Kokie yra vandenilio gamybos būdai?
Šiuo metu daugiausia naudojami šie vandenilio gamybos būdai:
Vandenilio gamyba iš iškastinio kuro: daugiausia apima vandenilio gamybą iš gamtinių dujų ir vandenilio gamybą iš anglies. Vandenilio gamyba iš gamtinių dujų šiuo metu yra svarbiausias vandenilio gamybos būdas, daugiausia naudojant metano garų riformingo metodą. Nors vandenilio gamybos iš anglies kaina yra maža, ji nėra ekologiška.
Šalutinis pramoninis vandenilio produktas:Šalutinius produktus, pagamintus pramoninės gamybos procese, naudojant vandeniliui gaminti, kaina yra maža. Tai daugiausia apima vandenilio gamybą iš kokso krosnių dujų ir vandenilio, pagaminto chloro ir šarmų pramonėje.
Vandenilio gamyba vandens elektrolizės būdu:Vandenilis susidaro vandens elektrolizės būdu. Produktas yra labai grynas ir neteršia. Tai pagrindinė ateities plėtros kryptis. Tačiau dabartinės išlaidos yra gana didelės ir jas reikia toliau mažinti.
Mažas energijos suvartojimas ir geresnis efektyvumas.
Biomasės vandenilio gamyba:Naudojant biomasės medžiagas vandeniliui gaminti naudojant biologinius ar termocheminius procesus, technologija dar nėra visiškai subrendusi.
Vandens fotolizė gaminant vandenilį:Naudojant saulės energiją tiesiogiai dalijant vandenį vandenilio gamybai, technologija vis dar yra tyrimų ir plėtros stadijoje.
Ekonomikos ir technologinės brandos požiūriu šiuo metu dominuoja vandenilio gamyba iš gamtinių dujų ir pramoninio šalutinio produkto vandenilis. Tačiau ilgainiui vandenilio gamyba vandens elektrolizės būdu yra laikoma pagrindine ateities plėtros kryptimi dėl savo švarių ir aplinkai nekenksmingų savybių. Tikimasi, kad tobulėjant technologijoms ir mažėjant sąnaudoms, vandenilio gamyba iš vandens elektrolizės per ateinančius 3-5 metus atvers svarbias plėtros galimybes.
Kas yra žalias vandenilis, mėlynasis vandenilis, pilkasis vandenilis?
Atsižvelgiant į vandenilio gamybos būdą ir anglies emisijos laipsnį, vandenilis gali būti suskirstytas į tris tipus: pilkasis vandenilis, mėlynasis vandenilis ir žaliasis vandenilis:
Pilkasis vandenilis:
Pilkasis vandenilis yra vandenilis, gaunamas iš iškastinio kuro (tokių kaip gamtinės dujos, anglis, nafta ir kt.). Šiuo metu tai yra svarbiausias vandenilio gamybos būdas, sudarantis maždaug 95 % pasaulio vandenilio gavybos. Pilko vandenilio gamybos sąnaudos yra mažesnės, tačiau anglies dvideginio emisija yra didelė ir daro didesnį poveikį aplinkai.
Mėlynas vandenilis:
Mėlynasis vandenilis taip pat gaminamas iš iškastinio kuro (daugiausia gamtinių dujų), tačiau gamybos procese naudojama anglies surinkimo ir saugojimo (CCS) technologija. Šis metodas gali žymiai sumažinti anglies dvideginio išmetimą, tačiau surinkimo kaina yra didelė. Mėlynas vandenilis laikomas tarpiniu produktu pereinant nuo pilkojo vandenilio prie žalio vandenilio.
Žalias vandenilis:
Žaliasis vandenilis yra vandenilis, gaunamas elektrolizuojant vandenį naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius (pvz., saulės energiją, vėjo energiją ir kt.). Šis metodas beveik neišskiria anglies dvideginio per visą gamybos procesą ir yra švariausias vandenilio gamybos būdas. Šiuo metu žaliojo vandenilio kaina yra gana didelė, tačiau mažėjant atsinaujinančios energijos sąnaudoms ir tobulėjant elektrolizės technologijoms, tikimasi, kad jo ekonomika ir toliau gerės.
Šiuo metu daugiausia yra šie vandenilio gamybos būdai elektrolizuojant vandenį:
ALK yra šarminė vandens elektrolizė
ALK yra šarminė vandens elektrolizė,taip pat dažnai vadinamas AWE (šarminė vandens elektrolizė). Tai tradicinė ir brandi technologija, skirta vandens elektrolizei gaminti vandenilį. Toliau pateikiamos pagrindinės ALK/AWE savybės:
darbo principas:
Šarminiame elektrolite (dažniausiai 20 % -30 % KOH arba NaOH tirpalas) vandenilis susidaro redukuojant vandenį prie katodo per nuolatinę srovę, o deguonis susidaro oksiduojant vandenį prie anodo.
