В основе метода лежит термическая деструкция молекул метана под действием тепловой энергии электрической дуги. Получаемые водород и технический углерод разделяются на различных стадиях процесса. Для стабильной работы плазмотрона используется дополнительный инертный газ. После очистки инертный газ возвращается в химический процесс.

Сырье (метан и инертный газ) подается из баллонов (11) в высоковольтный плазмотрон переменного тока (1). Измерение расходов компонентов сырья осуществляется с помощью массовых расходомеров-регуляторов. Под действием высокого напряжения (до 10 кВ) в плазмотроне зажигаются электрические дуги переменного тока (частота питающей сети источника питания 50 Гц). Под действием электрической дуги смесь метана и инертного газа нагревается до высокой температуры (среднемассовая температура до 3000 К).

В результате в высокотемпературной зоне происходят следующие химические процессы: отрыв атомов водорода от молекулы метана, образование частиц C2. По мере охлаждения большая часть частиц C2 превращается в ацетилен, водород и технический углерод. Для снижения концентрации ацетилена в продуктовом газе применяется плазмохимический реактор (2). В плазмохимическом реакторе температура реакционной смеси понижается до 1200°С. При времени пребывания газов в реакторе более 2 секунд большая часть ацетилена разлагается. При этом образуется водород, технический углерод и небольшое количество метана.

В высокотемпературном теплообменнике (3) происходит охлаждение реакционной смеси. Поскольку концентрация пыли (технического углерода) в газе велико, то это может препятствовать эффективному охлаждению газового потока. Поэтому холодильник снабжен устройством для само-очистки.

Газовый поток, охлажденный до 200°С, подается в рукавный фильтр (4), в котором происходит очистка газовой смеси от технического углерода. При повышении гидравлического сопротивления фильтра автоматически срабатывает обратная продувка фильтра. Обратная продувка осуществляется из ресивера (16), содержащего очищенную смесь водорода и инертного газа.

Сырье может содержать небольшое количество серы, которая может инактивировать сорбент для короткоцикловой адсорбции. Поэтому на следующей стадии очистки располагается адсорбер (5) заполненный селективным сорбентом (оксид цинка или подобный).

Очищенный от кислых газов продуктовый газ через ресивер (16) направляется на разделение в блок КЦА (7). Входное давление и массовый расход обеспечивается компрессором (6). При этом образуется очищенный водород с концентрацией не менее 95 %об. и смесь инертного газа и метана. Расход и состав получаемого водорода определяется соответствующими датчиками и расходомерами (15).

Смесь инертного газа и метана с помощью компрессора (9) через газгольдер (10) подается в плазмотрон вместе со свежей порцией чистого инертного газа и метана. Для корректной работы плазмотрона и систем охлаждения применяется система гидрогазообеспечения (12).

Получаемый водород и другие технологические горючие газы подаются в камеру сжигания (8). Подача воздуха для сжигания осуществляется вентилятором (14).

1. Генератор плазмы с системой электропитания
2. Плазмохимический реактор
3. Теплообменник
4. Рукавный фильтр
5. Адсорбер кислых газов
6. Компрессор
7. Блок аппаратов КЦА для отделения водород
8. Камера сжигания
9. Компрессор
10. Газгольдер
11. Газобаллонное хозяйство
12. Система гидрогазообеспечения и управления плазмотроном
13. Система охлаждения
14. Вентилятор
15. Измерение расхода и качества водорода
16. Ресивер
17. Источник питания плазмотрон
18. Диагностическая камера
19. Пульт управления

Основная часть оборудования экспериментальной установки будет изготовлена с учетом возможности перевозки наземным, авиационным и морским транспортом и выполнено в габаритах стандартных морских контейнеров. Оборудование, которое должно быть защищено от воздействия осадков, ветра, дождя или снега будет размещено в контейнерах или выполнено во всепогодном исполнении.

Материальный баланс на переработку 1 кг метана. Принятые потери 1%. Атмосферное
давление.

