje několik známých způsobů výroby vodíku, z nichž každý má své nevýhody. Elektrolýza vody vyrábí vodík štěpením vody za použití elektrické energie. Výhodou je čistý vodík bez uhlíkových emisí při samotné výrobě, ovšem nevýhodou jsou vysoké nároky na elektrickou energii a vysoká cena vodíku. Elektrolýza vyžaduje také čistou vodu a drahé materiály pro elektrolyzéry. Parní reforming metanu je dnes nejpoužívanější metoda výroby vodíku z fosilních paliv (zejména zemního plynu), ale produkuje značné množství skleníkových plynů a vyžaduje nákladné zařízení na zachytávání COa. Bioplyn vznikající anaerobní fermentací biomasy je v současnosti využíván především ke spalování za účelem výroby elektřiny a tepla, nebo je upravován na biometan pro využití v plynárenské síti. Tato využití však nezahrnují přímou výrobu vodíku a nebrání návratu uhlíku do atmosféry ve formě COa. Pyrolýza metanu, tedy jeho rozklad na vodík a uhlík při vysoké teplotě, je dosud zkoumána převážně pro využití u fosilních zdrojů (turquoise hydrogen) a zatím není běžně rozšířena. Komerční využití pyrolýzy čelí technickým problémům, zejména se zanášením reaktoru uhlíkem a potřebou vysokých teplot. Dosavadní technický stav tedy neposkytuje zařízení, které by kombinovalo výrobu biometanu z bioodpadu a jeho přímou přeměnu na vodík bez tvorby COa při zachování vysoké účinnosti a průmyslové využitelnosti.

Podstata technického řešení

Podstatou předkládaného technického řešení je integrované zařízení pro výrobu vodíku z bioplynu, které minimalizuje tvorbu oxidu uhličitého a efektivně využívá energii v substrátu. Bioplyn získaný anaerobní digescí bioodpadu je nejprve upraven membránovou separací nebo jiným ekvivalentním způsobem na koncentrovaný biometan, z něhož je následně v pyrolýzním reaktoru vyráběn vodík. Pyrolýza probíhá za vysoké teploty bez přístupu kyslíku, čímž dochází k rozkladu metanu na vodík a pevný uhlík. Výsledný vodík je veden do chladicí a čisticí jednotky, která odstraní zbytkové příměsi, zatímco pevný uhlík je separován do zásobníku. Tímto způsobem je zamezeno návratu uhlíku do atmosféry a celý proces vykazuje výrazně negativní uhlíkovou stopu. Energetická účinnost je dále zvyšována využitím odpadního tepla z pyrolýzy k ohřevu fermentoru v bioplynové části zařízení. Řešení je modulární, umožňuje provoz v decentralizovaných podmínkách a přináší významnou přidanou hodnotu oproti spalování bioplynu nebo běžnému reformingu.

Příklady uskutečnění technického řešení

Jedním z možných provedení zařízení je konfigurace sestávající z fermentoru pro anaerobní digesci, membránové separační jednotky, pyrolýzního reaktoru a souvisejících pomocných částí. Fermentor o objemu několika metrů krychlových zpracovává směsný bioodpad při teplotě 37 °C, přičemž vzniká bioplyn obsahující přibližně 60 % metanu a 40 % COa. Tento bioplyn je veden do membránového separátoru, kde dochází k oddělení COa a dalších příměsí. Čistý biometan je následně ohříván v pyrolýzním reaktoru na teplotu kolem 1100 °C, kde se bez přítomnosti kyslíku

- 1 CZ 39153 U1 rozkládá na vodík a saze. Vodík je po vychlazení a filtraci veden do zásobníku pod tlakem, uhlík je separován a odváděn do sběrné nádoby. Odpadní teplo z chladicí jednotky je využíváno k předehřevu fermentoru, čímž se zvyšuje účinnost celého systému. Měřená účinnost přeměny energie bioplynu na vodík přesahuje 65 %, uhlíková stopa je záporná a systém vykazuje stabilní provoz při minimální údržbě.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je využitelné v celé řadě průmyslových odvětví. V energetice může sloužit k výrobě obnovitelného vodíku pro spalování, palivové články nebo ukládání energie. V chemickém průmyslu najde uplatnění při výrobě čpavku, methanolu či jiných chemikálií, kde může nahradit vodík z fosilních zdrojů. V oblasti mobility je technologie vhodná pro výrobu vodíku pro autobusy, nákladní vozidla, vlaky nebo lodě. Díky možnosti decentralizovaného provozu a přizpůsobitelné velikosti je vhodná pro čističky odpadních vod, skládky, zemědělské podniky nebo lokální energetické komunity. Pevný uhlík jako vedlejší produkt má uplatnění jako plnivo do gumárenského průmyslu, při výrobě elektrochemických zařízení nebo jako přísada do půdních substrátů. Celkově řešení umožňuje transformaci bioodpadu na vysoce hodnotný plyn bez emisí skleníkových plynů, s minimálními provozními náklady a vysokou přidanou ekologickou hodnotou.

Claims (2)

1. Zařízení pro výrobu vodíku z bioplynu pyrolýzou biometanu, obsahující jednotku pro úpravu surového bioplynu odstraněním CO2 a příměsí, a navazující pyrolýzní reaktor spojený s výstupem 5 uvedené jednotky, vyznačující se tím, že pyrolýzní reaktor je uzpůsoben k tepelnému rozkladu získaného biometanu na vodík a pevný uhlík v prostředí bez přístupu kyslíku a zahrnuje mechanismus pro kontinuální odstraňování vznikajícího pevného uhlíku z reakční zóny pro zajištění nepřetržitého provozu bez zanášení reaktoru.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pyrolýzní reaktor je vybaven topným systémem 10 pro dosažení a udržení provozní teploty pyrolýzy, přičemž topný systém zahrnuje spalovací jednotku pro dodávku tepla do reaktoru a/nebo elektrický ohřev.