Энерготехнологические схемы малотоннажного производства водорода для автомобильных заправочных станций

1.

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МАЛОТОННАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ВОДОРОДА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ
ЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ
Сладковский Дмитрий Андреевич
к.т.н., заведующий кафедрой ресурсосберегающих технологий, СПбГТИ(ТУ)
Д.А. Сладковский1, Д.Э. Яружный2, Е.В. Сладковская1, А.В. Утемов1
1Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
2 ООО «ИНЗАРУС»,
V Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием
ВОДОРОД. ТЕХНОЛОГИИ. БУДУЩЕЕ
24 октября 2024 год

2.

Общая информация о СПбГТИ(ТУ)
Основан в 1828 году. Почти два столетия ведется подготовка
квалифицированных кадров в области химии, химической, нано и
биотехнологий, кибернетики и техники. За годы своего существования
подготовлено более 68 тысяч специалистов.
Обучение в СПбГТИ(ТУ) осуществляется по образовательным программам
среднего
профессионального
образования,
высшего
образования
(бакалавриат,
магистратура,
подготовка
высшей
квалификации
в
аспирантуре). Университет готовит бакалавров по 21 направлению
подготовки, специалистов по 3 специальностям, магистров по 15
направлениям подготовки.
Исследования проводились в отделений:
Кафедра ресурсосберегающих технологий СПбГТИ(ТУ)
Лаборатория «Каталитические технологии» СПбГТИ(ТУ)
Объектами профессиональной деятельности являются процессы и аппараты
химических,
нефтеперерабатывающих,
нефтехимических
и
биотехнологических производств, технологические схемы и установки,
системы управления и проектирования, установки переработки отходов,
утилизации теплоэнергетических потоков, вторичных материалов и т.п.
Партнеры по направлению исследования:
ООО «ИНЗАРУС»
Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе
2

3.

Преобразование и использование энергии
Мировое производство
электроэнергии (2023)
Мировое потребление
энергии по источникам (2023)
Источник: World Energy Statistics and Balances. OECD/IEA 2013
3

4.

Паровой риформинг в составе водородных заправочных станций
4

5.

Температурный режим стадии ПКМ
0,12
14
50
12
40
10
30
8
6
20
4
10
2
0
600
700
800
900
Температура, С
0
1000
Содержание CO и CO2, мол.
доля
16
Проскок метана, %
Содержание Н2, % мол
60
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
500
600
700 800 900
Температура, С
CO
1000
CO2
5

6.

Паровая конверсия метана в промышленном и малотоннажном
исполнении
107 142 кг/день
6

7.

Тематика исследования
Анализ энергетической эффективности различных вариантов интеграции энергетических блоков в производство водорода с
фокусом на метод паровой конверсии метана для обеспечения водородом H35/H70 автомобильных заправочных станций.
Рассматриваются два основных направления интеграции энергетических блоков:
o интеграция паровых турбин в паровые циклы установки;
o выработка тепловой энергии для обеспечения сторонних потребителей (когенерация).
Принципиальная схема перевода реакторных блоков ХТС на энерготехнологическую схему
Sladkovskiy, D.A.,Murzin, D.Y. Integrated power systems for oil refinery and petrochemical processes
/ Energies. 2022. V. 15. № 17. p. 6418.
7

8.

Температурно-энтальпийная диаграмма процесса ПКМ в условиях
малотоннажного синтеза
Анализ процесса ПКМ Pinch методами (расчет на 1 кг/день производительности водорода)
холодные потоки
1615
горячие потоки
Температура, С
1415
1215
1015
Реакция ПКМ
815
615
415
215
15
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
Поток энтальпии, ГДж/ч
С термодинамической точки зрения имеется проблема
конденсации воды в газопродуктовой смеси
Энергия конденсации воды не может использоваться с
высокой эффективностью из за пониженной температуры
процесса конденсации в средах, разбавленных газом
8

9.

Базовая схема ПКМ для крупнотоннажного производства
Экспорт пара
9

10.

