Per fer front al canvi climàtic i aconseguir un desenvolupament sostenible, la comunitat internacional ha pres una sèrie de mesures per reduir les emissions de CO2, una de les quals és la tecnologia de captura de carboni. En els darrers anys, la tecnologia de captura de carboni s’ha desenvolupat ràpidament i s’utilitza àmpliament, convertint -se en un mitjà important per fer front al canvi climàtic i reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle. No obstant això, el desenvolupament de la tecnologia de captura de carboni encara té molts reptes, com ara els costos de funcionament, el consum d’energia d’equips químics moderns i l’emmagatzematge i el transport de CO2. L'ús de CO2 com a matèria primera i preparant productes industrials valuosos mitjançant mètodes de síntesi química es considera una manera eficaç de resoldre la limitació de la captura de carboni. Paul Sabatier va proposar la reacció de metanació de CO2. Es considera que la reacció de CO2 i H2 per produir CH4 és una tecnologia eficaç per al reciclatge de CO2.
Alguns investigadors han proposat un model de negoci innovador: l’ús de la tecnologia de metanació de CO2 i la tecnologia d’hidrogen verd per produir CH4 per completar l’emmagatzematge d’energia elèctrica en energia química. Aquest model pot convertir l’excés d’electricitat en CH4 per a l’emmagatzematge, resolent el problema de la volatilitat d’energia renovable; L’ús d’instal·lacions de transport i emmagatzematge de gas natural existents pot reduir significativament els costos d’inversió; Promoure el desenvolupament de la tecnologia de captació i utilització de carboni i contribuir a la transició global de l’energia verda. Aquest treball introdueix el desenvolupament de catalitzadors de metanació de CO2 i analitza els escenaris d'aplicacions industrials de la tecnologia Power-to-Gas (Pig) mitjançant la tecnologia de metanació.
Paraules clau:diòxid de carboni, metanació, potència a gas, captura de carboni, emmagatzematge d’energia, pinso d’hidrogen, electròlisi d’aigua
Co2reacció de metanació
Termodinàmica de reacció
Les reaccions següents es produeixen principalment entre h2i C02durant el procés de metanació.
Reacció principal: C02 + 4H2⇄ ch4 + 2H2 O
Δ H=-165.0 kJ/mol
Reacció lateral: C02 + H2 ⇄ C0 + H2 O
Δ H=41.1 kJ/mol
La reacció lateral, també coneguda com la reacció de canvi de gas aigua, és endotèrmica. Quan la reacció arriba a una temperatura determinada, la selectivitat del subproducte augmenta i la selectivitat de CH4disminueix. Per tant, el focus de recerca de co2Els catalitzadors de metanació són desenvolupar catalitzadors amb una alta activitat a temperatures baixes. L'efecte de la pressió i la temperatura sobre els productes de reacció, on la relació de volum dels reactants h2a co2és 4: 1.
Recerca en catalitzador
La superioritat de la reacció de metanació es reflecteix principalment en les seves propietats termodinàmiques i en el potencial teòric per a la velocitat de conversió elevada a temperatura i pressió. Des del C02La molècula s’ha oxidat completament i l’àtom de carboni i l’àtom d’oxigen formen un doble enllaç covalent, l’energia d’activació necessària per a la reacció és molt elevada i es necessita un catalitzador per reduir l’energia d’activació i augmentar així la taxa de conversió.
Els metalls del grup VIII poden millorar la taxa de conversió i la selectivitat en la reacció de metanació i la seva activitat està en ordre descendent: Ru, IR, RH, Ni, CO, OS, PT, Fe, MO, PD, Ag. Quan només es consideren els factors més importants (activitat i selectivitat) de la reacció de metanació, l’activitat està en ordre descendent: Ru, Fe, Ni, CO, MO i la selectivitat està en ordre descendent: Ni, CO, Fe, Ru.
La comparació de rendiment de diferents catalitzadors metàl·lics es mostra a la taula 1. Els sistemes catalítics basats en metalls de transició (Ru, Rh, Pd, etc.) han estat àmpliament desenvolupats. Tenen una excel·lent activitat catalítica i selectivitat en co2Reaccions de metanació! En particular, els catalitzadors basats en Ru mostren una alta activitat i selectivitat a baixa temperatura i condicions moderades. Els estudis han demostrat que en les mateixes condicions de reacció, el 3%Ru/Ai2O3(3% Ru carregat a la IA2O3el transportista, el mateix a continuació) té una selectivitat més elevada per a Ch4del 20%Ni/Ai2O3. Els metalls preciosos (com PT) també tenen una alta activitat i selectivitat en co2Reaccions de metanació, però el seu elevat cost s’ha convertit en l’obstacle principal per a la seva aplicació a gran escala en CO2Metanació. Altres metalls de transició (com Fe i Co) també tenen certa reactivitat química, però la seva selectivitat és baixa i s’utilitzen principalment com a additius per a altres catalitzadors bimetàlics. A causa del seu baix preu i abundants matèries primeres, la majoria de projectes de recerca i industrials utilitzen catalitzadors basats en NI.