01
Pagrindiniai komponentai:
Elektrodas: Paprastai naudojami metalų lydiniai, tokie kaip nikelis ir molibdenas
Diafragma: pagaminta iš akytų medžiagų, tokių kaip asbestas, keramika, nailonas ir kt.
Elektrolitas: KOH arba NaOH šarminis tirpalas
02
Darbo sąlygos:
Elektrolizės temperatūra: 70-90 laipsniai
Elektrolizės slėgis: 1-3 MPa
03
privalumas:
Brandžios technologijos, anksčiausiai pritaikytos pramonėje
Sistemos struktūra paprasta ir lengvai valdoma
Žemi žaliavos vandens kokybės reikalavimai
Ilgas įrangos eksploatavimo laikas, iki 10-20 metų ar daugiau
Mažesnė kaina ir gera ekonomika
04
trūkumas:
Srovės tankis yra palyginti mažas
Prastas dinaminis atsakas
Yra diafragmos skersinių dujų problema
Šarmas yra ėsdinantis
05
Protonų mainų membranos elektrolizė (PEM):
Naudojant kietą polimero elektrolito membraną, skysto elektrolito nereikia. Prie katodo protonai (H+) jungiasi su elektronais ir susidaro vandenilio dujos; prie anodo vanduo skyla ir susidaro deguonis ir protonai. PEM pranašumai yra didelis srovės tankis ir greitas paleidimas.
darbo principas:
Naudojant kietą polimero elektrolito membraną, skysto elektrolito nereikia. Prie katodo protonai (H+) jungiasi su elektronais ir susidaro vandenilio dujos; prie anodo vanduo skyla ir susidaro deguonis ir protonai. Protonai per membraną pernešami į katodą.
01
Pagrindiniai komponentai:
Elektrodas: Paprastai naudojami tauriųjų metalų katalizatoriai, tokie kaip platina ir iridis
Elektrolitų membrana: dažniausiai naudojama perfluorsulfonrūgšties membrana (pvz., Nafion membrana)
Bipolinės plokštės: naudojamos elementams atskirti ir srovei pravesti
02
Darbo sąlygos:
Temperatūra: 50-80 laipsnis
Slėgis: iki dešimčių atmosferų
03
privalumas:
Didelis srovės tankis, iki 2 A/cm² ar daugiau
Greitai įsijungia ir greitai reaguoja
Sistema yra kompaktiška ir užima nedidelį plotą
Pagaminto vandenilio grynumas yra aukštas, iki 99,999 proc.
Gali veikti esant aukštam slėgiui, kad sumažintų vėlesnes suspaudimo išlaidas
04
trūkumas:
Didesnės sąnaudos, ypač brangiųjų metalų katalizatoriai ir protonų mainų membranos
Aukšti vandens kokybės reikalavimai reikalauja naudoti itin gryną vandenį
Gyvenimo trukmė yra palyginti trumpa, paprastai 20,000-50,000 valandų
05
plėtros tendencija:
Moksliniai tyrimai apima pigių katalizatorių kūrimą, membranos našumo ir ilgaamžiškumo gerinimą bei sistemos dizaino optimizavimą siekiant sumažinti išlaidas.
Dėl didelio efektyvumo ir greito atsako PEM technologija ypač tinka naudoti su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, pasižyminčiais dideliu nepastovumu. Tikimasi, kad tobulėjant technologijoms ir sumažinus sąnaudas, per ateinančius 5-10 metus PEM bus plačiau naudojamas, ypač paskirstytos vandenilio gamybos ir atsinaujinančios energijos vandenilio gamybos srityse.
Anijonų mainų membranos elektrolizė (AEM):
Struktūra panaši į PEM, tačiau naudojama anijonų mainų membrana. Privalumas yra tas, kad gali būti naudojami netauriųjų metalų katalizatoriai, todėl tikimasi sumažinti išlaidas. Ši technologija vis dar yra tyrimų ir plėtros stadijoje.
darbo principas:
Naudojant anijonų mainų membraną kaip elektrolitą, OH-jonai pernešami iš katodo per membraną į anodą. Prie katodo vanduo skyla ir susidaro vandenilis ir OH-; prie anodo OH- oksiduojasi, gamindamas deguonį ir vandenį.
