Inovatīva katalizatora izstrāde un reģenerācija tīra ūdeņraža iegūšanai metāna pirolīzes ceļā (INNOHYPPY)

Projekta kopsavilkums:

Tīras enerģijas risinājumiem un ūdeņradim ir izšķiroša nozīme Eiropas zaļajā kursā, plānā REPowerEU, ilgtspējīgas attīstības mērķos enerģētikā un citās iniciatīvās, lai cīnītos pret nelabvēlīgajām klimata pārmaiņām. Ambiciozo ES mērķu sasniegšanai ir svarīga ne tikai valdību un valstu kopēja sadarbība, bet arī vienots zinātnieku darbs progresīvu materiālu izstrādei tīras enerģijas ražošanai, uzkrāšanai un izmantošanai, nodrošinot atbilstību aprites ekonomikai stratēģijai un siltumnīcefekta gāzu emisiju samazināšanai.

Projekta galvenās aktivitātes ietver lielas virsmas laukuma gamma alumīnija oksīda struktūras sintēzi dzels/niķeļa katalizatora uzklāšanai, izmantojot Lietuvas enerģētikas institūta Eiropā patentēto inovatīvo alumīnija-ūdens reakcijas metodi (EP3768640B1), kurai seko pārklājuma ar plaši izkliedētu niķeļa nanoklasteru uznešana uz iegūtās struktūras, izmantojot magnetronu uzputināšanas tehnoloģiju. Projekta laikā tiks izveidota optimāla metāna pirolīzes reaktora konstrukcija. Tiks veikta pirolīzes procesā dezaktivētā katalizatora reģenerācija ar plazmas apstrādi, un izpētītas pirolīzes reakcijas blakusprodukta – oglekļa – īpašības, lai to varētu izmantot kā elektrodu materiālu pesticīdu noteikšanai. Projekta aktivitāšu beigu tehnoloģiju gatavības līmenis ir plānots TRL 4.

INNOHYPPY rezultāti dos ieguldījumu Eiropas Komisijas vērienīgo klimata pārmaiņu novēršanas mērķu sasniegšanā un oglekļa pēdas samazināšanā, tostarp aktivitātēs, kas saistītas ar enerģijas pārveidi, augstākas efektivitātes procesu izstrādi ar uzlabotu vispārējo veiktspēju, izvairīšanos no kritisko izejvielu izmantošanas, tehnoloģijas atkritumu izmantošanu un visa procesa ilgtspējības nodrošināšanu.

Sagaidāmie rezultāti:

1. Izveidota jauna katalizatora struktūra, kas uzlabo metāna pirolīzes procesu.
2. Laboratorijā apstiprināta pirolīzes procesa tehnoloģija, noskaidrojot piemērotākos parametrus reaktora izveidei.
3. Plazmas apstrādes metode, dezaktivētā katalizatora reģenerācijai.
4. Tehnoloģija pesticīdu noteikšanai, par darba elektrodu izmantojot pirolīzes procesa blakusproduktu - oglekli.

LU CFI uzdevumi:

1. Sintezētā katalizatora pirms un pēcapstrādes, kā arī iegūtā oglekļa analīze.
2. Sistēmas izveide pirolīzes procesam un gāzu analīzei.
3. Pirolīzes eksperimenti un radušos gāzu sastāva analīze.
4. Pirolīzes reaktora un kopējās sistēmas modeļa izveide.
5. Komunikācija un informācijas izplatīšana.

PROJEKTA IZPILDE

Periods 01.06.2023. – 31.12.2023.
Sasniegts 1. jūdžakmens

Metāna sadalīšanas eksperimentālais prototips un gāzes līnijas dizains

Eksperimentālais prototips ir paredzēts metāna katalītiskai sadalīšanai ūdeņradī un ogleklī paaugstinātā temperatūrā un kontrolētā reaktora vidē. Gāzes vada konfigurācija ļauj sistemātiski paņemt paraugus un droši uzglabāt saražoto ūdeņradi, veicinot padziļinātu katalizatora un temperatūras ietekmes izpēti uz reakcijām un fizikālajiem procesiem reaktorā.

