Millised on vesiniku tootmise viisid?
Praegu on vesiniku tootmiseks peamiselt järgmised meetodid:
Vesiniku tootmine fossiilkütustest: hõlmab peamiselt vesiniku tootmist maagaasist ja vesiniku tootmist kivisöest. Vesiniku tootmine maagaasist on praegu kõige olulisem vesiniku tootmise meetod, kasutades peamiselt metaani auruga reformimise meetodit. Kuigi kivisöest vesiniku tootmise hind on madal, ei ole see keskkonnasõbralik.
Tööstusliku vesiniku tootmise kõrvalsaadusena:Tööstuslikus tootmisprotsessis toodetud kõrvalsaaduste kasutamine vesiniku tootmiseks on madal. See hõlmab peamiselt vesiniku tootmist koksiahju gaasist ja kloorleelisetööstuses toodetud vesinikku.
Vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel:Vesinik toodetakse vee elektrolüüsi teel. Toode on kõrge puhtusastmega ja ei saasta. See on tulevase arengu võtmesuund. Praegused kulud on aga suhteliselt suured ja neid tuleb veelgi vähendada.
Madal energiatarve ja parem efektiivsus.
Biomassi vesiniku tootmine:Biomassi materjalide kasutamine vesiniku tootmiseks bioloogiliste või termokeemiliste protsesside kaudu ei ole tehnoloogia veel täielikult küps.
Vee fotolüüs vesiniku saamiseks:Päikeseenergia kasutamine vee otseseks jagamiseks vesiniku tootmiseks on tehnoloogia alles uurimis- ja arendusjärgus.
Majanduse ja tehnoloogilise küpsuse vaatenurgast domineerivad praegu vesiniku tootmine maagaasist ja tööstusliku kõrvalsaadusena vesinik. Kuid pikemas perspektiivis peetakse vesiniku tootmist vee elektrolüüsi teel selle puhaste ja keskkonnasõbralike omaduste tõttu tulevase arengu võtmesuunaks. Tänu tehnoloogilisele arengule ja kulude vähendamisele avab vee elektrolüüsil vesiniku tootmine järgmise 3-5 aasta jooksul olulisi arenguvõimalusi.
Mis on roheline vesinik, sinine vesinik, hall vesinik?
Sõltuvalt vesiniku tootmismeetodist ja süsinikuheite määrast võib vesiniku jagada kolme tüüpi: hall vesinik, sinine vesinik ja roheline vesinik:
Hall vesinik:
Hall vesinik on fossiilkütustest (nagu maagaas, kivisüsi, nafta jne) toodetud vesinik. See on praegu kõige olulisem vesiniku tootmise meetod, mis moodustab ligikaudu 95% ülemaailmsest vesiniku tootmisest. Halli vesiniku tootmiskulud on madalamad, kuid süsinikuheitmed on suured ja avaldavad suuremat mõju keskkonnale.
Sinine vesinik:
Sinist vesinikku toodetakse ka fossiilkütustest (peamiselt maagaasist), kuid tootmisprotsessis kasutatakse süsiniku kogumise ja säilitamise (CCS) tehnoloogiat. See meetod võib oluliselt vähendada süsinikdioksiidi heitkoguseid, kuid kogumiskulud on suured. Sinist vesinikku peetakse vaheproduktiks üleminekul hallilt vesinikult rohelisele vesinikule.
Roheline vesinik:
Roheline vesinik on vesinik, mis saadakse vee elektrolüüsil taastuvate energiaallikate (näiteks päikeseenergia, tuuleenergia jne) abil. See meetod ei tekita peaaegu üldse süsinikuheidet kogu tootmisprotsessi jooksul ja on puhtaim viis vesiniku tootmiseks. Praegu on rohelise vesiniku hind suhteliselt kõrge, kuid taastuvenergia maksumuse vähenedes ja elektrolüüsitehnoloogia arenedes eeldatakse, et selle ökonoomika paraneb jätkuvalt.
Praegu on vesiniku tootmiseks vee elektrolüüsimise teel peamiselt järgmised viisid:
ALK on aluselise vee elektrolüüs
ALK on aluselise vee elektrolüüs,nimetatakse sageli ka AWE-ks (aluselise vee elektrolüüs). See on traditsiooniline ja arenenud tehnoloogia vee elektrolüüsimiseks vesiniku tootmiseks. Järgmised on ALK/AWE peamised omadused:
tööpõhimõte:
Leeliselises elektrolüüdis (tavaliselt 20%-30% KOH või NaOH lahus) tekib vesinik katoodil alalisvoolu kaudu vee redutseerimisel ja hapnik tekib vee oksüdeerimisel anoodil.