• Вход:
• Эффективность процесса:           80%
• Метан (CH4)                                       1 кг
• Инертный газ                                   2 кг
• Выход:
• Метан (CH4)                                       0,0099 кг
• Водород (H)                                       0,2475 кг
• Технический углерод (С)              0,7425 кг

Расход энергии на основное оборудование:

• 1) Плазмотрон                                                  200 кВт
• 2) Система управления установкой         6,5 кВт
• 3) Блок разделения газа                              64 кВт
• 4) Компрессор                                                 20 кВт

Затраты электроэнергии на основное оборудование 290,85 кВт.

Энергопотребление вспомогательного оборудования неизвестно, поэтому оно было
принято равным 10% от энергопотребления основного оборудования.

Общее потребление энергии составляет 320 кВт.

• на 1 кг метана – 5,65 кВт⋅ч
• на 1 кг водорода – 22,85 кВт⋅ч

Указанные энергозатраты не учитывают возможную рекуперацию тепловой и
механической энергии. При рекуперации энергии расширения газа в блоке КЦА (блок
короткоцикловой адсорбции), энергозатраты составят 19,9 кВт∙ч на 1 кг водорода.

Кроме того, возможно рекуперировать еще до 60 кВт тепловой энергии из системы
охлаждения. В установке малой производительности применение рекуперации тепла
нецелесообразно в связи с высокими капитальными затратами. В промышленном масштабе с учетом рекуперации тепловой энергии энергозатраты составят 15,6 кВт∙ч на 1 кг водорода.

Хранение и транспортировка водорода в любом виде (газо-образном, сжиженном и тд.) достаточно сложный процесс и требует множества новых технических и технологических решений. Следовательно, водород в ближайшем будущем, скорее всего не будет храниться и транспортироваться в больших объемах (как например, нефть, бензин, газ и тд.). Производиться водород будет ровно в таких объемах, сколько потребляется и максимально близко к месту потребления.

Для крупных потребителей водород в будущем будет производиться в основном на крупных электролизных установках или путем модифицированной технологии ПКМ (с улавливанием СО2). Для малых и средних потребителей водород будет либо перевозиться, либо возможно его производить на месте из природного газа, с использованием разрабатываемой нами плазмо-химической технологии.

Логистика природного газа в ЕС уже хорошо развита (трубопроводы, транспорт, хранение, заправочные станции и т.д.), что существенно облегчает процесс перехода на водород. Так же отсутствует необходимость строить всю сопутствующую инфраструктуру.

Самый быстрый переход на водород предположительно будет именно в области транспорта, поскольку уже существует большое количество готовых технических решений на водороде – автомобили, автобусы, инфраструктура, АЗС, решения для локального производства водорода и т.д. Все эти технологии очень быстро развиваются. Крупные автопроизводители планируют уже к 2040 году полностью прекратить выпуск грузовых автомобилей и автобусов с двигателями внутреннего сгорания. Производители легковых автомобилей собираются это сделать еще быстрее, уже к 2025 году.

Разрабатываемое нами решение, это по сути уже готовый мини-завод. Технологию возможно масштабировать исходя из потребностей различных потребителей, в т.ч. таких как оптовые топливные склады и заправочные станции для автотранспорта. Сейчас нами разрабатывается концепция модульных решений с различной производительностью.

В будущем мы сможем устанавливать наши производственные модули прямо рядом с АЗС. Нет необходимости конкурировать с уже существующими сетями АЗС. Наше решение по производству водорода является составной частью производственно-сбытовой цепи, и за счет низких затрат на производство водорода (прим. 3 евро/кг) + уже существующая инфраструктура природного газ — это решение значительно более удобное и выгодное по сравнению с любыми другими технологиями по производству водорода, особенно в сравнении с электролизом.

Мобильные решения для АЗС (цистерна CNG + модуль производства водорода на одном полуприцепе) так же имеют большую перспективу.

Следующим этапом развития планируется так же разработка промышленных установок со значительно большей производительностью для более крупных потребителей, таких как крупные промышленные предприятия, тепло- и электростанции и тд. Это требует дополнительной проработки концепции и будет реализовано на следующих этапах проекта.

Разрабатываемое нами технологическое решение также позволит производить водород из био-метана, производство которого также активно развивается. По существующим сегодня меркам это позволит сделать весь процесс производства водорода на 100% «зеленым», по критериям ЕС.