Efectes dels suports i additius sobre catalitzadors
Diferents transportistes tenen un gran paper en la preparació i la millora dels catalitzadors. Els portadors d'ús comú són principalment portadors d'oxidants metàl·lics. Aquests portadors augmenten principalment la capacitat d’adsorció dels reactants canviant l’estat d’existència de la fase activa, incloent la morfologia superficial, la dispersió de metalls i les cares de cristall exposades principals, millorant així el rendiment catalític. Els òxids amb propietats específiques s’utilitzen sovint com a portadors de catalitzadors, com ara IA2O3, Sio2, Zro2, CEO2, etc., entre ells, ai2O3és un dels transportistes de catalitzadors més utilitzats perquè té els avantatges de baix preu, gran superfície i porus desenvolupats. Tanmateix, la fase activa de Ni/Ai2O3El catalitzador és fàcil de sinter i carbonitzar a alta temperatura, donant lloc a la desactivació del catalitzador. Per tant, la preparació de Ni/Ai2O3El catalitzador amb una bona activitat i alta estabilitat s’ha convertit en l’actual focus de recerca.
Per als catalitzadors basats en NI, els additius són components de modificació clau que poden canviar significativament les propietats i el rendiment del catalitzador. El rendiment del catalitzador s’optimitza mitjançant diferents mecanismes, com la sinergia bimetàlica, canviant l’entorn electrònic metàl·lic, inhibint la formació d’espècies d’espinel, millorant l’adsorció de reactants i intermedis i millorant la dispersió del metall. Sidik et al. va trobar que afegint CO com a aglutinant, el catalitzador Ni-CO/MSN preparat va mostrar una activitat i una estabilitat més elevades que Ni/MSN. L’anàlisi va confirmar que l’aliatge Ni-CO ajuda a reduir la mida de les partícules Ni i proporciona un millor rendiment de dispersió del metall. Paviotti et al. va preparar els catalitzadors de Ni-Ru i va trobar que Ru va millorar la reducibilitat dels catalitzadors basats en Ni i va millorar la capacitat d’adsorció de Ni2, millorant així el rendiment del catalitzador.
Escenaris d’aplicació de la reacció de metanació
Actualment, tot i que el desenvolupament d’energies renovables ha aconseguit resultats notables, també s’enfronta a alguns reptes. El coll d'ampolla es troba principalment en la imprevisibilitat dels recursos renovables, cosa que pot provocar un excedent de potència i provocar reptes al funcionament estable de la xarxa elèctrica.
La tecnologia PTG utilitza CO2Reacció de metanació, utilitza hidrogen verd produït per energies renovables i CO2com a matèries primeres per generar productes de gas natural sintètic i es pot purificar i vendre l’oxigen subproducte. Fer un ús complet de la calor de reacció d’alta qualitat pot reduir el cost de la tecnologia PTG. Atès que el component principal del gas natural sintètic generat és ch4, es pot enviar directament a la xarxa de gasoducte de gas natural, adonant-se de l'emmagatzematge a llarg termini i a gran escala de CH4.
Producció de matèries primeres d'hidrogen
Els principals mètodes de producció d’hidrogen industrial són la producció d’hidrogen de gas natural, la producció d’hidrogen d’electròlisi d’aigua, la producció d’hidrogen de carbó i la producció d’hidrogen de subproductes industrials. Excepte l’electròlisi d’aigua, la producció d’hidrogen, altres mètodes requereixen l’ús d’energia fòssil. La tecnologia de producció d’hidrogen d’energia fòssil és madura i el cost és inferior a la producció d’hidrogen d’electròlisi d’aigua, però es generarà una gran quantitat de co₂ durant el procés de producció.
