Сутекті өндіру тәсілдері
Сутек өндірісі – бастауын өткен ғасырлардан алатын коммерциялық жүйесі бар, өте үлкен, заманауи өнеркәсіп. Ғаламда сутек екі түрлі әдіспен өндіріледі. Біріншісі – нитроген мен сутекті қосу арқылы аммонийді (NH₃) синтездеу. Екіншісі – мұнай өңдейтін зауыттардағы мұнайды жоғарғы қысымда гидро-өңдеу немесе гидро-тазалау. Бұл процессте ауыр дымқыл мұнай транспорт отынына айналу немесе өңделген жанармайды тазарту жұмыстары жүргізіледі.
Жаһандық жылдық өндіру шамамен 45 миллиард килограмм немесе нормадағы 500 миллиард м³ (норма: 1 атм. қысым мен 0ºС-дағы кубтық метр) құрайды. Сутекті төменде талқыланатын дәстүрлі отын түрлерінен әр түрлі процесстер арқылы өндіреді[5]:
| Шығу тегі | Саны (млд. Нм³/г) | Пайызы ( %) |
| Табиғи газ | ||
| Мұнай | ||
| Көмір | ||
| Электролиз | 20 | 4 |
| Жалпы |
Табиға газ (метан, СН₄) – бүгінгі күндегі сутектің ең көп таралған қоры[6]. Метан әлемнің жартысынан жуық және АҚШ-тың 90 пайыз сутек мөлшерін өндіреді[7]. Метаннан сутекті бөлу процессі өзі екі процесстен тұратын метанның бу конверсиясы деп аталады. Бірінші процессте (әдетте никельмен) катализаторлармен толтырылған, жоғарғы қысым (15-тен 25 атм. қысым) мен жоғарғы температурадағы (750ºС-1000ºС) құбырлардың ішінде табиғи газ (метан) су буымен (Н₂О) реакцияға түсіп, көміртек моноксиді (СО) мен сутек құрайды:
СН₄ + Н₂О → СО + 3Н₂
Су-газ конверсиясы деп аталатын екінші реакцияда СО су буымен әрекеттесіп, СО₂ және сутек жасайды:
СО + Н₂О → СО₂ + Н₂
Бұл реакция 200ºС-тан 475ºС-қа дейінгі температурада бір немесе екі кезеңде жүзеге асады.
Реактордан ұшып шыққан газ түтіндерінде СО₂, СН₄, су буы мен СО-дан басқа шамамен 70-тен 80%-ға дейін сутек болады. Кейін сутек түпкілікті тұтынуы үшін әр текті, араласқан газдардан бөлініп шығарылады. Сутекті толық тазарту үшін әдетте адсорбция қысымын пайдаланады.
Сурет 1. Адсорбционды генераторлар газ буын гидро-тазарту кезінде қолданылады
СО₂ қалдықтары дағдыда атмосфераға шығарылады. Жаһандық жылудың күшеуіне және экологиялық жағдайларға байланысты метанның бу конверсиясы және адсорбция процесстері біздің қоршаған ортамызға өте зиянды болып келеді.
:
|
Бұл екеуі өндірістегі дамыған коммерциялық процесстер болып саналады. Метанның бу конверсиясы үшін энерго-өнімділік (өндірілген сутек энергиясының берілген отын энергиясына қатысты арасалмағы) шамамен 70%-ды құрайлы.
Су – бұл сутек өндіруде кеңінен қолданылатын ресурс. Суды сутек пен оттекке бөлу үшін сырттан электрэнергиясын қажет ететін элекролиз процессі – қоспасыз таза сутекті өндіру үшін қолданылатын дүниежүзінін дамыған технологиясы.
Дегенмен, бұл өте энергокөлемді процесс, және де бір килограмм сутекті шапшаңырақ өндіру үшін қуат көбірек қажет етіледі. Қарапайым коммерциялық электролиздер 50 кВт қуатты қажет етеді, бұл энергияның 70 % тиімділігін көрсетеді, яғни сутектегі энергияның 1 бірлігін өндіруге өзге энергияның 1,4 бірлігі жұмсалуы қажетті. Өйткені электроэнергияның басым бөлігі қазбалы отындардан өндіріледі және орташа органикалық отында 30% энергияның тиімділігіне жуығы бар, жалпы ПӘК-і 20% шамаланады – энергияның 4 бірлігі сутекті энергияның әрбір бірілігінде сутекті өндіру кезінде тасталынады. Осы жағдайда қуаттың өте көп жұмсалуы жүреді.