01
Pagrindiniai komponentai:
Elektrodas: galima naudoti ne tauriųjų metalų katalizatorius, pvz., nikelio ir kobalto pagrindu pagamintas medžiagas
Elektrolitų membrana: anijonų mainų membrana, paprastai sudaryta iš polimero pagrindo ir teigiamai įkrautų funkcinių grupių
Elektrolitas: grynas vanduo arba silpnas šarminis tirpalas
02
Darbo sąlygos:
Temperatūra: paprastai 50-70 laipsnio diapazone
Slėgis: gali veikti esant normaliam slėgiui arba esant nedideliam slėgiui
03
privalumas:
Sąnaudoms sumažinti galima naudoti nebrangiųjų metalų katalizatorius
Srovės tankis yra didesnis, tarp AWE ir PEM
Paprasta sistema, nereikia sudėtingos vandens valymo sistemos
Ekologiška, naudokite gryną vandenį arba silpnai šarminį tirpalą
04
trūkumas:
Ši technologija yra palyginti nauja ir dar nebuvo plačiai parduota
Reikia toliau gerinti anijonų mainų membranų stabilumą ir ilgaamžiškumą
Jonų laidumas yra palyginti mažas
05
plėtros tendencija:
Moksliniai tyrimai apima didelio našumo, didelio stabilumo anijonų mainų membranų ir atitinkamų efektyvių katalizatorių kūrimą.
Aukštos temperatūros kietojo oksido elektrolizė (SOE):
Atliekant elektrolizę aukštoje temperatūroje (700-900 laipsnis), gali sumažėti elektrolizei reikalinga elektros energija. Tačiau ši technologija vis dar yra demonstravimo stadijoje ir dar nepasiekė didelio masto komercializavimo.
darbo principas:
Esant aukštai temperatūrai (700-900 laipsnis), vandens garai redukuojami prie katodo, kad susidarytų vandenilio ir deguonies jonai. Deguonies jonai per kietąjį oksido elektrolitą transportuojami į anodą, kur jie oksiduojami, kad susidarytų deguonis.
01
Pagrindiniai komponentai:
Elektrodai: paprastai kaip katodą naudokite nikelio pagrindu pagamintas medžiagas, o kaip anodą - kobalto arba lantano stroncio mangano oksidą
Elektrolitas: kieto oksido keramikos medžiaga, tokia kaip itriu legiruotas cirkonis (YSZ)
Sujungimo plokštė: paprastai naudojamos aukštai temperatūrai atsparios lydinio medžiagos
02
Darbo sąlygos:
Temperatūra: 700-900 laipsnis
Slėgis: gali veikti esant normaliam slėgiui arba esant slėgiui
03
privalumas:
Didelis elektrolizės efektyvumas, teorinis efektyvumas gali siekti 100%
Aukštos temperatūros šilumos šaltiniai, tokie kaip pramoninė atliekų šiluma arba branduolinė energija, gali būti naudojami elektros energijos suvartojimui sumažinti
Grįžtamasis veikimas, gali gaminti vandenilį ir elektros energiją (kieto oksido kuro elementų režimas)
Nereikia brangiųjų metalų katalizatorių, todėl sumažėja išlaidos
04
trūkumas:
Dirbant aukštoje temperatūroje, medžiagoms keliami dideli reikalavimai, kyla problemų dėl terminio ciklo ir šiluminio įtempimo.
Ilgas paleidimo laikas, netinka dažnam paleidimui ir sustojimui
Technologija dar nėra visiškai subrendusi ir vis dar demonstravimo stadijoje
05
plėtros tendencija:
Moksliniai tyrimai apima aukštai temperatūrai atsparių, ilgaamžių elektrodų ir elektrolitų medžiagų kūrimą ir sistemos dizaino optimizavimą, siekiant pagerinti efektyvumą ir sumažinti išlaidas.
SOE technologija yra laikoma perspektyvia vandenilio gamybos technologija dėl didelio efektyvumo ir aukštos temperatūros šilumos šaltinių panaudojimo. Jis ypač tinkamas naudoti kartu su aukštos temperatūros šilumos šaltiniais, tokiais kaip branduolinė energija ir saulės šiluminės energijos gamyba. Tobulėjant medžiagų mokslui ir sistemų integravimo technologijoms, tikimasi, kad SOE per ateinančius 10-15 metus bus pritaikyta komerciškai ir suteiks naujų galimybių didelio masto, didelio efektyvumo žaliojo vandenilio gamybai.
Tarp šių metodų šiuo metu AWE ir PEM yra dvi plačiausiai naudojamos technologijos. AWE užima dominuojančią padėtį dėl savo mažų sąnaudų ir brandžios technologijos ir yra ypač tinkamas didelio masto vandenilio gamybai. Dėl didelio efektyvumo ir greito atsako PEM labiau tinka naudoti su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, kurių nepastovumas yra didesnis. Tikimasi, kad tobulėjant technologijoms, PEM bus plačiau naudojamas per ateinančius 5-10 metus.
