Quines són les maneres de produir hidrogen?
Actualment, hi ha principalment els següents mètodes de producció d'hidrogen:
Producció d'hidrogen a partir de combustibles fòssils: inclou principalment la producció d'hidrogen a partir de gas natural i la producció d'hidrogen a partir del carbó. La producció d'hidrogen a partir de gas natural és actualment el mètode més important de producció d'hidrogen, utilitzant principalment el mètode de reformat amb vapor de metà. Tot i que el cost de produir hidrogen a partir del carbó és baix, no és respectuós amb el medi ambient.
Producció d'hidrogen de subproductes industrials:Utilitzant subproductes produïts en el procés de producció industrial per produir hidrogen, el cost és baix. Inclou principalment la producció d'hidrogen a partir del gas del forn de coc i l'hidrogen produït per la indústria de clor-àlcali.
Producció d'hidrogen per electròlisi de l'aigua:L'hidrogen es produeix per electròlisi de l'aigua. El producte té una puresa alta i no contamina. És una direcció clau per al desenvolupament futur. No obstant això, el cost actual és relativament elevat i s'ha de reduir encara més.
Baix consum d'energia i millora de l'eficiència.
Producció d'hidrogen de biomassa:Utilitzant materials de biomassa per produir hidrogen mitjançant processos biològics o termoquímics, la tecnologia encara no està del tot madura.
Fotòlisi de l'aigua per produir hidrogen:Utilitzant l'energia solar per dividir directament l'aigua per produir hidrogen, la tecnologia encara es troba en fase d'investigació i desenvolupament.
Des de la perspectiva de l'economia i la maduresa tecnològica, actualment predominen la producció d'hidrogen a partir del gas natural i l'hidrogen subproducte industrial. Però a la llarga, la producció d'hidrogen per electròlisi de l'aigua es considera una direcció clau per al desenvolupament futur a causa de les seves característiques netes i respectuoses amb el medi ambient. Amb l'avenç tecnològic i la reducció de costos, s'espera que la producció d'hidrogen a partir de l'electròlisi de l'aigua introdueixi importants oportunitats de desenvolupament durant els propers 3-5 anys.
Què és l'hidrogen verd, l'hidrogen blau, l'hidrogen gris?
Segons el mètode de producció d'hidrogen i el grau d'emissió de carboni, l'hidrogen es pot dividir en tres tipus: hidrogen gris, hidrogen blau i hidrogen verd:
Hidrogen gris:
L'hidrogen gris és l'hidrogen produït a partir de combustibles fòssils (com el gas natural, el carbó, el petroli, etc.). Aquest és actualment el mètode més important de producció d'hidrogen, que representa aproximadament el 95% de la producció mundial d'hidrogen. Els costos de producció d'hidrogen gris són més baixos, però les emissions de carboni són grans i tenen un impacte més gran en el medi ambient.
Hidrogen blau:
L'hidrogen blau també es produeix a partir de combustibles fòssils (principalment gas natural), però utilitza tecnologia de captura i emmagatzematge de carboni (CCS) en el procés de producció. Aquest mètode pot reduir significativament les emissions de carboni, però el cost de captura és elevat. L'hidrogen blau es considera un producte intermedi en la transició de l'hidrogen gris a l'hidrogen verd.
Hidrogen verd:
L'hidrogen verd és l'hidrogen produït mitjançant l'electrolisi de l'aigua utilitzant fonts d'energia renovables (com l'energia solar, eòlica, etc.). Aquest mètode gairebé no produeix emissions de carboni durant tot el procés de producció i és la forma més neta de produir hidrogen. Actualment, el cost de l'hidrogen verd és relativament elevat, però a mesura que el cost de l'energia renovable disminueix i la tecnologia d'electròlisi avança, s'espera que la seva economia continuï millorant.
Actualment, hi ha principalment les següents maneres de produir hidrogen mitjançant l'electròlisi de l'aigua:
ALK és l'electròlisi d'aigua alcalina
ALK és l'electròlisi d'aigua alcalina,també s'anomena sovint AWE (electròlisi d'aigua alcalina). Aquesta és una tecnologia tradicional i madura per electrolitzar l'aigua per produir hidrogen. Les següents són les principals característiques d'ALK/AWE:
principi de funcionament:
En un electròlit alcalí (normalment una solució al 20% -30% de KOH o NaOH), l'hidrogen es genera reduint l'aigua al càtode mitjançant corrent continu i l'oxigen es genera oxidant l'aigua a l'ànode.