Бірақ табиғи газдың булы конверсиясымен салыстырғанда электролиздің үлкен қондырғаларын қондыру арзанырақ – олардың жергілікті қалалық ЖҚС-лардағы дәл осындай, бірақ аумағы кішкентай қондырғыларымен (тек сутек энергиясы өте қажетті жерлерде орналасатындығынан кейде «аула қондырғылары» деп аталады) салыстырғанда электроэнергия бағасы көп есе арзанырақ түседі.
Сурет 3. Электролизёр — судан сутегі өндіретін қондырғы
Жаһандық жылымықтың болашағына қарай отырып, электролиз процессінің келешекте мағынасы шамалы, себебі, электролиз бен орталық станциялардан электр энергиясын өндіру тиімді емес процесстер болып келеді және дүниежүзі елдерінің көбі электр энергияны көбінесе қазбалы кендерден өндіреді. Алайда, 1 галлон жанармайдың жануы ауаға шамамен 9 кг қос оксидті көміртек газын таратады. Электролиз процессі арқылы өндірілген 1 кг сутектен ауаға орташа 70 фунт (шамамен 31 кг) көміртек қышқылын босатады. Жанармай галлоны килограмм сутектің энергиясына тең. Электролиз процессінің көмегімен сутек өндіретін отын элементтері орналастырылған автомобильдерде, оның потенциалды екі еселенген пайдалы әсерін есептегенмен де, бүкіл планетада жаһандық жылымықтың күшеюіне әсер етпей қоймайды.
Бұдан басқа сутек жаңартылмалы электр қуаттарынан өндіріледі, бірақ қазіргі уақыттың жергілікті өндіріске ең қолайлы жаңартылмалы жүйесі – күн энергиясының фотоэлектрикалық қондырғысы – сутек өндірісінде қымбатшылықты тудырып отыр, ал әлемнің ең арзан жаңартылмалы энергиясының – жел күшінің саны – жел қондырғыларының жылдам қадаммен дамуына қарамастан, бүкіл дүниеде энергияның шағын үлесін ғана қамтып отыр.
Сурет 4. Күннен энергия өндіретін фотоэлектрикалық қондырғылар
Көмір де – сутегі өндірісінде басты қорлардың бірі. Сутекті өндіру үшін әуелі көмірді газ түріне келтіреді, бөгде заттардан тазартады, сосын ғана одан сутек газын бөлу процессін жүргізеді. Бұл процессте СО₂ газының ауаға таралуы аумақты түрде өтеді, сондықтан, жаһандық жылыну проблемасына байланысты, көмірді заманауи газ түріне айналдыру технологиясы сутек экономикасының негізі бола алмайды. Көмір әлемнің көп елдерінде ең жеткілікті пайдалы қазба ретінде саналады. Мысалы, Қазақстанда көмірдің жалпы қоры 162 млрд тоннадан асады[8].
Биомассалар – сутекті өндірудегі маңызды қорлардың бірі. Биомассалар – өсу айналымына қатысқан әр түрлі материалдар, мысалы: тамақтың, ағаштардың, агромәдениеттің қалдықтары. Энергия егісі ретінде өсірілген өсімдіктер де биомасса құрамына кіреді. Биомассалар да жаһандық жылымықтың күшеюіне әсер тигізетін қаупі бар, себебі, егер биомассалар өртенсе, олардан көмірқышқыл газы бөліне бастайды. Алайда, кейін зиянды газ қайтіп биомассалардың бойына сіңеді, яғни өсу айналымына қатынасады. Сол себепті, биомассалар планетаның жылуына ешбір әсер етпейтін потенциалды шыдамды энергия көздері болып табылады. Биомассаны этанол секілді сұйық отынға айналдырып, жанармай қоспасы ретінде қолдануға болады. Қазіргі заманда жүгері дәндерінен жасалған био-отын – этанол - әлемдегі басты экологиялық таза отын түрі болып есептеледі. Этил спирті, этанол, С2Н5ОН – біратомды қаныққан-алифатты спирт, түссіз, күйдіргіш дәмі және өзіндік исі бар оңай қозғалатын сұйықтық[17]. Келешекте жүгеріден басқа, өсуге және егісті жинап алуға сырттан азғантай энергия көзін қажет ететін тары дәндерінен этанол өндіру жұмыстары көп үміт күттіреді.
