PL248755B1 - Sposób sprężania wodoru do wysokich ciśnień przy zastosowaniu CO2 w stanie nadkrytycznym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób sprężania wodoru do wysokich ciśnień przy zastosowaniu CO2 w stanie nadkrytycznym, charakteryzujący się tym, że strumień gazu bogaty w wodór (3) miesza się w komorze mieszania (II) z strumieniem CO2 w jego punkcie krytycznym w temperaturze 36°C i pod ciśnieniem 72 bar, po czym otrzymany strumień mieszaniny wodoru i CO2 (5) poddaje się sprężaniu do uzyskania wymaganego wysokiego ciśnienia, a następnie sprężoną mieszaninę wodoru i CO2 strumieniem (6) kieruje się do elektrolizera węglanowego (IV), w którym pod wpływem przepuszczonego prądu elektrycznego (2) rozdziela się sprężoną mieszaninę (6) na strumień sprężonego wodoru (7) i strumień CO2 (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób efektywnego sprężania wodoru do wysokich ciśnień przy zastosowaniu CO2 w stanie nadkrytycznym.

Sprężanie wodoru do wysokich ciśnień jest niezbędne dla wielu zastosowań, takich jak magazynowanie energii, zasilanie ogniw paliwowych i transport wodoru. Magazynowanie wodoru jest uznawane za kluczową technologię umożliwiającą udaną komercjalizację pojazdów napędzanych wodorem. Oprócz konwencjonalnych metod magazynowania, tj. butli gazowych pod wysokim ciśnieniem i ciekłego wodoru, znana jest fizyczna absorpcja wodoru na materiałach o dużej powierzchni właściwej, interkalacja wodoru z metalami i złożonymi wodorkami oraz magazynowanie wodoru w oparciu o metale i wodę [Andreas Zuttel, Material for hydrogen storage, Materials Today, 6, 9, 2003, 24-33; Sunita Satyapal i wsp., The U.S. Department of Energy’s National Hydrogen Storage Project: Progress towards meeting hydrogen-powered vehicle requirements, Catalysis Today, 120, 3-4, 2007, 246-256].

Obecne metody sprężania wodoru są bardzo energochłonne i wymagają wielu etapów sprężania ze względu na niekorzystne właściwości termodynamiczne wodoru, takie jak wysokie ciepło właściwe. Znane w stanie techniki sposoby sprężania wodoru mają niskie współczynniki sprawności energetycznej, co sprawia, że są nieefektywne i nieekonomiczne na dużą skalę. Sprężanie wodoru wymaga dużych ilości energii, co zwiększa koszty operacyjne. Natomiast konwencjonalne systemy sprężania wodoru muszą być złożone i wielostopniowe, aby osiągnąć wysokie ciśnienia, co podnosi koszty inwestycyjne i operacyjne.

Istnieje zatem potrzeba opracowania sposobu sprężania wodoru, który byłby bardziej energooszczędny i wydajny, co przyczyniłoby się do lepszego zrozumienia procesów termodynamicznych gazów. Dodatkowo należy poprawić sprawność i opłacalność systemów wodorowych, gdyż redukcja kosztów sprężania wodoru oraz zwiększenie jego dostępności i efektywności ma kluczowe znaczenie dla rozwoju gospodarki wodorowej, co ma bezpośredni wpływ na sektor energetyczny i przemysłowy.

Proponowane rozwiązanie polega na usprawnieniu sposobu sprężania wodoru do wysokich ciśnień poprzez wykorzystanie właściwości fizycznych dwutlenku węgla (CO 2) w stanie nadkrytycznym. Nadkrytyczne sprężanie wodoru (SHC) umożliwia zmniejszenie liczby stopni sprężania, co prowadzi do znacznych oszczędności energetycznych oraz poprawy efektywności procesu sprężania wodoru.

Zgodnie z wynalazkiem sposób sprężania wodoru do wysokich ciśnień przy zastosowaniu CO2 w stanie nadkrytycznym, charakteryzuje się tym, że strumień gazu bogaty w wodór miesza się w komorze mieszania z strumieniem CO2 w jego punkcie krytycznym w temperaturze 36°C i pod ciśnieniem 72 bar, po czym otrzymany strumień mieszaniny wodoru i CO2 poddaje się sprężaniu do uzyskania wymaganego wysokiego ciśnienia, a następnie sprężoną mieszaninę wodoru i CO2 strumieniem kieruje się do elektrolizera węglanowego, w którym pod wpływem przepuszczonego prądu elektrycznego rozdziela się sprężoną mieszaninę na strumień sprężonego wodoru i strumień CO2.