01
Components bàsics:
Elèctrode: Normalment s'utilitzen aliatges metàl·lics com el níquel i el molibdè
Diafragma: Fabricat amb materials porosos com amiant, ceràmica, niló, etc.
Electròlit: solució alcalina de KOH o NaOH
02
Condicions de treball:
Temperatura d'electròlisi: 70-90 graus
Pressió d'electròlisi: 1-3 MPa
03
avantatge:
Tecnologia madura, la més primerenca per aconseguir l'aplicació industrial
L'estructura del sistema és senzilla i fàcil d'operar
Baixos requisits de qualitat de l'aigua de la matèria primera
Llarga vida útil de l'equip, fins a 10-20 anys o més
Menor cost i bona economia
04
mancança:
La densitat de corrent és relativament baixa
Poca resposta dinàmica
Hi ha un problema de gas creuat del diafragma
La lleixa és corrosiva
05
Electròlisi de membrana d'intercanvi de protons (PEM):
Utilitzant una membrana d'electròlit de polímer sòlid, no es requereix cap electròlit líquid. Al càtode, els protons (H+) es combinen amb els electrons per formar hidrogen gasós; a l'ànode, l'aigua es descompon per formar oxigen i protons. PEM té els avantatges d'una alta densitat de corrent i d'un engegada ràpid.
principi de funcionament:
Utilitzant una membrana d'electròlit de polímer sòlid, no es requereix cap electròlit líquid. Al càtode, els protons (H+) es combinen amb els electrons per formar hidrogen gasós; a l'ànode, l'aigua es descompon per formar oxigen i protons. Els protons es transporten a través de la membrana fins al càtode.
01
Components bàsics:
Elèctrode: Normalment s'utilitzen catalitzadors de metalls nobles, com el platí i l'iridi
Membrana d'electròlits: membrana d'àcid perfluorosulfònic d'ús habitual (com la membrana Nafion)
Plaques bipolars: s'utilitzen per separar cèl·lules unitats i conduir el corrent
02
Condicions de treball:
Temperatura: 50-80 graus
Pressió: fins a desenes d'atmosferes
03
avantatge:
Alta densitat de corrent, fins a 2 A/cm² o més
Comença ràpidament i respon ràpidament
El sistema és compacte i ocupa una petita superfície
La puresa de l'hidrogen produït és alta, fins al 99,999%
Pot funcionar a alta pressió per reduir els costos de compressió posteriors
04
mancança:
Costos més elevats, especialment catalitzadors de metalls preciosos i membranes d'intercanvi de protons
Els requisits d'alta qualitat de l'aigua requereixen l'ús d'aigua ultrapura
La vida útil és relativament curta, normalment 20,000-50,000 hores
05
tendència de desenvolupament:
Els focus de recerca inclouen el desenvolupament de catalitzadors de baix cost, la millora del rendiment i la durabilitat de la membrana i l'optimització del disseny del sistema per reduir costos.
La tecnologia PEM és especialment adequada per al seu ús amb fonts d'energia renovables amb alta volatilitat a causa de la seva alta eficiència i ràpida resposta. Amb l'avenç tecnològic i la reducció de costos, s'espera que el PEM s'utilitzi més àmpliament en els propers 5-10 anys, especialment en els camps de la producció d'hidrogen distribuïda i la producció d'hidrogen d'energia renovable.
Electròlisi de membrana d'intercanvi d'anions (AEM):
L'estructura és similar a la del PEM, però utilitza una membrana d'intercanvi d'anions. L'avantatge és que es poden utilitzar catalitzadors de metalls no nobles, que s'espera que redueixin els costos. La tecnologia encara es troba en fase d'investigació i desenvolupament.
principi de funcionament:
Utilitzant una membrana d'intercanvi d'anions com a electròlit, els ions OH- es transporten des del càtode a través de la membrana fins a l'ànode. Al càtode, l'aigua es descompon per produir hidrogen i OH-; a l'ànode, OH- s'oxida per produir oxigen i aigua.
01
Components bàsics:
Elèctrode: es poden utilitzar catalitzadors de metalls no nobles, com ara materials a base de níquel i cobalt
Membrana d'electròlits: membrana d'intercanvi d'anions, normalment composta per una columna vertebral de polímer i grups funcionals carregats positivament
Electròlit: aigua pura o solució alcalina feble
02
Condicions de treball:
Temperatura: normalment entre 50-70 graus
Pressió: pot funcionar a pressió normal o lleugerament pressuritzat
03
avantatge:
Es poden utilitzar catalitzadors de metalls no preciosos per reduir costos
La densitat de corrent és més alta, entre AWE i PEM
Sistema senzill, no requereix un sistema complex de tractament d'aigua
Respecte al medi ambient, utilitzeu aigua pura o solució poc alcalina
04
mancança:
La tecnologia és relativament nova i encara no s'ha comercialitzat a gran escala
L'estabilitat i la durabilitat de les membranes d'intercanvi d'anions s'han de millorar encara més
La conductivitat iònica és relativament baixa
05
tendència de desenvolupament:
Els focus de recerca inclouen el desenvolupament de membranes d'intercanvi d'anions d'alt rendiment i alta estabilitat i catalitzadors eficients coincidents.
Electròlisi d'òxid sòlid d'alta temperatura (SOE):
L'electròlisi a altes temperatures ({0}} graus) pot reduir l'energia elèctrica necessària per a l'electròlisi. Tanmateix, aquesta tecnologia encara es troba en fase de demostració i encara no ha aconseguit una comercialització a gran escala.
principi de funcionament:
A altes temperatures (700-900 graus), el vapor d'aigua es redueix al càtode per generar ions d'hidrogen i oxigen. Els ions d'oxigen es transporten a través de l'electròlit d'òxid sòlid fins a l'ànode, on s'oxiden per generar oxigen.
01
Components bàsics:
Elèctrodes: solen utilitzar materials a base de níquel com a càtode i òxid de manganès a base de cobalt o lantà estronci com a ànode
Electròlit: material ceràmic d'òxid sòlid, com ara zirconi dopat amb ittri (YSZ)
Placa d'interconnexió: normalment utilitza materials d'aliatge resistents a altes temperatures
02
Condicions de treball:
Temperatura: 700-900 graus
Pressió: pot funcionar sota pressió normal o en condicions de pressió
03
avantatge:
Alta eficiència d'electròlisi, l'eficiència teòrica pot arribar al 100%
Les fonts de calor d'alta temperatura, com ara la calor residual industrial o l'energia nuclear, es poden utilitzar per reduir el consum d'electricitat
Funcionament reversible, pot produir hidrogen i generar electricitat (mode de pila de combustible d'òxid sòlid)
No es requereixen catalitzadors de metalls preciosos, reduint costos
04
mancança:
El funcionament a alta temperatura exigeix els materials, i hi ha problemes amb el cicle tèrmic i l'estrès tèrmic.
Temps d'arrencada llarg, no adequat per a arrencades i parades freqüents
La tecnologia encara no està del tot madura i encara es troba en fase de demostració
05
tendència de desenvolupament:
Els focus d'investigació inclouen el desenvolupament de materials d'electròlits i electròlits resistents a altes temperatures i de llarga vida, i l'optimització del disseny del sistema per millorar l'eficiència i reduir costos.
La tecnologia SOE es considera una tecnologia prometedora de producció d'hidrogen a causa de la seva alta eficiència i utilització de fonts de calor d'alta temperatura. És especialment adequat per al seu ús en combinació amb fonts de calor d'alta temperatura com l'energia nuclear i la generació d'energia solar tèrmica. Amb l'avenç de la ciència dels materials i la tecnologia d'integració de sistemes, s'espera que SOE aconsegueixi una aplicació comercial en els propers 10-15 anys, proporcionant noves possibilitats per a la producció d'hidrogen verd a gran escala i d'alta eficiència.
Entre aquests mètodes, AWE i PEM són actualment les dues tecnologies més utilitzades. AWE ocupa una posició dominant a causa del seu baix cost i tecnologia madura, i és especialment adequat per a la producció d'hidrogen a gran escala. El PEM és més adequat per al seu ús amb fonts d'energia renovables amb una major volatilitat a causa de la seva alta eficiència i ràpida resposta. Amb l'avenç tecnològic, s'espera que PEM s'utilitzi més àmpliament en els propers 5-10 anys.
El cost dels diferents mètodes de producció d'hidrogen
Els diferents mètodes de preparació de l'hidrogen verd fan referència principalment a l'ús d'energies renovables per electrolitzar l'aigua per produir hidrogen. El cost és el següent:
Producció d'hidrogen per electrolitzador alcalí:
El cost és d'uns 3-6$/kg. Aquesta és actualment la tecnologia de producció d'hidrogen per electròlisi d'aigua més madura i àmpliament utilitzada.
Producció d'hidrogen de l'electrolitzador de membrana d'intercanvi de protons (PEM):
El cost és d'uns 4-8$/kg. En comparació amb els electrolitzadors alcalins, els electrolitzadors PEM són més eficients, però el cost també és lleugerament més elevat.
Producció d'hidrogen de l'electrolitzador d'òxid sòlid (SOEC):
El cost és d'uns 5-9$/kg. La tecnologia SOEC encara està en fase de desenvolupament i actualment té un cost relativament elevat.
Amb l'avenç tecnològic i l'expansió a escala, s'espera que el cost de la preparació d'hidrogen verd es redueixi encara més. S'espera que el cost de la producció d'hidrogen a partir de l'electròlisi de l'aigua d'energia renovable baixi a uns 2-3 USD/kg en el futur, cosa que farà que sigui competitiu en costos amb la producció d'hidrogen de combustibles fòssils.
Cal tenir en compte que el cost específic de l'hidrogen verd també es veu afectat per factors com ara els costos d'energia renovable i la utilització d'equips, i pot diferir en diferents regions i escenaris d'aplicació.
|
Procés de preparació d'hidrogen |
matèries primeres |
La maduresa tecnològica |
Eficiència de conversió d'energia (%) |
Cost (iuans/kg) |
Emissions de CO2 (per quilogram d'hidrogen) |
|
|
Producció d'hidrogen a partir d'energia fòssil |
Gasificació del carbó per produir hidrogen |
carbó |
madur |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Gasificació del carbó+CCS |
carbó |
Prova a escala pilot completada |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Gasificació d'aigua supercrítica del carbó |
carbó, aigua |
Prova a escala pilot completada |
60 |
8 |
0 |
|
|
Reformat amb vapor CH4 (SMR) |
metà |
madur |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Producció d'hidrogen de subproductes industrials |
subproductes industrials |
madur |
- |
10-16 |
- |
|
|
Electròlisi de l'aigua per produir hidrogen |
Energia tradicional potència electròlisi aigua AEL |
aigua |
madur |
uns 25 |
30-40 |
45 |
|
Aigua electrolitzada d'energies renovables AEL |
aigua |
madur |
uns 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Aigua electrolitzada d'energies renovables PEMEL |
aigua |
Relativament madur i proper a la industrialització |
uns 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Aigua electrolitzada d'energies renovables SOEL |
aigua |
Projecte demostratiu |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Energies renovables residus electricitat electròlisi aigua |
aigua |
Projecte demostratiu |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Altres noves tecnologies |
Fotòlisi solar Producció d'hidrogen |
aigua |
etapa de laboratori |
<10 |
- |
0 |
|
Fermentació de biomassa per produir hidrogen |
biomassa |
Projecte demostratiu |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Conversió termoquímica de la biomassa en hidrogen |
biomassa |
madur |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Cicle termoquímic de producció d'hidrogen |
aigua |
etapa de laboratori |
Sobre 38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
L'energia de l'hidrogen jugarà un paper clau en la futura estructura energètica. Amb el desenvolupament de la tecnologia de producció d'hidrogen d'aigua electrolítica i la reducció de costos, l'energia d'hidrogen es combinarà amb energies renovables per millorar l'estabilitat i la fiabilitat del sistema energètic, promoure la transformació energètica en el transport, la indústria, la generació d'energia i altres camps, i aconseguir desenvolupament sostenible. Per a la gent comuna, la popularització de l'energia d'hidrogen no només pot reduir la contaminació i millorar la qualitat de l'aire, sinó que també pot proporcionar energia domèstica estable i neta i aportar noves oportunitats laborals i punts de creixement econòmic, millorant així el benestar general de la societat i creant un món millor. . el futur.