Схема ПКМ с интеграцией паровой турбины (турбодетандера)
10

11.

Схема ПКМ с интеграции паровой турбины (турбодетандера)
Параметр
Базовая схема
Схема с
интеграцией
детандера
Разница
Расход природного газа (сырье)
т/ч
28,0
28,0
-
Расход природного газа (топливо)
т/ч
7,1
7,8
0,7
Производительность по водороду
т/ч
10,0
10,0
-
Мощность насоса (базовая)
кВт
36
36
-
Мощность насоса для повышения
давления (добавленная)
кВт
-
246
246
Мощность детандера
кВт
-
8 184
8 184
Тепловой энергии подведено
Энергии получено
(водород+электроэнергия)
Доля преобразования энергии от
природного газа в водород
кВт
482 572
492 322
9 750
кВт
333 364
341 548
8 184
69,1
69,4
0,3
%
на 2% требуется увеличить расход
природного газа
84% добавленной энергии
конвертировано в электроэнергию
+ 0,3% увеличения степени преобразования энергии
11

12.

МАЛОТОННАЖНОЕ ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА ИЗ ПРИРОДНОГО
ГАЗА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ
МВЗС
СВЗС
Концептуальный вид блока риформинга
для мобильной ВЗС
Анализ эффективности энерготехнологической схемы выполняется на примере
ВЗС с локальным производством водорода из природного газа
(разработки ООО «ИНЗАРУС»)
12

13.

Принципиальная технологическая схема установки ПКМ для ВЗС
13

14.

Принципиальная блок-схема производства водорода из природного газа для
обеспечения автомобильных заправочных станций
613 кВт ( 0,5 Гкал/ч)
Для ВЗС 1000 кг/сутки
14

15.

Принципиальная схема интеграции энергетических блоков в состав ВЗС с
локальным производством водорода из природного газа
66 кВт
28 кВт
17 кВт
613 кВт ( 0,5 Гкал/ч)
Для ВЗС 1000 кг/сутки
15

16.

Принципиальная схема интеграции энергетических блоков в состав ВЗС с
локальным производством водорода из природного газа
Параметр
Базовая схема
Схема с
интеграцией
детандера
Разница
Расход природного газа (сырье)
кг/ч
116,6
116,6
-
Расход природного газа (топливо)
кг/ч
48,2
50,7
2,5
Производительность по водороду
кг/ч
41,7
41,7
-
0,2
0,2
-
Мощность насоса (базовая)
Мощность насоса для повышения
давления (добавленная)
т/ч
0,0
0,6
0,6
Мощность компрессора 20 МПа
кВт
66,0
66,0
-
Мощность компрессора 40 МПа
Потери энергии при расширении
газа на стадии КЦА
кВт
16,9
16,9
-
кВт
8,8
8,8
-
Мощность детандера
кВт
-
28,3
28,3
На примере водородной заправочной
станции
с
производительностью
водорода
1000
кг/сутки
интегрированная
паровая
турбина
позволяет обеспечить 33% мощности,
требуемой на сжатие водорода в
компрессорах К-2, К-3.
В
стоимостном
выражении
это
соответствует снижению операционных
затрат на 5%.
16

17.

Принципиальная схема интеграции энергетических блоков в состав ВЗС с
локальным производством водорода из природного газа
Параметр
Базовая
схема
Схема с
интеграцией
детандера
Разница
Сырье (природный газ)
млн. руб./год
11,7
11,9
+0,18
Электроэнергия
млн. руб./год
2,8
1,9
-0,93
Операционные затраты
млн. руб./год
14,5
13,8
-0,76
Удельные операционные
затраты на производство
водорода
руб./кг
водорода
43,6
41,3
-2,27
6 200 руб/ тыс. м3 природного газа
В стоимостном выражении это соответствует
4,2 руб/кВт-ч электроэнергии
снижению операционных затрат на 5%.
17

18.

Проблемы трансформация энергобаланса использования энергии
18

19.

Спасибо за внимание!
Сладковский Дмитрий Андреевич
Dmitry.sla@gmail.com