Ученые из Университета Докуз Эйлюль и Технического университета Йылдыз в Турции, а также Онтарийского технологического университета в Канаде разработали систему для одновременного производства и сжижения водорода и синтетического метана. При стоимости электроэнергии 3 цента за кВт·ч расчетная себестоимость жидкого водорода в такой системе может составить около 2,2 доллара за кг, а срок окупаемости установки насчитывает менее двух лет.
Водород и синтетический метан рассматриваются в качестве низкоуглеродных энергоносителей, однако в газообразном состоянии они имеют сравнительно низкую объемную плотность. Поэтому для хранения и транспортировки их приходится либо сжимать, либо переводить в жидкое состояние. Особенно сложен этот процесс для водорода, который необходимо охладить примерно до -253 oC. Сжижение требует больших затрат электроэнергии и повышает конечную стоимость топлива.
Ученые предложили объединить производство обоих видов топлива и их сжижение в одной системе. Сначала электролизер расщепляет воду на водород и кислород. Часть полученного водорода направляется на сжижение, а другая часть смешивается с уловленным CO2 и поступает в реактор метанирования. Там при температуре 300 oC углекислый газ взаимодействует с водородом с образованием метана и воды. Полученный синтетический метан также направляется на сжижение.
При этом тепло, выделяющееся в электролизере и при производстве метана, не теряется. Его используют в органическом цикле Ренкина для выработки электроэнергии, которая частично обеспечивает работу компрессоров и насосов. Для сжижения водорода и метана используется общая система охлаждения. Сначала контур со смешанным хладагентом предварительно охлаждает оба газа, после чего четырехступенчатая система охлаждения позволяет довести их до криогенных температур.
Расчеты показали, что данное решение способно обеспечить производство около 50 тонн жидкого водорода и 8 тонн сжиженного синтетического метана в сутки при потреблении около 143 МВт мощности. Энергетическая эффективность установки составила 52%. Основные потери полезной энергии происходят в электролизере.
При базовых условиях себестоимость жидкого водорода составляет около 5,6 доллара за кг, чистая годовая прибыль достигает почти 27 млн. долларов, а расчетный срок окупаемости установки слегка превышает шесть лет. Сильнее всего эти показатели зависят от стоимости электроэнергии. Стоимость синтетического метана влияет на экономические показатели значительно слабее.
Ученые планируют оптимизировать параметры системы и оценить риски ее внедрения и воздействие на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла. Кроме того, они намерены изучить работу установки в динамическом режиме, учитывая изменения нагрузки и постепенную деградацию электролизера.
