Цикл «йод — сера»

В цикле IS к воде добавляют йод и диоксид серы, что приводит к экзотермической реакции с образованием йодида водорода и серной кислоты [40]. При надлежащих условиях эти вещества являются несмешивающимися и могут быть легко отделены. Серная кислота разлагается при 850 °C, высвобождая кислород и возвращая в оборот диоксид серы. Йодид водорода разлагается при температуре около 350 °C, высвобождая водород и возвращая в оборот йод. Конечный результат реакции — разложение воды на водород и кислород. На входе процесса требуются только вода и высокотемпературная тепловая энергия, а на выходе образуются водород, кислород и низкотемпературная тепловая энергия.

В результате получается малое количество водорода и имеются трудности в отделении серной кислоты от йодида водорода, отходы отсутствуют.

Испытательные установки лабораторного масштаба для цикла IS с низким давлением успешно демонстрировались в Японском институте атомной энергии. Подготовку к лабораторным испытаниям при прототипных условиях по давлению и температуре в настоящее время совместно проводят GA, SNL и CEA-Saclay (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Схема термохимического процесса разделения воды «йод — сера».

Цикл IS требует высоких температур, но предлагает высокую эффективность преобразования тепловой энергии в водород (рис. 5.5). Главное преимущество состоит в том, что масштаб химических реакций определяется объемом, а не площадью электродов, как это имеет место при электролизе.

Рис. 5.5. Оценка эффективности процесса IS в зависимости от пиковой температуры процесса.

Таким образом, крупномасштабное производство водорода в ядерной энергетике должно обеспечить существенную экономию. Детальное изучение проекта указывает, что цикл IS, соединенный с модульным гелиевым реактором, мог бы производить водород по стоимости 1,50−2,00 долл./кг, что не намного больше текущей стоимости производства водорода из природного газа.

Ниже приведен другой процесс, исследованный в Los Alamos. В процессе не используется электролиз. Главный недостаток — высокие температуры.

Ученые сделали вывод, что самый многообещающий из четырех процессов — бром-серный цикл. В мае 1978 г. прошла демонстрация этого процесса. Он стал первым полным термохимическим процессом производства водорода разложением воды.

Серная кислота составляет 75% веса всей смеси. Кислота разложена при 90−1200 °С и низком давлении 3 атм. Сталь используется в качестве катализатора. Нет необходимости в теплообменнике.

На третьем этапе, бромид водорода разлагается при напряжении 0,80 Вт. Получается 0,1 м³/ч водорода. Эти два газа легко отделяются, так как водород легче. Никакой сепаратор не требуется. Ниже приведена спецификация производства за 18 месяцев в течение 1984;1985 гг.

• — Объем производимого водорода в час: 1000 м³/ч.
• — Переработанная серная кислота: 43,7 кг/ч.
• — Рабочее давление: 24,7 атм.
• — Максимальная рабочая температура: 950 °C (1740°F).
• — Требуемая электроэнергия: 100 кВт.
• — Эффективность: 30−40%.
• — Стоимость: 1,00 долл./м³/ч.

Эффективность и стоимость сравниваются с 28−32% высокотемпературного электролиза твердого полимера. Производство не выявило никаких неустойчивостей, никаких побочных продуктов, или посторонних реакций. Имеющихся знаний, химических технологий и коммерческих материалов достаточно для постройки Индустриальных экспериментальных заводов, никакой крупный технический прорыв не требуется… Термохимическое производство водорода выполнимо.