Plazmalyzátor metanu šetří náklady při výrobě vodíku

Procesní regulační ventily společnosti Bürkert již svou spolehlivost prokázaly v mnoha aplikacích s využitím vodíku. Společnost Graforce je například používá v metanových plazmových elektrolyzérech, které vyrábějí vodík a pevný uhlík s vysokou výnosností a relativně nízkými náklady.

Vodík v sobě skrývá obrovský energetický potenciál a nenachází se pouze ve vodě. Je součástí mnoha organických a anorganických sloučenin v průmyslových odpadních vodách, kalu, plastech nebo plynech. Společnost Graforce nabízí plazmové elektrolyzéry, které vyrábějí vodík z energeticky bohatých chemických sloučenin ve zbytkových materiálech – s výrazně nižšími výrobními náklady a vyšším výnosem.

Zelený vodík – energie pro budoucnost

Vodík je díky svému vysokému energetickému obsahu považován za důležitou složku při přechodu na novou energetiku a za „zelenou“ alternativu k benzínu, naftě a dalším pohonným hmotám. Lze jej nejen přímo spalovat běžným způsobem, ale lze jej využít i k elektrochemické výrobě elektřiny a tepla. Energeticky bohatý plyn je vhodný pro pohon vozidel, lodí a dokonce i letadel. Místo pevných částic, oxidů dusíku a dalších látek znečišťujících ovzduší vzniká ve výfukových plynech pouze vodní pára.

Výroba elektrické energie a tepla bez CO₂

Pokud se však vodík získává elektrolýzou, tj. štěpením vody na vodík a kyslík pomocí elektřiny, je jeho výroba energeticky náročná, a tudíž drahá. „Průměrné náklady na jeden kilogram vodíku se pohybují mezi 6 a 9 eury,“ říká Kai Dame, vývojový inženýr společnosti Graforce GmbH. „Vodík je však ve vodě vázán mnohem pevněji než v jiných chemických sloučeninách. Naše plazmalyzátory proto potřebují výrazně méně energie, protože vodík nezískávají z vody, ale z jiných energeticky bohatých chemických sloučenin. V bioplynu nebo zemním plynu je vodík například vázán jen slabě. To znamená, že pouhých 10 kWh energie stačí k výrobě 1 kg vodíku a 3 kg elementárního uhlíku ze 4 kg bioplynu nebo zemního plynu. Náklady v průměru klesnou na pouhých 1,5 až 3 eura za kilogram vodíku.“

V metanových plazmalyzátorech společnosti Graforce je vysokofrekvenční napěťové pole generováno ze sluneční nebo větrné energie za účelem štěpení metanu na jeho molekulární složky vodík (H2) a uhlík (C). Každý systém plazmaiyzátoru má kapacitu až 500 kW nebo 550 Nm³ (standardních metrů krychlových) vodíku za hodinu a lze jej modulárně rozšiřovat. V kombinaci s vodíkovou blokovou tepelnou elektrárnou nebo palivovým článkem SOFC (palivový článek na bázi pevných oxidů) je možná výroba tepla a elektřiny bez emisí CO₂. Pevný uhlík lze použít jako průmyslovou surovinu, například pro výrobu oceli, uhlíkových vláken a dalších struktur na bázi uhlíku. Například poblíž Lince byl v dubnu 2023 uveden do provozu takový plazmalyzátor metanu v zásobníku plynu v dutinách.

Klíčovou součástí zařízení jsou dva reaktory, v nichž probíhá plazmalytické štěpení metanu. Zařízení má také odlučovací zařízení pro oddělení dvou proudů produktů, vodíku a pevného uhlíku, zařízení pro rekuperaci procesního tepla a vyrovnávací zásobník pro vyrobený vodík. Ten se do kompresorové stanice dodává pod tlakem 500 mbar a následně se stlačuje na tlak 25 bar. Asi 25 metrů vysoké zařízení je integrováno do komplexního systému provozovatele prostřednictvím rozhraní pro řídicí techniku, průtok média a stlačený vzduch a vyrábí 50 kg vodíku za hodinu.

V metanových plazmalyzátorech společnosti Graforce je vysokofrekvenční napěťové pole generováno ze sluneční nebo větrné energie za účelem štěpení metanu na jeho molekulární složky vodík (H2) a uhlík (C).

Procesní armatury odolné vůči vodíku

K zajištění bezpečné a kvalitní výroby vodíku a uhlíku v zařízení na plazmovou analýzu metanu je zapotřebí velké množství procesních armatur. Aplikace vodíku jsou však v tomto případě náročné, protože atom vodíku má nejmenší hmotnost, a je tudíž velmi těkavý. Protože vodík je rovněž hořlavý a potenciálně výbušný plyn, musí všechny komponenty, které s ním přicházejí do styku, splňovat vysoké požadavky na utěsnění. Navíc má nepříjemnou vlastnost difundovat do kovů a měnit vlastnosti materiálu. Důsledkem může být křehnutí nebo koroze.

Berlínská start-upová firma našla v portfoliu produktů společnosti Bürkert to, co hledala. V současné době se v zařízení na plazmovou analýzu používá téměř 50 procesních ventilů v DN 15 až DN 65 s pneumatickými pohony, například pneumatické ventily se šikmým sedlem a přímé ventily (typ 2000 a typ 2012) na vodíkových a uhlíkových potrubích. Díky své vysoké spolehlivosti umožňují dlouhou životnost při minimálním poklesu tlaku. Na reaktorech jsou použity procesní regulační systémy s polohovacím zařízením typu 8802 a kulovými ventily s pneumatickým kyvným pohonem (typ 8805).

Na vodíkovém a uhlíkovém potrubí je instalováno cca 50 procesních ventilů. Na reaktorech se používají procesní regulační systémy s polohovacím zařízením a kulovými ventily s pneumatickým kyvným pohonem.

Aktivační zařízení tvoří ventilové ostrůvky typu 8652 AirLINE. „Díky svým kompaktním rozměrům je bylo snadné instalovat do rozváděčů v bezprostřední blízkosti procesu,“ dodává Kai Dame. Společnost Bürkert by mohla dodat i vhodné rozváděče, ale firma Graforce se rozhodla pro instalaci vlastních. „Chceme si ponechat co nejvíce našich systémů ve vlastní režii; možná tuto možnost využijeme později v jiném projektu,“ dodává Kai Dame.

Krátké komunikační cesty a rychlá dodávka

Pro volbu procesních regulačních ventilů Bürkert hovořilo několik důvodů. Společnost Bürkert má v oblasti vodíkových aplikací velké zkušenosti a použité materiály splňují speciální požadavky pro tuto oblast použití. Nehrozí křehnutí ani netěsnosti.

Společnost Graforce nyní používá ventily Bürkert také v dalším systému. Plazmalyzátor odpadní vody, který je již nějakou dobu v provozu, byl přestavěn na magnetické ventily s dvojitou cívkou a elektronikou Kick-and-Drop, aby se snížila spotřeba odpadního tepla a energie. Magnetická cívka se zpočátku přebudí vysokonapěťovým impulsem, aby se vytvořila velká tažná síla, která je nutná k otevření ventilu. Po několika milisekundách se elektronika integrovaná v lisované magnetické cívce přepne do energeticky úsporného udržovacího režimu. Ventily tak spotřebují až o 80 % méně energie než konvenční řešení.