Проточный топливный элемент на растительной биомассе
Фото: recyclind с сайта Pixabay
TEPLOKARTA 28.11.2019 235

Выходная мощность проточного топливного элемента в сотни и тысячи раз выше, чем у микробных топливных элементов на основе пшеничной соломы и он не содержит благородных металлов

Горючие сельскохозяйственные отходы относятся к потенциальным источникам энергии, из-за высокого содержания в них органических веществ и теплотворной способности. По мере развития мировой экономики спрос на энергию увеличивается, а проблемы защиты окружающей среды становятся все более острыми.

Мировой спрос на энергию растет со скоростью 1,8% в год. Три вида ископаемого топлива - нефть, природный газ и уголь - обеспечивают более 80% мирового потребления энергии в течение уже более 100 лет.

Биомасса, также известная, как энергия с нулевым выбросом углерода, является наиболее распространенной формой возобновляемой энергии. Согласно отчету, подготовленному для Министерства энергетики США, ежегодное внутреннее производство биомассы в лесном и сельскохозяйственном секторах составляет более 1,3 миллиарда тонн.

Часть этой биомассы может быть использована для замены ископаемого топлива. Горючие сельскохозяйственные отходы, такие как пшеничная солома, остатки виного производства и другие, являются легко доступным ресурсом, благодаря большому выходу продукции сельского хозяйства. Например, в Китае ежегодно производится около 700 миллионов тонн горючих отходов сельского хозяйства.

В настоящее время некоторые технологии используют биомассу в качестве сырья для производства электроэнергии методом сжигания, газификации, использования твердооксидных топливных элементов, микробных топливных элементов и топливных элементов с прямой подачей углеродного топлива.

Производство электроэнергии из биомассы производится в промышленных масштабах методом сжигания или газификации, с использованием паровых турбин. Из-за низкой плотности энергии биомассы предпочтительным вариантом остается распределенная генерация в относительно небольших масштабах.

Топливные элементы, работающие на биомассе, подразделяются на две группы: косвенные и прямые. Косвенные (непрямые) топливные элементы в последние годы интенсивно исследовались и изучались. Этот тип топливных элементов преобразует биомассу в различные источники топлива, такие как сахара, например, глюкозу и ксилозу, синтез-газ, биогаз или биоуголь.

Затем полученное топливо можно использовать для выработки электроэнергии. Однако эти технологии имеют ряд недостатков. Для газификации биомассы твердооксидных топливных элементов могут потребоваться очень высокие рабочие температуры, достигающие 500–1000°C.

Микробные топливные элементы могут работать при низких температурах (15–50°C), но очень низкая выходная электрическая мощность, строгие условия реакции и ограниченный срок службы могут серьезно затруднить их применение.

Топливные элементы с полимерной обменной мембраной является еще одной перспективной технологией. Они работают на водороде или низкомолекулярных спиртах, они оказались очень эффективными и успешно коммерциализировались для распределенных источников энергии, электромобилей и других применений.

Однако в них не используются полимерные биомассы, такие как крахмал, лигнин и целлюлоза, поскольку углеродные связи не могут быть полностью электроокислены до CO₂ при низких температурах. Сообщалось, что даже для самых простых молекул C-C, таких как этанол, существуют ограничения, учитывая то, что топливо может быть преобразовано, с помощью анода из благородного металла, только в ацетальдегид или уксусную кислоту.

Многообещающий проточный топливный элемент

Проточный топливный элемент - это новая технология, которая использует биомассу непосредственно для выработки электроэнергии. Он может напрямую преобразовывать полимерную природную биомассу, такую как деревья, травы, сельскохозяйственные отходы, водоросли и другие биологические материалы в электричество.

В идеале, природная биомасса может быть непосредственно использована в качестве топлива в камерах без очистки или химической предварительной обработки. Для этой новой технологии было сделано несколько важных научных заключений:

- необработанную биомассу можно использовать напрямую (очистка не требуется);

- плотность мощности высокая (сравнима с топливными элементами на основе чистого спирта и в 3000 раз выше, чем в топливных элементах на основе микробной целлюлозы);

- технология полностью свободна от благородных металлов;

- катализатор чрезвычайно стабилен и не может быть легко загрязнен, поскольку полиоксометаллаты, устойчивые к токсичным неорганическим и органическим компонентам, используются в качестве катализатора и носителя заряда;

- такие топливные элементы недороги, учитывая использование сырой биомассы без применения благородного металла;

- топливные элементы могут использоваться, как на небольших энергоблоках, так и на крупных электростанциях.

В этом топливном элементе используются два раствора полиоксометаллата, обозначенные ниже, как POM-I и POM-II, с различными окислительно-восстановительными потенциалами: один окисляет биомассу, либо под воздействием солнечного света, либо при нагревании в анодном резервуаре, а другой реагирует с кислородом на катоде.

Как POM-I, так и POM-II используются в качестве катализаторов, а не реагентов, поскольку оба раствора могут быть полностью регенерированы без потери массы. Суммарная реакция топливного элемента относится только к биологическим отходам и кислороду.

Проточный топливный элемент на основе биологических отходов показывает многообещающие результаты. Используя эту революционную технологию, биоресурсы, такие как пшеничная солома, остатки виноделия, солома, древесные порошки и водоросли, могут быть напрямую преобразованы в электричество при относительно низкой температуре (80-150℃) и атмосферном давлении.

Выходная мощность проточного топливного элемента в сотни и тысячи раз выше, чем у микробных топливных элементов на основе пшеничной соломы. Поскольку этот тип топливного элемента не содержит благородных металлов, как на аноде, так и на катоде, POM-I и POM-II чрезвычайно стабильны без присутствия лишних загрязнений.

Результаты экспериментального и экономического анализа показывают, что проточный топливный элемент является чистым и экономически эффективным способом преобразования горючих сельскохозяйственных отходов в электроэнергию.

 

Источник: Конгмин Лю, Чжэ Чжан, Вэй Лю, Донг Сю, Хуа Го, Гуанли Хе, Сяньмин Ли, Юйлинь Дэн, Проточный топливный элемент, работающий на горючих сельскохозяйственных отходах, Чистая энергия , Том 2, Выпуск 1, июнь 2018 года, страницы 20–28, https://doi.org/10.1093/ce/zky001

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности