Перспективы применения неравновесной СВЧ-плазмы в водородной энергетике

В последнее время наблюдается тенденция развития водородной энергетики. Эффективность применения энергии внешнего источника для получения водорода в различных технологических процессах определяет, насколько перспективно это развитие. С этой точки зрения особый интерес представляет использование неравновесной плазмы, то есть плазмы, в которой энергия электрического поля, передаваемая сначала электронам слабоионизованной плазмы, затем передается нейтральным частицам, стимулирующим определенные атомно-молекулярные превращения, что ведет к резкому росту скорости некоторых химических реакций.

Длительное время неравновесные плазмохимические процессы исследовались в тлеющих разрядах при пониженном давлении. Из этих экспериментов были получены значительные результаты при обработке низкотемпературной плазмой разных поверхностей. Сейчас же неравновесные химические процессы анализируются как в несамостоятельных разрядах, поддерживаемых ультрафиолетовым излучением, так и пучком релятивистских электронов или в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах.

Факторы эффективности химических реакций

Алгоритмы, по которым в неравновесных условиях проходят химические реакции, очень разнообразны. При разной степени ионизации, электронной температуре, давлении и удельной энергонапряженности разряда один и тот же процесс может существенно различаться по своей эффективности. Практические исследования открыли важную зависимость колебательного возбуждения молекул от электронного удара большинства электроотрицательных молекул, таких как вода, углекислота, азот, что достаточно сильно увеличивает скорость колебательного возбуждения таких молекул. Основной энергетический вклад сосредотачивается именно в колебательных степенях свободы, что позволяет получить высокую  энергетическую отдачу и селективность данных энергетических процессов.

Если рассматривать наиболее благоприятные условия, в колебательных степенях свободы концентрируется до 80% всей вложенной в разряд энергии. Никакие другие варианты плазмохимических реакций не могут дать такую эффективность.

Преимущества неравновесной СВЧ-плазмы при получении водорода

Важно отметить, что в плазмохимических реакциях можно использовать и квазиравновесную плазму, получаемую с помощью мощных дуговых плазмотронов. Применение квазиравновесной плазмы позволяет успешно решать такие важные научные и практические задачи, как получение ацетилена из метана, конверсия угля, синтез тугоплавких соединений и многие другие. Следует обратить внимание на тот факт, что присущая квазиравновесной плазме равномерность вклада энергии во все степени свободы не позволяет на этом основании получить высокую энергоэффективность при проведении селективных химических реакций.

Преимущества неравновесной СВЧ-плазмы при получении чистого водорода для применения в водородной энергетике заключаются в следующем. Неравновесным плазмохимическим системам свойственно определять большую удельную производительность, низкую металлоемкость и малые весогабаритные характеристики реакторов. Было проведено несколько исследований таких реакторов: еще недавно они были связаны с разложением углеводородов в тлеющем разряде и имели невысокую эффективность. Но в последнее время эксперименты по прямому разложению воды в СВЧ-разрядах показали достаточно высокую эффективность.

Получение чистого водорода в СВЧ плазме

Прямое разложение водяного пара и получение водорода в плазме может осуществляться по различным алгоритмам. Но максимальный КПД разложения вероятен в системах, в которых температура электронов недостаточна для интенсивного возбуждения электронным состоянием и бОльшая часть вкладываемой в разряд энергии уходит на возбуждение колебательных степеней свободы, а также на диссоциативное прилипание электронов к молекулам воды.

Расчеты показывают, что разложение в основном определяется колебательным возбуждением или диссоциативным прилипанием, возникающем при более высоких температурах. При этом получение водорода при разложении паров воды в плазме может осуществляться с КПД 50 – 70%. Следует отметить, что достижение такой высокой эффективности возможно только при удовлетворении достаточно жестких требований к разряду.

Основное ограничение при разложении воды через колебательно-возбужденное состояние реагентов или диссоциативное прилипание заключается в необходимости обеспечения значительной степени ионизации. Это осложняет проведение экспериментов с высокоэффективным разложением. В тлеющем разряде максимальный КПД составляет 12%.

Чтобы обеспечить необходимую степень ионизации при умеренном и повышенном давлении, теоретически, можно применить несамостоятельные объемные разряды, которые будут поддерживаться сильноточными релятивистскими электронными пучками, или плазменный радиолиз осколками ядерного деления. На данный момент максимальная энергетическая эффективность плазмохимического разложения воды достигает 40% в неравновесном СВЧ-разряде.

Зависимость эффективности процесса от степени ионизации

В равновесной плазме при однофакторном расчете КПД ниже, чем при двухтемпературном. Помимо этого КПД имеет прямую зависимость от степени ионизации. Расчеты показывают, что максимальная эффективность около 80% может быть получена в электромагнитном СВЧ-разряде.

Эксперименты по разложению углекислоты показали, что наиболее высокая эффективность примерно в 80% достигается в неравновесном СВЧ-разряде при умеренном давлении. Если же использовать для этого процесса несамостоятельный разряд, поддерживаемый сильноточным пучком релятивистских электронов, реакция может протекать и при повышенном давлении, но значение КПД снизится и не превысит 14%.

Опытные изыскания, проведенные к настоящему времени, показали, что для повышения эффективности процесса получения чистого водорода более перспективны плазмохимические процессы, протекающие селективно через колебательно-возбужденное состояние молекул, а наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании неравновесной СВЧ-плазмы.

Разрушение газообразных остатков при переработке нефти и попутных газов

Аналогичную технологию можно применять для разрушения газообразных остатков при переработке нефти и попутных газов. Технология позволяет разложить сероводород, примеси попутного газа и остатки нефтепереработки на серу и водород.

Обычно применяемая технология переработки позволяет получить после очистки сероводорода от примесей только серу. Новая технология позволяет попутно получать еще и водород, применяемый, например, в качестве топлива. Это позволит значительно снизить стоимость тонны серы и вырабатывать большое количество полезного энергоносителя.

Использование электромагнитных СВЧ-разрядов для стимулирования различных химических процессов может быть весьма полезным с разных точек практического зрения. При применении равновесного разряда его энергия может быть использована для эффективного нагрева плазмы, ускоряя химическую реакцию посредством высокой температуры реагентов, а при неравновесном разряде может использоваться более селективно. В любом случае, существенная часть дорогостоящей энергии электромагнитного поля переходит в низкопотенциальное тепло.

СВЧ разряд как катализатор химических процессов

Одним из способов снизить эти потери электроэнергии является применение электрического разряда малой мощности на предварительно нагретые обычным способом  реагенты химических реакций. При этом температура реагентов позволяет провести химических процесс, но кинетические ограничения сильно тормозят скорость реакции. Электромагнитный СВЧ-разряд в данном случае выступает в качестве катализатора эндоэнергетического химического процесса, тогда как энергии для его проведения поступает из теплового резервуара.

Исследование процесса термического разложения метана на водород и углерод показало, что под воздействием плазмы микроволнового импульсно-периодического псевдокоронного разряда атмосферного давления на предварительно нагретый метан реакция происходит быстрее.

Отмечено, что электрическая мощность разряда составляла не более 15% от тепловой мощности предварительного нагрева метана. Ускорение обусловлено тем, что в разряде происходит генерация химически активных частиц. Температура электронов в разряде, по крайней мере на начальном этапе, достаточна для обеспечения необходимой скорости наработки этих частиц.

Перспективы применения неравновесной СВЧ-плазмы в водородной энергетике