01
Põhikomponendid:
Elektrood: Tavaliselt kasutatakse metallisulameid nagu nikkel ja molübdeen
Diafragma: valmistatud poorsetest materjalidest, nagu asbest, keraamika, nailon jne.
Elektrolüüt: KOH või NaOH leeliseline lahus
02
Töötingimused:
Elektrolüüsi temperatuur: 70-90 kraadi
Elektrolüüsi rõhk: 1-3 MPa
03
eelis:
Küps tehnoloogia, mis saavutab tööstusliku rakenduse kõige varem
Süsteemi struktuur on lihtne ja hõlpsasti kasutatav
Madalad nõuded tooraine vee kvaliteedile
Seadme pikk kasutusiga, kuni 10-20 aastat või rohkem
Madalamad kulud ja hea ökonoomsus
04
puudus:
Voolutihedus on suhteliselt madal
Kehv dünaamiline reaktsioon
Tekib diafragma ristgaasi probleem
Leelis on söövitav
05
Prootonvahetusmembraani elektrolüüs (PEM):
Tahke polümeeri elektrolüütmembraani kasutamisel pole vedelat elektrolüüti vaja. Katoodil ühinevad prootonid (H+) elektronidega, moodustades gaasilise vesiniku; anoodil laguneb vesi hapnikuks ja prootoniteks. PEM-i eelisteks on suur voolutihedus ja kiire käivitamine.
tööpõhimõte:
Tahke polümeeri elektrolüütmembraani kasutamisel pole vedelat elektrolüüti vaja. Katoodil ühinevad prootonid (H+) elektronidega, moodustades gaasilise vesiniku; anoodil laguneb vesi hapnikuks ja prootoniteks. Prootonid transporditakse läbi membraani katoodile.
01
Põhikomponendid:
Elektrood: Tavaliselt kasutatakse väärismetallkatalüsaatoreid, nagu plaatina ja iriidium
Elektrolüüdi membraan: tavaliselt kasutatav perfluorosulfoonhappe membraan (nagu Nafioni membraan)
Bipolaarsed plaadid: kasutatakse elementide eraldamiseks ja voolu juhtimiseks
02
Töötingimused:
Temperatuur: 50-80 kraadi
Rõhk: kuni kümneid atmosfääre
03
eelis:
Suur voolutihedus, kuni 2 A/cm² või rohkem
Käivitub kiiresti ja reageerib kiiresti
Süsteem on kompaktne ja võtab enda alla väikese ala
Toodetud vesiniku puhtus on kõrge, kuni 99,999%.
Võib töötada kõrge rõhu all, et vähendada järgnevaid kokkusurumiskulusid
04
puudus:
Suuremad kulud, eriti väärismetallkatalüsaatorid ja prootonivahetusmembraanid
Kõrged veekvaliteedi nõuded nõuavad ülipuhta vee kasutamist
Eluiga on suhteliselt lühike, tavaliselt 20,000-50,000 tundi
05
arengusuund:
Teadustöö keskendub odavate katalüsaatorite väljatöötamisele, membraani jõudluse ja vastupidavuse parandamisele ning süsteemi disaini optimeerimisele kulude vähendamiseks.
PEM-tehnoloogia on oma kõrge efektiivsuse ja kiire reageerimise tõttu eriti sobiv kasutamiseks suure volatiilsusega taastuvate energiaallikatega. Tänu tehnoloogilisele arengule ja kulude vähendamisele hakatakse PEM-i järgmise 5-10 aasta jooksul laiemalt kasutama, eriti vesiniku hajutatud tootmise ja taastuvenergia vesiniku tootmise valdkonnas.
Anioonivahetusmembraani elektrolüüs (AEM):
Struktuur sarnaneb PEM-iga, kuid kasutab anioonivahetusmembraani. Eeliseks on see, et saab kasutada mitteväärismetallkatalüsaatoreid, mis eeldatavasti vähendab kulusid. Tehnoloogia on alles uurimis- ja arendusjärgus.
tööpõhimõte:
Kasutades elektrolüüdina anioonivahetusmembraani, transporditakse OH-ioonid katoodilt läbi membraani anoodile. Katoodil laguneb vesi ja tekib vesinik ja OH-; anoodil OH- oksüdeeritakse hapniku ja vee saamiseks.
