X'inhuma l-modi kif tipproduċi l-idroġenu?
Fil-preżent, hemm prinċipalment il-metodi li ġejjin ta 'produzzjoni ta' idroġenu:
Produzzjoni tal-idroġenu minn fjuwils fossili: prinċipalment inkluża l-produzzjoni tal-idroġenu mill-gass naturali u l-produzzjoni tal-idroġenu mill-faħam. Il-produzzjoni tal-idroġenu mill-gass naturali bħalissa hija l-aktar metodu importanti ta 'produzzjoni tal-idroġenu, prinċipalment bl-użu tal-metodu ta' riforma tal-fwar tal-metanu. Għalkemm l-ispiża tal-produzzjoni tal-idroġenu mill-faħam hija baxxa, mhix favur l-ambjent.
Produzzjoni tal-idroġenu ta' prodotti sekondarji industrijali:Bl-użu ta 'prodotti sekondarji prodotti fil-proċess ta' produzzjoni industrijali biex jipproduċu l-idroġenu, l-ispiża hija baxxa. Tinkludi prinċipalment il-produzzjoni tal-idroġenu mill-gass tal-forn tal-kokk u l-idroġenu prodott mill-industrija tal-klor-alkali.
Produzzjoni tal-idroġenu bl-elettroliżi tal-ilma:L-idroġenu jiġi prodott permezz tal-elettroliżi tal-ilma. Il-prodott għandu purità għolja u l-ebda tniġġis. Hija direzzjoni ewlenija għall-iżvilupp futur. Madankollu, l-ispiża attwali hija relattivament għolja u jeħtieġ li titnaqqas aktar.
Konsum baxx ta 'enerġija u effiċjenza mtejba.
Produzzjoni tal-idroġenu tal-bijomassa:Bl-użu ta 'materjali tal-bijomassa biex jipproduċu l-idroġenu permezz ta' proċessi bijoloġiċi jew termokimiċi, it-teknoloġija għadha mhix matura għal kollox.
Fotoliżi tal-ilma biex tipproduċi idroġenu:Bl-użu ta 'enerġija solari biex taqsam l-ilma direttament biex tipproduċi l-idroġenu, it-teknoloġija għadha fl-istadju ta' riċerka u żvilupp.
Mill-perspettiva tal-ekonomija u l-maturità teknoloġika, il-produzzjoni tal-idroġenu mill-gass naturali u l-idroġenu tal-prodotti sekondarji industrijali bħalissa jiddominaw. Iżda fit-tul, il-produzzjoni tal-idroġenu bl-elettroliżi tal-ilma hija meqjusa bħala direzzjoni ewlenija għall-iżvilupp futur minħabba l-karatteristiċi nodfa u favur l-ambjent tagħha. Bl-avvanz teknoloġiku u t-tnaqqis fl-ispejjeż, il-produzzjoni tal-idroġenu mill-elettroliżi tal-ilma hija mistennija li twassal għal opportunitajiet importanti ta 'żvilupp fis-3-5 snin li ġejjin.
X'inhu idroġenu aħdar, idroġenu blu, idroġenu griż?
Skont il-metodu tal-produzzjoni tal-idroġenu u l-grad tal-emissjonijiet tal-karbonju, l-idroġenu jista 'jinqasam fi tliet tipi: idroġenu griż, idroġenu blu u idroġenu aħdar:
Idroġenu griż:
L-idroġenu griż huwa idroġenu prodott minn fjuwils fossili (bħal gass naturali, faħam, pitrolju, eċċ.). Bħalissa dan huwa l-aktar metodu importanti ta 'produzzjoni tal-idroġenu, li jammonta għal madwar 95% tal-produzzjoni globali tal-idroġenu. L-ispejjeż tal-produzzjoni tal-idroġenu griż huma aktar baxxi, iżda l-emissjonijiet tal-karbonju huma kbar u għandhom impatt akbar fuq l-ambjent.
Idroġenu blu:
L-idroġenu blu huwa prodott ukoll minn fjuwils fossili (prinċipalment gass naturali), iżda juża t-teknoloġija tal-qbid u l-ħażna tal-karbonju (CCS) fil-proċess tal-produzzjoni. Dan il-metodu jista 'jnaqqas b'mod sinifikanti l-emissjonijiet tal-karbonju, iżda l-ispiża tal-qbid hija għolja. L-idroġenu blu huwa meqjus bħala prodott intermedju fit-tranżizzjoni minn idroġenu griż għal idroġenu aħdar.
Idroġenu aħdar:
L-idroġenu aħdar huwa idroġenu prodott bl-elettrolizzar tal-ilma bl-użu ta 'sorsi ta' enerġija rinnovabbli (bħal enerġija solari, enerġija mir-riħ, eċċ.). Dan il-metodu ma jipproduċi kważi l-ebda emissjonijiet tal-karbonju matul il-proċess kollu tal-produzzjoni u huwa l-aktar mod nadif biex jiġi prodott l-idroġenu. Fil-preżent, l-ispiża tal-idroġenu aħdar hija relattivament għolja, iżda hekk kif l-ispiża tal-enerġija rinnovabbli tonqos u t-teknoloġija tal-elettroliżi tavvanza, l-ekonomija tagħha hija mistennija li tkompli titjieb.
Fil-preżent, hemm prinċipalment il-modi li ġejjin biex tipproduċi l-idroġenu bl-elettrolizzar tal-ilma:
ALK huwa elettroliżi tal-ilma alkalin
ALK huwa elettroliżi tal-ilma alkalin,spiss imsejħa wkoll AWE (Alkaline Water Electrolysis). Din hija teknoloġija tradizzjonali u matura għall-elettrolizzar tal-ilma biex jipproduċi l-idroġenu. Dawn li ġejjin huma l-karatteristiċi ewlenin ta' ALK/AWE:
prinċipju ta' ħidma:
F'elettrolit alkalin (ġeneralment 20%-30% soluzzjoni KOH jew NaOH), l-idroġenu jiġi ġġenerat billi jitnaqqas l-ilma fil-katodu permezz ta 'kurrent dirett, u l-ossiġnu jiġi ġġenerat billi jossidizza l-ilma fl-anodu.
01
Komponenti ewlenin:
Elettrodu: Normalment jintużaw ligi tal-metall bħan-nikil u l-molibdenu
Dijaframma: Magħmula minn materjali porużi bħal asbestos, ċeramika, najlon, eċċ.
Elettrolit: KOH jew NaOH soluzzjoni alkalina
02
Kundizzjonijiet tax-xogħol:
Temperatura tal-elettroliżi: 70-90 grad
Pressjoni tal-elettroliżi: 1-3 MPa
03
vantaġġ:
Teknoloġija matura, l-aktar kmieni biex tinkiseb applikazzjoni industrijali
L-istruttura tas-sistema hija sempliċi u faċli biex topera
Rekwiżiti baxxi fuq il-kwalità tal-ilma tal-materja prima
Ħajja twila tat-tagħmir, sa 10-20 snin jew aktar
Spiża aktar baxxa u ekonomija tajba
04
nuqqas:
Id-densità tal-kurrent hija relattivament baxxa
Rispons dinamiku fqir
Hemm problema cross-gass tad-dijaframma
Lye hija korrużiva
05
Elettroliżi tal-membrana tal-iskambju tal-protoni (PEM):
Bl-użu ta 'membrana ta' elettrolit polimeru solidu, l-ebda elettrolit likwidu ma huwa meħtieġ. Fil-katodu, protoni (H+) jikkombinaw ma 'elettroni biex jiffurmaw gass ta' l-idroġenu; fl-anodu, l-ilma jiddekomponi biex jifforma ossiġnu u protoni. PEM għandu l-vantaġġi ta 'densità għolja ta' kurrent u startup veloċi.
prinċipju ta' ħidma:
Bl-użu ta 'membrana ta' elettrolit polimeru solidu, l-ebda elettrolit likwidu ma huwa meħtieġ. Fil-katodu, protoni (H+) jikkombinaw ma 'elettroni biex jiffurmaw gass ta' l-idroġenu; fl-anodu, l-ilma jiddekomponi biex jifforma ossiġnu u protoni. Il-protoni huma ttrasportati mill-membrana sal-katodu.