Korzystnie w sposobie według wynalazku wysokie ciśnienie wynosi 1000 bar.

Korzystnie w sposobie według wynalazku elektrolizer węglanowy składa się z ciekłych węglanów litu i sodu, lub litu i potasu.

Korzystnie, gdy elektrolizer węglanowy pracuje w temperaturze 650°C.

Korzystnie w sposobie według wynalazku strumień bogaty w wodór wytwarza się w wyniku elektrolizy wody w elektrolizerze pod wypływem przepuszczonego prądu elektrycznego.

Korzystnie gdy napięcie prądu wynosi od 1.8 do 2.4 V.

Korzystnie w sposobie według wynalazku strumień CO2 zawraca się ponownie do komory mieszania.

Superkrytyczne sprężanie wodoru (Supercritical Hydrogen Compression - SHC) według wynalazku umożliwia efektywne sprężanie wodoru do bardzo wysokich ciśnień poprzez wstępne zmieszanie go z dwutlenkiem węgla (CO2) w punkcie krytycznym. Proces ten wykorzystuje unikalne właściwości CO2, które w stanie nadkrytycznym (przy temperaturze około 36°C i ciśnieniu 72 bar) znacząco redukują energię wymaganą do sprężania mieszaniny gazów. Dzięki korzystnym właściwościom termodynamicznym CO2 w stanie superkrytycznym, proces sprężania wodoru według wynalazku jest bardziej efektywny energetycznie. Tradycyjne metody sprężania wodoru wymagają wielu stopni sprężania ze względu na jego niekorzystne współczynniki termodynamiczne. W SHC według wynalazku, dzięki mieszaniu wodoru z CO 2, można zredukować liczbę tych stopni, co obniża koszty i zwiększa wydajność. Technologia ta pozwala na efektywne oddzielanie CO 2 od wodoru po osiągnięciu wymaganego ciśnienia, umożliwiając utrzymanie stabilnych warunków ciśnieniowych i temperaturowych.

Korzyści płynące z zastosowania technologii według wynalazku obejmują efektywność kosztową, mniejszą liczbę stopni sprężania i wykorzystanie tańszych procesów separacji gazów, co przekłada się na niższe koszty operacyjne. Przyjazność dla środowiska wynika z redukcji zużycia energii i możliwości recyklingu CO2, co czyni proces bardziej zrównoważonym. Dodatkowo, sposób według wynalazku jest bardziej efektywny energetycznie, co pozwala na sprężanie wodoru do bardzo wysokich ciśnień (np. 1000 bar) w sposób bardziej ekonomiczny. Technologia według wynalazku może znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle energetycznym, gdzie jest kluczowe magazynowanie wodoru w wysokich ciśnieniach, co jest niezbędne dla energetyki wodorowej i ogniw paliwowych. W przemyśle chemicznym efektywne sprężanie wodoru jest istotne w procesach syntezy chemicznej, takich jak produkcja amoniaku. W sektorze transportowym możliwość efektywnego sprężania wodoru do wysokich ciśnień może przyczynić się do rozwoju infrastruktury wodorowej dla pojazdów napędzanych wodorem. Dodatkowo, technologia ta może wspierać inicjatywy związane z redukcją emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń powietrza przyczyniając się do poprawy jakości powietrza i zdrowia publicznego. Zatem technologia według wynalazku wspiera zrównoważony rozwój poprzez redukcję emisji CO 2 i efektywne wykorzystanie zasobów energetycznych. Korzyści dla użytkowników i społeczeństwa obejmują niższe koszty energetyczne, zwiększoną dostępność wodoru jako czystego źródła energii oraz ochronę środowiska poprzez redukcję emisji i efektywne wykorzystanie CO2. Technologia według wynalazku może przyczynić się do większej dostępności wodoru jako czystego źródła energii, wspierając przejście na gospodarkę niskoemisyjną.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku Fig. 1, który przedstawia schemat sprężanie wodoru przy zastosowaniu CO2 w stanie superkrytycznym, gdzie: I oznacza elektrolizer, II oznacza komorę mieszania wodoru z CO2 w jego punkcie krytycznym, III oznacza sprężarkę do sprężania mieszanki wodoru i CO2 do wymaganego wysokiego ciśnienia, IV oznacza węglanowy elektrolizer (Molten Carbonate Electrolysis) do oddzielania wodoru od CO2 przy zachowaniu wysokiego ciśnienia i temperatury, 1 oznacza wodę, 2 oznacza prąd elektryczny (napięcie na pojedynczej celi elektrolizera wynosi od 1.8 do 2.4 V), 3 oznacza gazowy H2, 4 oznacza CO2, 5 oznacza mieszaninę: CO2 + H2, 6 oznacza sprężoną mieszaninę CO2 + H2, 7 oznacza sprężony H2.