01
Põhikomponendid:
Elektrood: kasutada võib mitteväärismetallkatalüsaatoreid, näiteks nikli- ja koobaltipõhiseid materjale
Elektrolüüdi membraan: anioonivahetusmembraan, mis koosneb tavaliselt polümeeri karkassist ja positiivselt laetud funktsionaalrühmadest
Elektrolüüt: puhas vesi või nõrk leeliseline lahus
02
Töötingimused:
Temperatuur: tavaliselt vahemikus 50-70 kraadi
Rõhk: võib töötada normaalrõhul või vähese rõhu all
03
eelis:
Kulude vähendamiseks saab kasutada mitteväärismetallkatalüsaatoreid
Voolutihedus on suurem, AWE ja PEM vahel
Lihtne süsteem, pole vaja keerulist veetöötlussüsteemi
Keskkonnasõbralik, kasutage puhast vett või nõrgalt aluselist lahust
04
puudus:
Tehnoloogia on suhteliselt uus ja seda pole veel laialdaselt turule viidud
Anioonivahetusmembraanide stabiilsust ja vastupidavust tuleb veelgi parandada
Ioonjuhtivus on suhteliselt madal
05
arengusuund:
Teadustöö keskendub suure jõudlusega, kõrge stabiilsusega anioonivahetusmembraanide ja sobivate tõhusate katalüsaatorite väljatöötamisele.
Kõrge temperatuuriga tahke oksiidelektrolüüs (SOE):
Elektrolüüsi teostamine kõrgel temperatuuril (700-900 kraadi) võib vähendada elektrolüüsiks vajalikku elektrienergiat. See tehnoloogia on aga veel tutvustamisjärgus ega ole veel saavutanud ulatuslikku turustamist.
tööpõhimõte:
Kõrgetel temperatuuridel (700-900 kraadi) redutseeritakse veeaur katoodil vesiniku ja hapniku ioonide tekitamiseks. Hapnikuioonid transporditakse läbi tahke oksiidelektrolüüdi anoodile, kus need oksüdeeritakse hapniku tootmiseks.
01
Põhikomponendid:
Elektroodid: tavaliselt kasutatakse katoodina niklipõhiseid materjale ja anoodina koobaltipõhist või lantaanstrontsiummangaanoksiidi
Elektrolüüt: tahke oksiidkeraamiline materjal, näiteks ütriumiga legeeritud tsirkooniumoksiid (YSZ)
Ühendusplaat: tavaliselt kasutatakse kõrge temperatuurikindlaid sulamimaterjale
02
Töötingimused:
Temperatuur: 700-900 kraadi
Rõhk: võib töötada normaalrõhul või rõhu all olevates tingimustes
03
eelis:
Kõrge elektrolüüsi efektiivsus, teoreetiline efektiivsus võib ulatuda 100% -ni
Elektritarbimise vähendamiseks saab kasutada kõrge temperatuuriga soojusallikaid, nagu tööstuslik heitsoojus või tuumaenergia
Pööratav töö, võib toota vesinikku ja elektrit (tahkeoksiidkütuseelemendi režiim)
Väärismetallkatalüsaatoreid pole vaja, mis vähendab kulusid
04
puudus:
Kõrgel temperatuuril töötamine seab materjalidele kõrged nõudmised ning probleeme on termilise tsükli ja termilise stressiga.
Pikk käivitusaeg, ei sobi sagedaseks käivitamiseks ja seiskamiseks
Tehnoloogia ei ole veel täielikult välja töötatud ja on alles tutvustamisjärgus
05
arengusuund:
Teadustöö keskendub kõrgele temperatuurile vastupidavate, pika elueaga elektroodide ja elektrolüütide materjalide väljatöötamisele ning süsteemi disaini optimeerimisele, et parandada tõhusust ja vähendada kulusid.
SOE tehnoloogiat peetakse paljutõotavaks vesiniku tootmise tehnoloogiaks tänu selle kõrgele efektiivsusele ja kõrge temperatuuriga soojusallikate kasutamisele. See sobib eriti hästi kasutamiseks koos kõrgtemperatuursete soojusallikatega, nagu tuumaenergia ja päikesesoojusenergia tootmine. Materjaliteaduse ja süsteemiintegratsiooni tehnoloogia edenedes saavutab SOE eeldatavasti järgmise 10-15 aasta jooksul kaubandusliku rakenduse, pakkudes uusi võimalusi suuremahuliseks ja tõhusaks rohelise vesiniku tootmiseks.
Nende meetodite hulgas on praegu kaks kõige laialdasemalt kasutatavat tehnoloogiat AWE ja PEM. AWE omab turgu valitsevat seisundit tänu oma madalatele kuludele ja arenenud tehnoloogiale ning sobib eriti hästi suuremahuliseks vesiniku tootmiseks. PEM sobib oma kõrge efektiivsuse ja kiire reageerimise tõttu rohkem kasutamiseks taastuvate energiaallikatega, millel on suurem volatiilsus. Tehnoloogia arenguga hakatakse PEM-i järgmise 5-10 aasta jooksul laiemalt kasutama.
