Введение
Процесс метанизации углекислого газа водородом. Реакция Сабатье, или процесс Сабатье, производит метан и воду в результате реакции водорода с углекислым газом при повышенных температурах (оптимально 300–400 °C) и давлениях (порядка 3 МПа) в присутствии никелевого катализатора. Она была открыта французскими химиками Полем Сабатье и Жаном Батистом Сендеренсом в 1897 году. Рутений на оксиде алюминия (алюмоксиде) может быть более эффективным катализатором. Реакция описывается следующим экзотермическим уравнением: CO2 + 4H2 >[400 °C][давление + катализатор] CH4 + 2H2O ∆H = −165,0 кДж/моль.
Существуют разногласия относительно механизма метанизации CO2: происходит ли он путем ассоциативного адсорбирования атома водорода и образования кислородсодержащих промежуточных соединений с последующей гидрогенизацией, или путем диссоциации с образованием карбонила, который затем гидрогенизируется. CO + 3H2 > CH4 + H2O ∆H = −206 кДж/моль.
CO2{} + 4H2 >[{}\atop 400\ ^\circ\ce{C}][\ce{pressure+catalyst}] CH4{} + 2H2O∆H = −165.0 kJ/mol
Считается, что метанизация CO происходит по диссоциативному механизму, при котором связь углерод-кислород разрывается перед гидрогенизацией, в то время как ассоциативный механизм наблюдается только при высоких концентрациях H2. Реакции метанизации на различных металлических катализаторах, включая Ni, Ru и Rh, широко исследовались для производства CH4 из синтез-газа и других проектов по преобразованию энергии в газ. Уголь или древесина подвергаются газификации, в результате чего образуется генераторный газ, который необходимо подвергнуть метанизации для получения пригодного для использования газа, требующего лишь окончательной стадии очистки. Первый коммерческий завод по производству синтез-газа был открыт в 1984 году и является заводом Great Plains Synfuels в городе Беула, штат Северная Дакота. Реакция Сабатье используется в энергосистемах, основанных на возобновляемых источниках энергии, для утилизации избыточной электроэнергии, вырабатываемой ветром, солнечными фотоэлектрическими установками, гидроэлектростанциями, энергией морских течений и т.д., для производства метана из водорода, полученного электролизом воды. В отличие от прямого использования водорода для транспорта или хранения энергии, метан можно закачивать в существующую газовую сеть. Метан можно использовать по требованию для выработки электроэнергии, компенсируя периоды низкой производительности возобновляемых источников энергии. Процесс включает электролиз воды с использованием электроэнергии для получения водорода (часть которого может быть использована непосредственно в топливных элементах) и добавление углекислого газа CO2 (реакция Сабатье) для создания метана. CO2 может извлекаться из воздуха или отходящих газов ископаемого топлива с помощью аминной технологии. В 2013 году в Германии была запущена электростанция мощностью 6 МВт для производства газа, которая обеспечивала электроэнергией парк из 1500 автомобилей Audi A3.
CO methanation is believed to occur through a dissociative mechanism where the carbon oxygen bond is broken before hydrogenation with an associative mechanism only being observed at high H2 concentrations. Methanation reactions over different metal catalysts including Ni, Ru and Rh have been widely investigated for the production of CH4 from syngas and other power to gas initiatives. Coal or wood undergo gasification which creates a producer gas that must undergo methaneation in order to produce a usable gas that just needs to undergo a final purification step. The first commercial synthetic gas plant opened in 1984 and is the Great Plains Synfuels plant in Beulah, North Dakota. The Sabatier reaction has been used in renewable energy dominated energy systems to use the excess electricity generated by wind, solar photovoltaic, hydro, marine current, etc. to make methane from hydrogen from water electrolysis. In contrast to a direct usage of hydrogen for transport or energy storage applications, the methane can be injected into the existing gas network. The methane can be used on demand to generate electricity overcoming low points of renewable energy production. The process is electrolysis of water by electricity to create hydrogen (which can partly be used directly in fuel cells) and the addition of carbon dioxide CO2 (Sabatier reaction) to create methane. The CO2 can be extracted from the air or fossil fuel waste gases by the amine process. A 6 MW power to gas plant went into production in Germany in 2013, and powered a fleet of 1,500 Audi A3.
Синтез аммиака
При производстве аммиака CO и CO2 считаются ядами для большинства используемых катализаторов. Метановые катализаторы добавляются после нескольких стадий получения водорода для предотвращения накопления оксидов углерода в контуре синтеза аммиака, так как метан не оказывает подобного негативного влияния на скорость синтеза аммиака.
Производство топлива на Марсе
Реакция Сабатье была предложена как ключевой этап снижения стоимости пилотируемой миссии на Марс (Mars Direct, SpaceX Starship) посредством использования местных ресурсов. Водород соединяется с CO2 из атмосферы, при этом образующийся метан хранится как топливо, а побочный продукт – вода – подвергается электролизу с получением кислорода, который сжижается и хранится как окислитель, и водорода, который возвращается в реактор для повторного использования. Исходный водород может быть доставлен с Земли или получен из марсианских источников воды.
Импорт водорода
Импорт небольшого количества водорода позволяет избежать поиска воды и использовать непосредственно CO2 из атмосферы. "Модификация основной реакции метанизации Сабатье может быть реализована с использованием смешанного катализаторного слоя и обратной реакции конверсии водяного газа в одном реакторе для производства метана из доступного на Марсе сырья, утилизируя углекислый газ из марсианской атмосферы. В 2011 году прототип, извлекавший CO2 из смоделированной марсианской атмосферы и взаимодействующий с H2, производил ракетное топливо – метан – со скоростью 1 кг/день, работая автономно в течение 5 последовательных дней и поддерживая эффективность конверсии почти 100%. Оптимизированная система такой конструкции массой 50 кг, как ожидается, будет производить 1 кг/день топлива O2:CH4 с чистотой метана более 98%, потребляя около 17 кВт⋅ч электроэнергии в сутки (при постоянной мощности 700 Вт). Общая ожидаемая эффективность преобразования оптимизированной системы составляет одну тонну топлива на 17 МВт⋅ч энергии."