Сурет 5. Жүгеріден отын өндіру
Биоэтанолды 2005 жылы 36,3 млрд литр, оның 45% Бразилия және 44,7% АҚШ елдерінде ғана өндірді. Биоэтанолды Бразилияда үлкен көлемде қант таяқшаларынан, ал АҚШ-та жүгеріден жасайды. Этанол бензинге қарағанда аз энергия сақтау көзі болып табылады. 85% этанол мен 15% бензин қоспасында жұмыс істеген машинаның жүрісі стандартты машина жүрісінің көлемдік отынның бірлігіне шамамен 75% құрайды. Ал тек таза этанолда тек «Flex-Fuel» машиналар («жұмсақ отынды» машина) ғана жұмыс істей алады. Бразилия отын ретінде биоэтанол мен қант таяқшаларын өндіру мен қолдануда көш бастап тұр. Қозғалтқышта этанолды жаққанда одан альдегидтер (формальдегид және ацетальдегид) пайда болады. Ал бұлар өз кезегінде ароматты көмірсутекерге қарағанда тірі организмдерге екі есе көп зиянды заттар шығарады.
Биомассының жержаңғақ қабықтары және жом (қант тростнигінің қалдығы) сияқты қалдықтары тиімді ресурс ретінде саналуға мүмкіндіктері мол, бірақ мұндай биомассаларды тасымалдау шектелген.
Лемде сутекті өндіру жағынан өте көп жаңа стратегиялар бар, мысалы, суды тура жолмен ажырату үшін фотоэлектрикалық қондырғыларды қолдану көмегімен, күн энергиясы арқылы тікелей сутекті өндіру жолы ғылыми мәнділігі жағынан зерттелуде. Сутекті өндіруде белсенді биологиялық процесстердің маңызы зейінсіз қалмайды, мысалға, сутек өніміне арналған фотосинтез процесстерінің бейімделуі және органикалық құрылымдарды сутекке ажырату үшін арналған биоинженерлік бактериялардың қолданылуын айтуға боларлық.
Соңғы уақыттары сутекті өндіруде отын элементтерінің қолданысы көбеюде, мысалы, жоғарғы температуралы отын элементтері бір мезетте электр энергиясын, жылуды және сутекті тудырады. Табиғи газ көмегімен жасалынған отын элементтері энергия өндіруде метан (СН₄) құрамындағы сутектің шамамен ¾ атомдарын қолданады.
Отын элементтері тиімсіз, өте көп айырылуларды тудыратын жану процессінен алшақтап, отынның химиялық энергиясын оңай жолмен электр энергиясына айналдырады. Бұл электрохимиялық қондырғы отынның тиімділігі жоғары «суық» жануы әсерінен тікелей жолмен электр энергиясын өндіреді[9].
Отын элементтерінің түрлері:
Фосфор қышқылынан тұратын отын элементі, аты айтып тұрғандай, электролит ретінде фосфор қышқылын қолданады. Тұңғыш отын элементі электролит есебінде күкіртті қолданды. Дәл осындай отын элементтері қазіргі уақытта ең дамыған технологиялар болып табылады.
Еріген карбонаттан тұратын отын элементі электролит ретінде сұйық карбонатты қолданады. Осындай элементтер қырық жол бойы зерттеудің және дамытудың маңызды субъектісі болды. Олар 47%-дан 50%-ға дейінгі ПӘК-ті қамтиді.
Атты оксидті отын элементі электролит ретінде керамиканы қолданысқа енгізеді. Мұндай отын элементтері 1800ºF жоғары температураларды шыдайды және ауа, табиғи газбен (немесе басқа да отын түрлерімен) тікелей әрекеттесе алады.
Протон ауыспалы мембранасы бар отын элементі (басқаша полимерлі электролиттік мембранасы бар отын элемент ретінде таныс) иілімді электролиттен тұрады. Мембрананың материалын алғаш рет DuPont компаниясы жасап шығарды. Бұл мембрананың сыртқы көрінісі тамақты сақтауға арналған иілімді орама қағаз сияқты. «Протон» сөзі полимерлі мембранадан өтетін сутек иондарын білдіреді. Мұндай отын элементтерінің потенциалы автомобильдердің іштен тұтанатын қозғалтқыштарын алмастыра алу қасиетімен әлемде басқа отын элементтеріне қарағанда жақсырақ мәлім. Осындай отын элементтерін үйде, кеңселерде және фабрикаларда қолдануды қазіргі уақытта түрлі компаниялар дамытып және көбейтіп жатыр.