Įvairių vandenilio gamybos būdų kaina
Įvairūs žaliojo vandenilio paruošimo būdai daugiausia susiję su atsinaujinančios energijos naudojimu vandeniui elektrolizuoti ir gaminti vandenilį. Kaina yra tokia:
Šarminio elektrolizatoriaus vandenilio gamyba:
Kaina yra apie 3-6 USD/kg. Tai šiuo metu brandžiausia ir plačiausiai naudojama vandens elektrolizės vandenilio gamybos technologija.
Protonų mainų membranos (PEM) elektrolizatoriaus vandenilio gamyba:
Kaina yra apie 4-8 USD/kg. Palyginti su šarminiais elektrolizatoriais, PEM elektrolizatoriai yra efektyvesni, tačiau kaina taip pat yra šiek tiek didesnė.
Kietojo oksido elektrolizatoriaus (SOEC) vandenilio gamyba:
Kaina yra apie 5-9 USD/kg. SOEC technologija vis dar yra kūrimo stadijoje ir šiuo metu kainuoja gana brangiai.
Tobulėjant technologijoms ir plečiantis mastui, tikimasi, kad žaliojo vandenilio paruošimo sąnaudos dar labiau sumažės. Tikimasi, kad vandenilio gamybos iš atsinaujinančios energijos vandens elektrolizės kaina ateityje sumažės iki maždaug 2-3 USD/kg, todėl ji bus konkurencinga su vandenilio gamyba iškastiniu kuru.
Reikėtų pažymėti, kad specifinę žaliojo vandenilio kainą taip pat įtakoja tokie veiksniai kaip atsinaujinančios energijos energijos sąnaudos ir įrangos panaudojimas, jos gali skirtis skirtinguose regionuose ir pritaikymo scenarijuose.
|
Vandenilio paruošimo procesas |
žaliavos |
Technologijų branda |
Energijos konversijos efektyvumas (%) |
Kaina (juanių/kg) |
CO2 emisija (vienam kilogramui vandenilio) |
|
|
Vandenilio gamyba iš iškastinės energijos |
Anglies dujinimas vandeniliui gaminti |
anglis |
Subrendęs |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Anglies dujinimas+CCS |
anglis |
Baigtas bandomasis masto bandymas |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Anglies superkritinis vandens dujinimas |
anglis, vanduo |
Baigtas bandomasis masto bandymas |
60 |
8 |
0 |
|
|
CH4 garų riformingas (SMR) |
Metanas |
Subrendęs |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Šalutinis pramoninis vandenilio produktas |
pramonės šalutiniai produktai |
Subrendęs |
- |
10-16 |
- |
|
|
Vandens elektrolizė vandenilio gamybai |
Tradicinės energijos galios elektrolizės vanduo AEL |
vandens |
Subrendęs |
apie 25 |
30-40 |
45 |
|
Atsinaujinančios energijos elektrolizuotas vanduo AEL |
vandens |
Subrendęs |
apie 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Atsinaujinančios energijos elektrolizuotas vanduo PEMEL |
vandens |
Palyginti subrendęs ir artimas industrializacijai |
apie 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Atsinaujinančios energijos elektrolizuotas vanduo SOEL |
vandens |
Demonstracinis projektas |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Atsinaujinančios energijos atliekos elektros elektrolizės vanduo |
vandens |
Demonstracinis projektas |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Kitos naujos technologijos |
Saulės fotolizės vandenilio gamyba |
vandens |
laboratorinis etapas |
<10 |
- |
0 |
|
Biomasės fermentacija vandenilio gamybai |
biomasė |
Demonstracinis projektas |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Termocheminis biomasės pavertimas vandeniliu |
biomasė |
Subrendęs |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Termocheminio ciklo vandenilio gamyba |
vandens |
laboratorinis etapas |
Apie 38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
Vandenilio energija vaidins pagrindinį vaidmenį būsimoje energetikos struktūroje. Tobulėjant elektrolitinio vandens vandenilio gamybos technologijai ir mažinant sąnaudas, vandenilio energija bus derinama su atsinaujinančia energija, siekiant pagerinti energetikos sistemos stabilumą ir patikimumą, skatinti energijos transformaciją transporto, pramonės, elektros energijos gamybos ir kitose srityse bei pasiekti tvarios plėtros. Paprastiems žmonėms vandenilio energetikos populiarinimas gali ne tik sumažinti taršą ir pagerinti oro kokybę, bet ir užtikrinti stabilią ir švarią namų ūkio energiją, atnešti naujų darbo galimybių ir ekonomikos augimo taškų, taip pagerinant bendrą visuomenės gerovę ir kuriant geresnį pasaulį. . s ateitis.