01
Komponenti ewlenin:
Elettrodu: Normalment jintużaw katalisti tal-metall nobbli, bħal platinu u iridju
Membrana tal-elettroliti: membrana tal-aċidu perfluworosulfoniku użata b'mod komuni (bħal membrana Nafion)
Pjanċi bipolari: użati biex jisseparaw ċelloli ta 'unità u jmexxu l-kurrent
02
Kundizzjonijiet tax-xogħol:
Temperatura:50-80 grad
Pressjoni: sa għexieren ta 'atmosferi
03
vantaġġ:
Densità għolja ta 'kurrent, sa 2 A/cm² jew aktar
Jibda malajr u jirrispondi malajr
Is-sistema hija kompatta u tokkupa żona żgħira
Il-purità tal-idroġenu prodott hija għolja, sa 99.999%
Jista 'jopera taħt pressjoni għolja biex jitnaqqsu l-ispejjeż ta' kompressjoni sussegwenti
04
nuqqas:
Spejjeż ogħla, speċjalment katalisti tal-metall prezzjuż u membrani tal-iskambju tal-protoni
Ir-rekwiżiti ta 'kwalità għolja tal-ilma jeħtieġu l-użu ta' ilma ultrapur
It-tul tal-ħajja huwa relattivament qasir, ġeneralment 20,000-50,000 siegħa
05
xejra ta' żvilupp:
Ir-riċerka tiffoka tinkludi l-iżvilupp ta 'katalizzaturi bi prezz baxx, it-titjib tal-prestazzjoni u d-durabilità tal-membrana, u l-ottimizzazzjoni tad-disinn tas-sistema biex jitnaqqsu l-ispejjeż.
It-teknoloġija PEM hija partikolarment adattata għall-użu ma 'sorsi ta' enerġija rinnovabbli b'volatilità għolja minħabba l-effiċjenza għolja u r-rispons rapidu tagħha. B'avvanz teknoloġiku u tnaqqis fl-ispejjeż, il-PEM huwa mistenni li jintuża b'mod aktar wiesa' fis-5-10 snin li ġejjin, speċjalment fl-oqsma tal-produzzjoni tal-idroġenu distribwit u l-produzzjoni tal-idroġenu tal-enerġija rinnovabbli.
Elettroliżi tal-membrana tal-iskambju anjoniku (AEM):
L-istruttura hija simili għal PEM, iżda tuża membrana ta 'skambju anjoniku. Il-vantaġġ huwa li jistgħu jintużaw katalisti tal-metall mhux nobbli, li huwa mistenni li jnaqqas l-ispejjeż. It-teknoloġija għadha fl-istadju ta 'riċerka u żvilupp.
prinċipju ta' ħidma:
Bl-użu ta 'membrana ta' skambju anjoniku bħala l-elettrolit, il-joni OH- huma ttrasportati mill-katodu mill-membrana għall-anodu. Fil-katodu, l-ilma jiddekomponi biex jipproduċi idroġenu u OH-; fl-anodu, OH- huwa ossidizzat biex jipproduċi ossiġnu u ilma.
01
Komponenti ewlenin:
Elettrodu: jistgħu jintużaw katalisti tal-metall mhux nobbli, bħal materjali bbażati fuq in-nikil u bbażati fuq il-kobalt
Membrana tal-elettroliti: membrana tal-iskambju tal-anjoni, ġeneralment magħmula minn sinsla polimeru u gruppi funzjonali ċċarġjati b'mod pożittiv
Elettrolit: ilma pur jew soluzzjoni alkalina dgħajfa
02
Kundizzjonijiet tax-xogħol:
Temperatura: Tipikament fil-medda ta' 50-70 grad
Pressjoni: Tista 'topera bi pressjoni normali jew kemmxejn taħt pressjoni
03
vantaġġ:
Katalisti tal-metall mhux prezzjuż jistgħu jintużaw biex jitnaqqsu l-ispejjeż
Id-densità tal-kurrent hija ogħla, bejn AWE u PEM
Sistema sempliċi, l-ebda sistema kumplessa ta 'trattament tal-ilma meħtieġa
Favur l-ambjent, uża ilma pur jew soluzzjoni dgħajjef alkalina
04
nuqqas:
It-teknoloġija hija relattivament ġdida u għadha ma ġietx ikkummerċjalizzata fuq skala kbira
L-istabbiltà u d-durabilità tal-membrani tal-iskambju anjoniku jeħtieġ li jittejbu aktar
Il-konduttività jonika hija relattivament baxxa
05
xejra ta' żvilupp:
L-iffukar tar-riċerka jinkludu l-iżvilupp ta 'membrani ta' skambju anjoniku ta 'prestazzjoni għolja u ta' stabbiltà għolja u katalizzaturi effiċjenti li jaqblu.
Elettroliżi ta' Ossidu Solidu ta' Temperatura Għolja (SOE):
It-twettiq tal-elettroliżi f'temperaturi għoljin (700-900 grad ) jista 'jnaqqas l-enerġija elettrika meħtieġa għall-elettroliżi. Madankollu, din it-teknoloġija għadha fl-istadju ta 'dimostrazzjoni u għadha ma kisbitx kummerċjalizzazzjoni fuq skala kbira.
prinċipju ta' ħidma:
F'temperaturi għoljin (700-900 grad ), il-fwar tal-ilma jitnaqqas fil-katodu biex jiġġenera joni tal-idroġenu u tal-ossiġnu. Il-joni tal-ossiġnu jiġu ttrasportati permezz tal-elettrolit tal-ossidu solidu lejn l-anodu, fejn jiġu ossidizzati biex jiġġeneraw l-ossiġnu.
01
Komponenti ewlenin:
Elettrodi: normalment jużaw materjali bbażati fuq in-nikil bħala l-katodu u ossidu tal-manganiż tal-istronzju tal-kobalt jew tal-lantanu bħala l-anodu
Elettrolit: Materjal taċ-ċeramika ta 'ossidu solidu, bħal zirconia doped ittriju (YSZ)
Bord ta 'interkonnessjoni: ġeneralment bl-użu ta' materjali ta 'liga reżistenti għal temperatura għolja
02
Kundizzjonijiet tax-xogħol:
Temperatura:700-900 grad
Pressjoni: Jista 'jopera taħt pressjoni normali jew kundizzjonijiet taħt pressjoni
03
vantaġġ:
Effiċjenza għolja ta 'elettroliżi, l-effiċjenza teoretika tista' tilħaq 100%
Sorsi ta 'sħana b'temperatura għolja bħal sħana mormija industrijali jew enerġija nukleari jistgħu jintużaw biex jitnaqqas il-konsum tal-elettriku
Operazzjoni riversibbli, tista 'tipproduċi idroġenu u tiġġenera l-elettriku (mod ta' ċellula tal-fjuwil ta 'ossidu solidu)
Ebda katalisti tal-metall prezzjuż meħtieġa, tnaqqas l-ispejjeż
04
nuqqas:
Operazzjoni f'temperatura għolja tpoġġi talbiet għoljin fuq materjali, u hemm problemi biċ-ċikliżmu termali u l-istress termali.
Ħin twil ta 'startjar, mhux adattat għal bidu u waqfien frekwenti
It-teknoloġija għadha mhix matura għal kollox u għadha fl-istadju ta 'dimostrazzjoni
05
xejra ta' żvilupp:
L-iffukar tar-riċerka jinkludu l-iżvilupp ta 'materjali ta' elettrodi u elettroliti reżistenti għal temperatura għolja, ħajja twila, u l-ottimizzazzjoni tad-disinn tas-sistema biex ittejjeb l-effiċjenza u tnaqqas l-ispejjeż.
It-teknoloġija SOE hija meqjusa bħala teknoloġija promettenti tal-produzzjoni tal-idroġenu minħabba l-effiċjenza għolja tagħha u l-użu ta 'sorsi ta' sħana b'temperatura għolja. Huwa speċjalment adattat għall-użu flimkien ma 'sorsi ta' sħana b'temperatura għolja bħall-enerġija nukleari u l-ġenerazzjoni tal-enerġija termali solari. Bl-avvanz tax-xjenza tal-materjali u t-teknoloġija tal-integrazzjoni tas-sistema, SOE hija mistennija tikseb applikazzjoni kummerċjali fis-10-15 snin li ġejjin, li tipprovdi possibbiltajiet ġodda għal produzzjoni tal-idroġenu aħdar b'effiċjenza għolja fuq skala kbira.
Fost dawn il-metodi, AWE u PEM bħalissa huma ż-żewġ teknoloġiji l-aktar użati. AWE tokkupa pożizzjoni dominanti minħabba l-ispiża baxxa u t-teknoloġija matura tagħha, u hija partikolarment adattata għall-produzzjoni tal-idroġenu fuq skala kbira. PEM huwa aktar adattat għall-użu ma 'sorsi ta' enerġija rinnovabbli b'volatilità akbar minħabba l-effiċjenza għolja u r-rispons rapidu tiegħu. Bl-avvanz teknoloġiku, PEM huwa mistenni li jintuża b'mod aktar wiesa' fis-5-10 snin li ġejjin.
L-ispiża ta 'metodi ta' produzzjoni ta 'idroġenu differenti
Il-metodi ta 'preparazzjoni differenti ta' idroġenu aħdar jirreferu prinċipalment għall-użu ta 'enerġija rinnovabbli biex elettrolizza l-ilma biex tipproduċi idroġenu. L-ispiża hija kif ġej:
Produzzjoni tal-idroġenu tal-elettrolizzatur alkalin:
L-ispiża hija ta' madwar US$3-6/kg. Din hija bħalissa t-teknoloġija tal-produzzjoni tal-idroġenu tal-elettroliżi tal-ilma l-aktar matura u użata ħafna.
Produzzjoni tal-idroġenu tal-elettrolizzatur tal-membrana tal-iskambju tal-protoni (PEM):
L-ispiża hija ta' madwar US$4-8/kg. Meta mqabbel ma 'elettrolizzaturi alkalini, l-elettrolizzaturi PEM huma aktar effiċjenti, iżda l-ispiża hija wkoll kemmxejn ogħla.
Produzzjoni tal-idroġenu tal-elettrolizzatur tal-ossidu solidu (SOEC):
L-ispiża hija ta' madwar US$5-9/kg. It-teknoloġija SOEC għadha fl-istadju ta 'żvilupp u bħalissa tiswa relattivament għolja.
Bl-avvanz teknoloġiku u l-espansjoni tal-iskala, l-ispiża tal-preparazzjoni tal-idroġenu aħdar hija mistennija li titnaqqas aktar. Huwa mistenni li l-ispiża tal-produzzjoni tal-idroġenu mill-elettroliżi tal-ilma tal-enerġija rinnovabbli hija mistennija li tinżel għal madwar US$2-3/kg fil-futur, u tagħmilha kost-kompetittiva mal-produzzjoni tal-idroġenu tal-fjuwils fossili.
