Kén-jód ciklus

A kén-jód ciklus (S–I ciklus) egy háromlépéses, hidrogénképződéssel járó termokémiai ciklus.

A kén-jód ciklus három kémiai reakcióból áll, a folyamat nettó reakciója a víz felbontása alkotóelemeire: oxigénre és hidrogénre. A többi reakciótermék a cikluson belül visszajáratott, melléktermék nincs. A kén-jód ciklushoz hatékony hőforrásra van szükség.

A folyamat leírása

A kén-jód ciklus

		H₂O				½ O₂
		↓				↑
I₂	→	Reakció 1	←	SO₂+H₂O	←	Elválasztás
↑		↓				↑
		2 HI + H₂SO₄				2 SO₂ + 2 H₂O + O₂
		↓				↑
2 HI Reakció 3	←	Elválasztás	→	H₂SO₄	→	Reakció 2
↓
H₂

A három reakció során a hidrogén termelési folyamata:

I₂ + SO₂ + 2 H₂O → 2 HI + H₂SO₄ (120 °C); Bunsen-reakció
- A HI elválasztása desztillációval vagy folyadék–folyadék gravitációs elválasztással történik.
2 H₂SO₄ → 2 SO₂ + 2 H₂O + O₂ (830 °C)
- A vizet, a SO₂-ot és a maradék kénsavat le lehet és kell választani az oxigén termék cseppfolyósításakor.
2 HI → I₂ + H₂ (450 °C)
- A jód és a víz vagy SO₂ maradvány szintén hűtés után kondenzál és leválasztható a maradék termékgáz hidrogén gáz halmazállapotban.

Nettó reakcióegyenlet: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

A kén-jód ciklusban ezek az elemek visszanyerhetőek és újrahasználhatóak az eljárásban, ezért ez a folyamat körfolyamatnak is tekinthető. A kén-jód ciklus egy kémiai hőerőgép. Hőenergiát fektetünk be a nagynyomású endoterm (2) és (3) reakciók vezetése során, majd a hő kilép a ciklusból az alacsony hőmérsékletű exoterm (1) reakcióból a hűtéssel. A hőenergia minőségromlásából fakadó entrópianövekedés adja a hidrogén-előállítás hajtóerejét.

Előnyök és hátrányok

A kén-jód körfolyamat jellemzői a következőkben részletezve:

A reaktánsok folyadékok, amik jól kezelhetőek a folyamatos üzemben;
Magas energiakihasználtság (50% körüli hatásfok), bár magas hőmérsékletigény (850 °C körül);
Zárt rendszerben megvalósítható melléktermék és oldószer nélkül;
Korrozív köztitermékek (jód, kén-dioxid, kénsav, hidrogén-jodid), melyek kezeléséhez magas minőségű szerkezeti anyagokból készült készülékek alkalmasak.
Felhasználható nap, nukleáris és hibrid (például nap - fosszilis) hőforrással dolgozó alkalmazásokban.
A leginkább kutatott-fejlesztett termokémiai vízbontó eljárás, bár további fejlesztésre van szükség ipari méretű alkalmazásban.

Kutatás

A kén-jód ciklus kifejlesztése a General Atomics vállalat keretein belül történt 1970-ben.^[1] A Japán Atomenergia Ügynökség (JAEA) által vezetett sikeres kísérletsorozatban a kén-jód ciklus egy héliumhűtésű, nagyhőmérsékletű tesztreaktorhoz kapcsolódóan került alkalmazásra. A HTTR^[2]^[3]^[4]^[5] kísérleti reaktor először 1998-ban lett beüzemelve (vált kritikus állapotúvá). A JAEA erre alapozva a jövőbeni negyedik generációs atomreaktorokkal gyártaná ipari méretben a hidrogént. (Japánban a folyamatot IS-ciklusnak nevezik.) Tervek készültek nagy méretű automatizált rendszerekben történő ipari hidrogén előállításra. A kutatások folynak több helyszínen, Amerikában és Európában.

Anyagtudományi kihívás

A kén-jód ciklus során a műveletek magas hőmérsékletű, korrozív vegyszerekkel történnek akár 1000 °C körüli hőmérsékleten. A szerkezeti anyagok kiválasztása során kulcsfontosságú szempont a korrózióállóság, ami a gazdaságos megvalósíthatóság kulcsa is. A szerkezeti anyagok a következő csoportokból jöhetnek szóba: különleges fémek, szuperötvözetek, kerámiák, polimerek és bevonatok.^[6]^[7] Néhány anyag például, ami szóba jöhet: tantálötvözetek, nióbiumötvözetek, nemesfémek, különleges szilícium acélok,^[8] néhány nikkel alapú szuperötvözet, szilícium-karbid, üveg, szilícium-nitrid és egyebek. Kutatott téma a prototípus méretben hasznát tantál felületi technológia méretnövelése nagyipari megvalósításhoz.^[9]

Hidrogén alapú gazdaság

A kén-jód ciklus egy lehetséges út a hidrogén alapú gazdaság ellátására. Ehhez nincs szükség szénhidrogénekre, mint a gőzzel történő reformálásnál, csak hő szükséges, ami származhat égésből, nukleáris forrásból vagy napenergiából.

Jegyzetek

↑ Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.
↑ HTTR High Temperature engineering Test Reactor. Httr.jaea.go.jp. [2014. február 3-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2014. január 23.)
↑ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf Archiválva 2016. december 21-i dátummal a Wayback Machine-ben. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009
↑ Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C)
↑ JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C. [2017. augusztus 10-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. október 10.)
↑ Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review. [2009. január 17-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. október 10.)
↑ (2007) „Construction materials development in sulfur–iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production”. International Journal of Hydrogen Energy 32 (4), 497–504. o. DOI:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.
↑ Saramet info sheet. [2006. február 14-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2008. február 16.)
↑ T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a.. [2011. július 24-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2009. február 19.)

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Sulfur–iodine cycle című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk

Hydrogen: Our Future made with Nuclear Archiválva 2017. október 10-i dátummal a Wayback Machine-ben (in MPR Profile issue 9)
Use of the modular helium reactor for hydrogen production (World Nuclear Association Symposium 2003)

Kapcsolódó szócikkek

[1] Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.

[2] HTTR High Temperature engineering Test Reactor. Httr.jaea.go.jp. [2014. február 3-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2014. január 23.)

[3] ttps://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf Archiválva 2016. december 21-i dátummal a Wayback Machine-ben. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009

[4] Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C)

[5] JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C. [2017. augusztus 10-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. október 10.)

[6] Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review. [2009. január 17-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. október 10.)

[7] (2007) „Construction materials development in sulfur–iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production”. International Journal of Hydrogen Energy 32 (4), 497–504. o. DOI:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.

[8] Saramet info sheet. [2006. február 14-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2008. február 16.)

[9] T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a.. [2011. július 24-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2009. február 19.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]