Przykładowa realizacja sposobu według wynalazku przedstawiona na Fig. 1 polega na efektywnym sposobie sprężania wodoru do wysokich ciśnień poprzez zmieszanie w komorze mieszania II strumień gazu bogatego w wodór 3 z strumieniem CO2 4 w jego punkcie krytycznym, który wynosi temp. 36°C i pod ciśnieniem 72 bar. Strumień bogaty w wodór 3 można otrzymać w wyniku elektrolizy wody 1 w elektrolizerze I pod wpływem przepuszczonego prądu elektrycznego 2 o napięciu prądu równym od 1.8 do 2.4 V.

W stanie nadkrytycznym CO2 4 ma właściwości zarówno cieczy, jak i gazu, co umożliwia efektywne sprężanie mieszanki. Następnie mieszanina wodoru i CO2 5 jest sprężana za pomocą sprężarki III przy znacznie niższych wymaganiach energetycznych niż w przypadku sprężania czystego wodoru. Dzieje się tak dzięki korzystnym właściwościom termodynamicznym CO2 w stanie nadkrytycznym, które zmniejszają ciepło właściwe mieszanki. Proces sprężania kontynuuje się, aż do osiągnięcia wymaganego wysokiego ciśnienia, np. 1000 bar. Dzięki wykorzystaniu superkrytycznego CO2, proces ten wymaga mniejszej liczby stopni sprężania, co znacznie upraszcza konstrukcję i eksploatację urządzeń sprężających.

Po osiągnięciu docelowego wysokiego ciśnienia, mieszanka wodoru i CO2 6 jest kierowana do procesu separacji, na przykład za pomocą elektrolizera węglanowego IV (Molten Carbonate Electrolysis), w którym elektrolit składa się z ciekłych węglanów litu i sodu, lub litu i potasu, pracuje w temperaturze 650°C, co pozwala na efektywne oddzielenie CO2 od sprężonego wodoru 7 przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego ciśnienia i temperatury. Dzięki temu, liczba etapów sprężania wodoru jest znacznie zredukowana, co prowadzi do zmniejszenia kosztów i zwiększenia efektywności procesu. Oddzielony strumień CO2 4 może być następnie opcjonalnie odzyskany za pomocą systemu odzysku CO2 i ponownie użyty w procesie sprężania, co dodatkowo zwiększa efektywność całego układu.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób sprężania wodoru do wysokich ciśnień przy zastosowaniu CO2 w stanie nadkrytycznym, znamienny tym, że strumień gazu bogaty w wodór (3) miesza się w komorze mieszania (II) z strumieniem CO2 (4) w jego punkcie krytycznym w temperaturze 36°C i pod ciśnieniem 72 bar, po czym otrzymany strumień mieszaniny wodoru i CO2 (5) poddaje się sprężaniu do uzyskania wymaganego wysokiego ciśnienia, a następnie sprężoną mieszaninę wodoru i CO2 strumieniem (6) kieruje się do elektrolizera węglanowego (IV), w którym pod wpływem przepuszczonego prądu elektrycznego (2) rozdziela się sprężoną mieszaninę (6) na strumień sprężonego wodoru (7) i strumień CO2 (4).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wysokie ciśnienie wynosi 1000 bar.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolizer węglanowy (IV) składa się z ciekłych węglanów litu i sodu, lub litu i potasu.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że elektrolizer węglanowy (IV) pracuje w temperaturze 650°C.
5. 5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że strumień bogaty w wodór (3) wytwarza się w wyniku elektrolizy wody (1) w elektrolizerze (I) pod wypływem przepuszczonego prądu elektrycznego (2).
6. 6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że napięcie prądu wynosi od 1.8 do 2.4 V.
7. 7. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że strumień CO2 (4) zawraca się ponownie do komory mieszania (II).