Għandu jiġi nnutat li l-ispiża speċifika tal-idroġenu aħdar hija affettwata wkoll minn fatturi bħall-ispejjeż tal-enerġija tal-enerġija rinnovabbli u l-utilizzazzjoni tat-tagħmir, u tista 'tvarja f'reġjuni u xenarji ta' applikazzjoni differenti.
|
Proċess ta 'preparazzjoni ta' idroġenu |
materja prima |
Maturità tat-teknoloġija |
Effiċjenza tal-konverżjoni tal-enerġija (%) |
Spiża (wan/kg) |
Emissjonijiet ta' CO2 (għal kull kilogramma ta' idroġenu) |
|
|
Produzzjoni tal-idroġenu mill-enerġija fossili |
Gassifikazzjoni tal-faħam biex tipproduċi idroġenu |
faħam |
Maturi |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Gassifikazzjoni tal-faħam+CCS |
faħam |
Tlestiet l-ittestjar fuq skala pilota |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Gassifikazzjoni tal-ilma superkritiku tal-faħam |
faħam, ilma |
Tlestiet l-ittestjar fuq skala pilota |
60 |
8 |
0 |
|
|
riforma tal-fwar CH4 (SMR) |
Metanu |
Maturi |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Produzzjoni tal-idroġenu ta' prodotti sekondarji industrijali |
prodotti sekondarji industrijali |
Maturi |
- |
10-16 |
- |
|
|
Elettroliżi tal-ilma biex tipproduċi idroġenu |
Enerġija tradizzjonali enerġija elettroliżi ilma AEL |
ilma |
Maturi |
madwar 25 |
30-40 |
45 |
|
Ilma elettrolizzat ta' enerġija rinnovabbli AEL |
ilma |
Maturi |
madwar 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Ilma elettrolizzat enerġija rinnovabbli PEMEL |
ilma |
Relattivament matur u qrib l-industrijalizzazzjoni |
madwar 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Ilma elettrolizzat ta' enerġija rinnovabbli SOEL |
ilma |
Proġett ta' dimostrazzjoni |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Enerġija rinnovabbli skart elettriku elettroliżi ilma |
ilma |
Proġett ta' dimostrazzjoni |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Teknoloġiji ġodda oħra |
Produzzjoni tal-idroġenu tal-fotoliżi solari |
ilma |
stadju tal-laboratorju |
<10 |
- |
0 |
|
Fermentazzjoni tal-bijomassa biex tipproduċi idroġenu |
bijomassa |
Proġett ta' dimostrazzjoni |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Konverżjoni termokimika tal-bijomassa għal idroġenu |
bijomassa |
Maturi |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Produzzjoni tal-idroġenu taċ-ċiklu termokimiku |
ilma |
stadju tal-laboratorju |
Madwar38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
L-enerġija tal-idroġenu se jkollha rwol ewlieni fl-istruttura tal-enerġija futura. Bl-iżvilupp tat-teknoloġija tal-produzzjoni tal-idroġenu tal-ilma elettrolitiku u t-tnaqqis tal-ispejjeż, l-enerġija tal-idroġenu se tiġi kkombinata ma 'enerġija rinnovabbli biex ittejjeb l-istabbiltà u l-affidabbiltà tas-sistema tal-enerġija, tippromwovi t-trasformazzjoni tal-enerġija fit-trasport, l-industrija, il-ġenerazzjoni tal-enerġija u oqsma oħra, u tikseb żvilupp sostenibbli. Għal nies ordinarji, il-popolarizzazzjoni tal-enerġija tal-idroġenu tista 'mhux biss tnaqqas it-tniġġis u ttejjeb il-kwalità tal-arja, iżda wkoll tipprovdi enerġija tad-dar stabbli u nadifa, u ġġib opportunitajiet ġodda ta' xogħol u punti ta 'tkabbir ekonomiku, u b'hekk ittejjeb il-benessri ġenerali tas-soċjetà u toħloq dinja aħjar. . s futur.