Сірко-йодний цикл

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Спрощена схема сірко-йодного циклу

Сірко-йодний цикл (S–I цикл) — це тристадійний термохімічний цикл, який використовується для виробництва водню.

Цикл S–I складається з трьох хімічних реакцій, чистим реагентом яких є вода, а чистими продуктами – водень і кисень. Всі інші хімікати переробляються. Процес S–I вимагає ефективного джерела тепла.

Опис процесу[ред. | ред. код]

H 2 O ½O 2
↓ ↑
я 2 → Реакція 1 ← SO 2 +H 2 O ← Окремий
↑ ↓ ↑
2HI ← Окремий → H 2 SO 4 → Реакція 2
↓
H 2

Три реакції, які утворюють водень, такі:

  1. I2 + SO 2 + 2 H2O -тепло → 2 HI + H2SO4 (120 °C (250 °F)); Реакція Бунзена
    • Потім HI відокремлюють дистиляцією або гравітаційним розділенням рідина/рідина.
  2. 2 H 2 SO 4 +тепло → 2 SO2 + 2 H2O + O2 (830 °C (1 530 °F))
    • Воду, SO 2 і залишкову H2SO4 необхідно відокремити від побічного продукту кисню шляхом конденсації.
  3. 2 HI +тепло → I 2 + H2 (450 °C (840 °F))
    • Йод і будь-яка супутня вода або SO2 відокремлюються шляхом конденсації, а продукт водню залишається у вигляді газу.
Чиста реакція: 2 H2O → 2 H2 + O2

Сполуки сірки та йоду відновлюються та повторно використовуються, тому процес розглядається як цикл. Цей S–I процес є хімічним тепловим двигуном. Тепло входить у цикл у високотемпературних ендотермічних хімічних реакціях 2 і 3, а тепло виходить із циклу в низькотемпературній екзотермічній реакції 1. Різниця між теплом, що надходить і виходить із циклу, виходить із циклу у вигляді теплоти згоряння утвореного водню.

Характеристики[ред. | ред. код]

Переваги[ред. | ред. код]

  • Усі рідини (рідини, гази) процеси, тому добре підходять для безперервного виробництва
  • Прогнозується висока теплова ефективність (близько 50%)
  • Повністю закрита система без побічних продуктів або стоків (крім водню та кисню)
  • Підходить для застосування з сонячними, ядерними та гібридними (наприклад, сонячно-викопними) джерелами тепла - якщо можна досягти достатньо високих температур
  • Більш розвинені, ніж конкуруючі термохімічні процеси
  • Можливість масштабування від відносно невеликих до величезних програм
  • Немає необхідності в дорогих або токсичних каталізаторах або добавках
  • Більш ефективний, ніж електроліз води (~70-80% ККД) з використанням електроенергії, отриманої від теплової електростанції (~30-60% ККД) у поєднанні з ~21-48% ККД
  • Відпрацьоване тепло, придатне для централізованого опалення, якщо потрібна когенерація

Недоліки[ред. | ред. код]

  • Потрібні дуже високі температури (щонайменше 850 °C (1 560 °F)) - недосяжно або важко досягти за допомогою сучасних водно-водяних ядерних реактори або концентрованої сонячної енергії
  • Корозійні реагенти, що використовуються як посередники (йод, діоксид сірки, йодоводнева кислота, сірчана кислота); отже, передові матеріали, необхідні для будівництва технологічного апарату
  • Необхідний значний подальший розвиток, щоб бути можливим у великому масштабі
  • У запропонованому температурному діапазоні сучасні теплоелектростанції можуть досягти ефективності (електровиробництво на вхід тепла) понад 50%, дещо зводячи нанівець перевагу ефективності
  • У разі витоку в навколишнє середовище виділяються їдкі та дещо токсичні речовини, серед яких летючий йод та йодистоводородна кислота
  • Якщо водень буде використовуватися для технологічного тепла, необхідні високі температури роблять переваги порівняно з прямим використанням тепла сумнівними.
  • Неможливо використовувати нетеплові або низькоякісні джерела теплової енергії, такі як гідроенергія, енергія вітру або найбільш доступна на даний момент геотермальна енергія