Reaktora dizains:

Testa reaktors sastāv no kvarca caurules (diametrs 60 mm, garums 1000 mm, sildīšanas garums 440 mm), kurā var nodrošināt bez-gaisa vidi un paaugstinātu temperatūru, nodrošinot metāna sadalīšanos katalizatora klātbūtnē. Reaktora ir aprīkots ar precīziem temperatūras kontrolieriem, lai nodrošinātu stabilu un atkārtojamu eksperimentālo vidi.

Temperatūras kontrole:

Kombinējot sildelementus un K tipa termopārus, reaktorā tiek nodrošināta un kontrolēta optimāla temperatūra metāna sadalīšanai. Sildelementu darba temperatūra var sasniegt 1200 ℃ ar precizitāti +/- 1 ℃, sasniedzot sildīšanas ātrumu 10 ℃/min.

Katalizatorā ievade:

Fe/Ni katalizators, kas nogulsnēts uz gamma alumīnija oksīda pamatnes, tiek ievadīts reaktorā kvarca tīģelī, nodrošinot uzlabotu metāna sadalīšanās procesu zemākās temperatūrās nekā parastos apstākļos.

Gāzes līnijas dizains:

Pirms eksperimenta sākšanas sistēma tiek atsūknēta, lai izvadītu sistēmā esošo gaisu. Pēc tam metāns tiek ievadīts reaktorā un pakļauts kontrolētai karsēšanai, eksperimentāli nosakot optimālo temperatūru, kas ir būtiska efektīvai metāna sadalīšanai ūdeņradī un ogleklī. Pēc sadalīšanās radušās gāzes plūst caur integrēto gāzes vadu, kas sadalās divos ceļos. Viens ceļš novirza gāzes uz paraugu maisu reakcijas produktus turpmākai analīzei, bet otrs ceļš radušos ūdeņradi/gāzes novirza uz gāzes tvertni turpmākai izmantošanai.

Periods 01.11.2023 – 30.04.2024.

Nodevums D.3.1. pabeigts.

Ir pabeigta eksperimentālas iekārtas un gāzes vada uzstādīšana tīrai ūdeņraža ražošanai, izmantojot metāna pirolīzi. Izmantojot 1.jūdžakmenī izstrādāto dizainu, tika atjaunināts modelis, ņemot vērā iegādāto cauruļkrāsni un pielāgotu gāzes vadu līniju, lai nodrošinātu efektīvu sistēmas darbību.

Visas nepieciešamās iekārtas komponentes, lai sakomplektētu cauruļkrāsni, ieskaitot temperatūras regulatorus, gāzes vadus, ventiļus, paraugu savākšanas vietu u.c., tika iegādātas saskaņā ar projekta plānu. Reālā eksperimentālā sistēma tika izveidota, ievērojot nepieciešamās vadlīnijas, īpašu uzmanību pievēršot, ērtai lietošanai un drošības apsvērumiem.

Tika veiktas nepieciešamās testēšanas procedūras, lai pārbaudītu gāzes vada un eksperimentālās iekārtas darbību un gāzu noturību eksperimentu apstākļos. Sistēma darbojas nevainojami un sākotnējie rezultāti liecina par daudzsološiem rezultātiem, kas nodrošinās turpmākus eksperimentus un pētījumus metāna sadalīšanās jomā, kā arī ļaus sasniegt projekta mērķus.

Periods 30.04.2024. - 30.09.2024.

Sasniegts 3.2.1 jūdžakmens

VEIKTI PIROLĪZES EKSPERIMENTI UN NOTEIKTA BĀZES TEMPERATŪRA

Šajā projekta posmā tika veiktas divas pirolīzes eksperimentu sērijas, lai noteiktu optimālo bāzes temperatūru metāna sadalīšanai. Pirmie eksperimenti notika ar SETARAM Labsys Evo TGA/DSC termogravimetru, lai precīzi izmērītu svara izmaiņas katalizatoram un pirolīzes procesā iegūtajam ogleklim, nosakot metāna termisko stabilitāti un sadalīšanos virs katalizatora, sniedzot informāciju par reakcijas kinētiku un temperatūras ietekmi. Termogravimetriskās analīzes rezultāti palīdz apstiprināt optimālo bāzes temperatūru un novērtēt katalizatora veiktspēju kontrolētos apstākļos, pirms eksperimentiem izveidotajā reaktorā.