L’ideal seria que la matèria primera d’hidrogen de la tecnologia PTG és H2 (hidrogen verd) produït per l’acoblament de la tecnologia d’electròlisi d’aigua amb energies renovables. Actualment, les principals tecnologies d’electròlisi d’aigua són la tecnologia d’electròlisi d’aigua alcalina (AEL), la tecnologia de membrana de protons (PEM), la tecnologia de membrana d’intercanvi d’anions (AEM) i la tecnologia d’electrolis d’òxid sòlid (SOEC). Entre ells, la tecnologia AEL és madura i adequada per a la producció d’hidrogen industrial a gran escala, però la taxa de producció és baixa i el consum d’energia és elevat. Abans del 2014, els projectes d’electròlisi d’aigua domèstica i estrangera utilitzaven la tecnologia AEL. Des del 2015, la capacitat instal·lada de PEM ha augmentat gradualment. Això es deu principalment al fet que els electrolitzadors PEM són adequats per a condicions de treball amb fluctuacions de gran potència, tenen temps d’inici més curts i responen més ràpidament a les fluctuacions de l’energia renovable. La tecnologia AEM i la tecnologia SOEC no són madures: actualment no poden adaptar-se a la producció d’hidrogen verd a escala industrial.
Co2Adquisició
El co2En la reacció de metanació prové de co2-Rich camps de petroli i gas, grans centrals de carbó, plantes de ciment, etc. Aquestes plantes solen emetre una gran quantitat de CO2Durant el funcionament, i CO d’alta puresa2Es pot obtenir mitjançant la tecnologia de captura de carboni. Actualment, la tecnologia de captura de post-combustió s'ha utilitzat àmpliament a les fàbriques, principalment utilitzant absorbents químics per capturar CO2en gas de combustió després de la combustió.
La tecnologia de captura de carboni ha madurat bàsicament i s’han implementat un gran nombre de projectes a tot el món. Tot i que la tecnologia de captació de carboni pot reduir els costos de l’impost sobre el carboni de les empreses, no es produeixen productes químics valuosos en tot el procés. Actualment, alguns CO2Les tecnologies d’utilització i emmagatzematge tenen possibles riscos, com ara co2Tecnologia d'inundació i tecnologia d'emmagatzematge subterrani.
Casos d’enginyeria de tecnologia PTG
Actualment, no hi ha casos de dispositius PTG comercials a gran escala al meu país i no hi ha molts estudis en aquest camp. La investigació sobre tecnologia PTG es troba actualment principalment als països europeus i els Estats Units i el Japó també han augmentat la seva investigació i desenvolupament d’aquesta tecnologia en els darrers anys.
Chehade et al. Es va realitzar investigacions i anàlisis sobre 192 projectes de demostració d’energia a x a 32 països . 91% dels projectes encara estan en funcionament i el 27% dels projectes estudien ampliar l’escala de producció: 99 projectes utilitzen primer energia renovable per produir h2i, a continuació, utilitzeu la tecnologia de pila de combustible o turbines de gas per convertir h2en electricitat i injectar -lo directament a la xarxa elèctrica; 69 projectes produeixen hidrogen verd i utilitzen la tecnologia de metanació per convertir H2 en CH4i injecteu -lo a la xarxa de gasoducte de gas natural; Hi ha 154 projectes PTG a Europa, dels quals gairebé un terç es troben a Alemanya.
Wulf et al. van investigar projectes d’energia a x a Europa. A partir del juny de 2020, un total de 220 projectes d'aquest tipus s'han implementat o estan en construcció i planificació a Europa, amb el creixement més ràpid dels projectes a Alemanya i França. El 2020, 20 països van implementar projectes de demostració d’energia a x, dels quals el 44% es van localitzar a Alemanya. La majoria de projectes utilitzaven directament electricitat renovable. Un terç dels projectes d’energia-x convertit H2 en altres productes de gas en venda. La majoria dels projectes utilitzaven gas de biomassa com a pinso de CO2, mentre que d’altres utilitzaven gas de combustió de gas natural o centrals elèctriques de carbó com a Feedstock de CO2 . 66% de tots els projectes van utilitzar reaccions de metanació catalítica química.
Austràlia també està explorant activament maneres de convertir CO2al cap4. Southern Green Gas té previst implementar un CH renovable4Projecte per produir CH4 mitjançant mòduls petits. Aquests mòduls contenen plaques solars que subministren electricitat als electrolitzadors. La H2 produïda pels electrolisers reacciona amb el CO capturat2en un reactor de metanació per produir ch4, que després s’injecta a la xarxa de canonades de gas natural australià per a ús d’emmagatzematge o ús comercial. El projecte utilitza el sistema de canonades existent com a instal·lació de transport i emmagatzematge, reduint significativament el cost de la construcció d’infraestructures: els patins poden ser autosuficients, reduint molt els costos operatius; I llogar terres de baix cost millora encara més la competitivitat del projecte.