Дослідження[ред. | ред. код]

Цикл S–I був винайдений у General Atomics у 1970-х роках[1]. Японське агентство з атомної енергії (JAEA) провело успішні експерименти з циклом S–I у високотемпературному випробувальному реакторі з гелієвим охолодженням[2][3][4][5], який досяг першої критичності в 1998 році. прагнення використовувати подальші ядерні дуже високотемпературні реактори покоління IV (VHTR) для виробництва промислових кількостей водню. (Японці називають цей цикл циклом IS.) Були розроблені плани випробування більш масштабних автоматизованих систем виробництва водню. Згідно з угодою про Міжнародну ініціативу з дослідження ядерної енергії (INERI), французька CEA, General Atomics і Sandia National Laboratories спільно розробляють сірчано-йодний процес. Додаткові дослідження проводяться в Національній лабораторії Айдахо в Канаді, Кореї та Італії.

Матеріальний виклик[ред. | ред. код]

Цикл S–I передбачає роботу з корозійними хімічними речовинами при температурах приблизно до 1 000 °C (1 830 °F). Вибір матеріалів з достатньою стійкістю до корозії в умовах процесу має ключове значення для економічної життєздатності цього процесу. Запропоновані матеріали включають такі класи: тугоплавкі метали, реактивні метали, суперсплави, кераміка, полімери та покриття[6][7]. Деякі запропоновані матеріали включають сплави танталу, сплави ніобію, благородні метали, сталі з високим вмістом кремнію[8], кілька суперсплавів на основі нікелю, муліт, карбід кремнію (SiC), скло, нітрид кремнію (Si3N4) та інші. Нещодавні дослідження масштабованого прототипування свідчать про те, що нові технології поверхні танталу можуть бути технічно й економічно можливим способом створення більш масштабних установок[9].

Воднева економіка[ред. | ред. код]

Сірчано-йодний цикл був запропонований як спосіб постачання водню для економіки, що базується на водні. Для цього не потрібні вуглеводні, як для сучасних методів парового риформінгу, але потрібне тепло від спалювання, ядерних реакцій або сонячних концентраторів тепла.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.
  2. ↑ HTTR High Temperature engineering Test Reactor. Httr.jaea.go.jp. Архів оригіналу за 3 лютого 2014. Процитовано 23 січня 2014.
  3. ↑ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009
  4. ↑ Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C)
  5. ↑ JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 10 серпня 2017. Процитовано 2 грудня 2022.
  6. ↑ Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 17 січня 2009. Процитовано 2 грудня 2022.
  7. ↑ Wonga, B.; Buckingham, R. T.; Brown, L. C.; Russ, B. E.; Besenbruch, G. E.; Kaiparambil, A.; Santhanakrishnan, R.; Roy, Ajit (2007). Construction materials development in sulfur–iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy. 32 (4): 497—504. doi:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.
  8. ↑ Saramet info sheet (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 14 лютого 2006. Процитовано 2 грудня 2022.
  9. ↑ T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 24 липня 2011. Процитовано 2 грудня 2022.

Список літератури[ред. | ред. код]

  • Пол М. Матіас і Ллойд С. Браун «Термодинаміка сірко-йодного циклу для термохімічного виробництва водню», представлена на 68-му щорічному засіданні Товариства інженерів-хіміків, Японія 23 березня 2003 р. (PDF) .
  • Ацухіко ТЕРАДА; Jin IWATSUKI, Shuichi ISHIKURA, Hiroki NOGUCHI, Shinji KUBO, Hiroyuki OKUDA, Seiji KASAHARA, Nobuyuki TANAKA, Hiroyuki OTA, Kaoru ONUKI та Ryutaro HINO, «Розробка технології виробництва водню шляхом термохімічного розщеплення води IS Process Pilot Test Plan», Journal of Nuclear Наука і техніка, Том 44, № 3, с. 477–482 (2007). (PDF) .

Посилання[ред. | ред. код]

Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Сірко-йодний_цикл&oldid=41364615