Pēc termogravimetriskajiem eksperimentiem tika veikti izveidotajā pirolīzes reaktorā, kur metāns tika ievadīts 0,5 bāru spiedienā, lai būdu droši, ka kvarca caurule izturēs. Temperatūra tika pakāpeniski palielināta no istabas temperatūras līdz dažādām beigu temperatūrām 500°C – 1000°C grādu robežās. Pēc tam sistēma tika turēta atbilstošajā temperatūrā dažādu laiku, sākot no 240 līdz 480 minūtēm, pirms ļāva tai dabiski atdzist.

Eksperimentālo datu analīzē šiem uzstādījumiem tika secināts, ka optimālā bāzes temperatūra ir 800°C, apliecinot, ka katalizators ir aktīvs šajā temperatūrā un sekmē metāna sadalīšanos. Šie eksperimenti nodrošina sākuma datus turpmākajiem pētījumiem, koncentrējoties uz citu pirolīzes parametru optimizēšanu, lai uzlabotu procesa efektivitāti un iegūtā ūdeņraža daudzumu.

Periods 01.06.2024. - 30.09.2024.

Pabeigts D3.2. nodevums

PARAUGU PĀRSŪTĪŠANA SADARBĪBAS PARTNERIEM

Sākotnējos pirolīzes eksperimentos tika noteikta optimālā pirolīzes temperatūra, sasniedzot jūdžakmeni MS3.2.1. Izmantojot šos datus un veicot turpmākus eksperimentus, tika izstrādāta un pilnveidota metāna sadalīšanas procesa eksperimentālā metodika.

Metodika:

1. Kvarca caurules sagatavošana: Pirms eksperimenta Al₂O₃ vai kvarca parauga laiviņu ievieto kvarca mēģenē un karsē 800°C vismaz 2 stundas, lai atbrīvotos no piesārņojuma vai oglekļa atlikumiem.
2. Katalizatora svēršana: Iztīrīto laiviņu nosver ar 0,2-0,4 g katalizatora.
3. Laiviņas ievietošana: laiviņa ir novietota kvarca caurules centrā ar Al₂O₃ aizbāžņiem abos galos, lai bloķētu siltuma pārnesi.
4. Caurules blīvēšana: Kvarca caurule ir noslēgta ar nerūsējošā tērauda aizvariem, viens gals ir savienots ar metāna balonu, bet otrs ar vakuumsūkni un gāzes paraugu ņemšanas cilindru.
5. Vakuuma izveide: tiek atvērti visi vārsti un tiek ieslēgts vakuuma sūknis, radot retinājumu10^-2bar.
6. Vakuuma izolēšana: Vakuuma sūknis ir izslēgts, un vakuuma vārsts ir aizvērts.
7. Metāna ievadīšana: Metānu ievada kvarca caurulē, lai sasniegtu aptuveni 0,5 bāru spiedienu.
8. Temperatūras programmēšana: Uzsākot eksperimentu, ieprogrammē krāsns regulatoru, lai sasniegtu nepieciešamos temperatūras un laika parametrus.
9. Dzesēšana un paraugu ņemšana: Kad programma beidzas, krāsnij ļauj atdzist līdz 350°C, pēc tam tiek atvērts gāzes paraugu ņemšanas vārsts, lai savāktu paraugu masspektrometrijai.
10. Papildu dzesēšana un spiediena izlīdzināšana: krāsni atdzesē līdz istabas temperatūrai un spiedienu caurulē izlīdzina, atverot parauga vārstu bez gāzes parauga balona.
11. Paraugu ņemšana: laiviņu ar reaģējušu katalizatoru izņem un nosver.
12. Parauga analīze: paraugu nosūta turpmākai analīzei un, ja nepieciešams, sadarbības partneriem.

Pēc šiem eksperimentiem materiāli tika nosūtīt uz LEI katalizatora reģenerācijai un uz JSI elektrodu sagatavošanai integrēšanai sensoros. Eksperimenti tiek turpināti pēc nepieciešamības saņemot jaunus katalizatorus no LEI, lai turpinātu optimizēt metodiku.