Erinevate vesiniku tootmismeetodite maksumus
Rohelise vesiniku erinevad valmistamismeetodid viitavad peamiselt taastuvenergia kasutamisele vee elektrolüüsimisel vesiniku tootmiseks. Maksumus on järgmine:
Leeliselise elektrolüüsi vesiniku tootmine:
Maksumus on umbes 3-6 USD/kg. See on praegu kõige küpsem ja laialdasemalt kasutatav veeelektrolüüsi vesiniku tootmise tehnoloogia.
Prootonvahetusmembraani (PEM) elektrolüüsi vesiniku tootmine:
Maksumus on umbes 4-8 USD/kg. Võrreldes leeliseliste elektrolüsaatoritega on PEM-elektrolüsaatorid tõhusamad, kuid ka maksumus on pisut kõrgem.
Tahkeoksiidi elektrolüsaatori (SOEC) vesiniku tootmine:
Maksumus on umbes 5-9 USD/kg. SOEC-tehnoloogia on alles arendusjärgus ja praegu on selle hind suhteliselt kõrge.
Tehnoloogilise arengu ja ulatuse laienemisega vähenevad rohelise vesiniku valmistamise kulud eeldatavasti veelgi. Eeldatakse, et taastuvenergia vee elektrolüüsil vesiniku tootmise kulud langevad tulevikus ligikaudu 2-3 USA dollarini/kg, muutes selle kuludega konkurentsivõimeliseks fossiilkütuste vesiniku tootmisega.
Tuleb märkida, et rohelise vesiniku erikulusid mõjutavad ka sellised tegurid nagu taastuvenergia kulud ja seadmete kasutamine ning see võib eri piirkondades ja rakendusstsenaariumides erineda.
|
Vesiniku valmistamise protsess |
toorained |
Tehnoloogia küpsus |
Energia muundamise efektiivsus (%) |
Maksumus (jüaani/kg) |
CO2 heitkogused (vesiniku kilogrammi kohta) |
|
|
Vesiniku tootmine fossiilenergiast |
Söe gaasistamine vesiniku tootmiseks |
kivisüsi |
Küpsed |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Söe gaasistamine+CCS |
kivisüsi |
Pilootskaala testimine on lõpetatud |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Söe ülekriitiline vee gaasistamine |
kivisüsi, vesi |
Pilootskaala testimine on lõpetatud |
60 |
8 |
0 |
|
|
CH4 aurureformimine (SMR) |
metaan |
Küpsed |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Tööstusliku kõrvalsaaduse vesiniku tootmine |
tööstuslikud kõrvalsaadused |
Küpsed |
- |
10-16 |
- |
|
|
Vee elektrolüüs vesiniku saamiseks |
Traditsiooniline energiajõu elektrolüüsi vesi AEL |
vesi |
Küpsed |
umbes 25 |
30-40 |
45 |
|
Taastuvenergia elektrolüüsitud vesi AEL |
vesi |
Küpsed |
umbes 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Taastuvenergia elektrolüüsitud vesi PEMEL |
vesi |
Suhteliselt küps ja lähedal industrialiseerimisele |
umbes 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Taastuvenergia elektrolüüsitud vesi SOEL |
vesi |
Demonstratsiooniprojekt |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Taastuvenergia jäätmeelektri elektrolüüsi vesi |
vesi |
Demonstratsiooniprojekt |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Muud uued tehnoloogiad |
Päikese fotolüüsi vesiniku tootmine |
vesi |
laboratoorsed etapid |
<10 |
- |
0 |
|
Biomassi kääritamine vesiniku tootmiseks |
Biomassi |
Demonstratsiooniprojekt |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Biomassi termokeemiline muundamine vesinikuks |
Biomassi |
Küpsed |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Termokeemilise tsükli vesiniku tootmine |
vesi |
laboratoorsed etapid |
Umbes 38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
Vesinikenergial on tulevases energiastruktuuris võtmeroll. Elektrolüütilise vee vesiniku tootmise tehnoloogia arendamise ja kulude vähendamisega kombineeritakse vesinikuenergiat taastuvenergiaga, et parandada energiasüsteemi stabiilsust ja töökindlust, edendada energia muundamist transpordis, tööstuses, elektritootmises ja muudes valdkondades ning saavutada säästev areng. Tavainimeste jaoks ei saa vesinikuenergia populariseerimine mitte ainult vähendada saastet ja parandada õhukvaliteeti, vaid pakkuda ka stabiilset ja puhast majapidamisenergiat ning tuua uusi töövõimalusi ja majanduskasvu punkte, parandades seeläbi ühiskonna üldist heaolu ja luues paremat maailma. . s tulevik.