Wasserstoff ist in der Natur weit verbreitet, und nur eine sehr geringe Menge an freiem Wasserstoff existiert im natürlichen Zustand. Industrieller Wasserstoff bezieht sich auf das brennbare gasförmige Wasserstoffprodukt, das in großem Maßstab aus industriellen Rohstoffen mit bestimmten Mitteln hergestellt wird. Dieser Prozess der Gewinnung von industriellem Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Rohstoffen durch Energiezufuhr wird als künstliche Wasserstoffproduktion bezeichnet, einschließlich der Herstellung von fossilem Wasserstoff, Wasserzersetzung Wasserstoffproduktion, Biotechnologie Wasserstoffproduktion und solarer Wasserstoffproduktion. Wasserstoffenergie, als chemische Energie von Wasserstoff, wird als Energie, die während physikalischer und chemischer Veränderungen freigesetzt wird, manifestiert. Es ist eine wichtige Art von Energie mit sekundären Energieeigenschaften. Diese groß angelegte künstliche Wasserstoffproduktion und -Nutzung von Wasserstoffenergie wird als Wasserstoffindustrie bezeichnet, einschließlich der vorgelagerten Wasserstoffproduktion, der Midstream-Speicherung und des Transports sowie nachgelagerter Anwendungen. Die verschiedenen Industriezweige im Wasserstoffindustriesystem basieren auf bestimmten technischen und wirtschaftlichen Verbindungen, nämlich der Wasserstoffindustriekette, einschließlich der Wasserstoffindustriewertschöpfungskette, der Wasserstoffindustrieunternehmerkette, der Wasserstoffindustrieversorgungs- und -Nachfragekette und der Wasserstoffindustriekette.
1 die globale Wasserstoffindustrie hat begonnen, Gestalt anzunehmen
Die globale Wasserstoffindustrie hat sich rasant entwickelt, wobei die Marktgröße von US$187,082 Milliarden im Jahr 2011 auf US$251,493 Milliarden heute mit einer Wachstumsrate von 34,4% wächst. Unter ihnen sind die Vereinigten Staaten mit einem Gesamteinfuhrwert von US$248 Millionen der größte Importeur von industriellem Wasserstoff, während die Niederlande mit einem jährlichen Gesamtexportwert von US$342 Millionen der größte Exporteur von industriellem Wasserstoff sind.
Die menschliche Gesellschaft hat drei industrielle Revolutionen erlebt. Seit Mitte dieses Jahrhunderts hat zusammen mit der vierten industriellen Revolution der globale Übergang zu neuer Energie begonnen. Betrachtet man die Geschichte der Energieentwicklung, spiegelt die Modernisierung der drei großen Energiequellen die "drei großen wirtschaftlichen" Formen wider.
Watts Erfindung der Dampfmaschine veranlasste die erste große Umwandlung von Brennholz in Kohle, die sich als "kohlenstoffarme Wirtschaft" manifestierte;
Daimler erfand den Verbrennungsmotor, vollende die zweite große Umwandlung von Kohle zu Öl und Gas, wodurch eine "Low-Carbon-Wirtschaft";
Der moderne wissenschaftliche und technologische Fortschritt und die heutigen Umweltschutzanforderungen haben die dritte große Umwandlung traditioneller fossiler Energie in nicht-fossile neue Energie wie Wasserstoff gefördert. Die Welt könnte allmählich in die kohlenstofffreie "Wasserstoffenergie-Ära" eintreten
2 die künstliche Wasserstoffproduktion basiert hauptsächlich auf fossilen Ressourcen
Der globale industrielle Wasserstoffmarkt hat eine starke Regionalität und hat drei große regionale Karten von Asien-Pazifik, Nordamerika und Europa gebildet.
Fossile Ressourcen sind derzeit die wichtigsten Rohstoffe für die Wasserstoffproduktion, unter denen die Kohlevergasung Wasserstoffproduktion großes Entwicklungspotenzial hat.
2,1 die industrielle Wasserstoffproduktion ist regional
Die Region Asien-Pazifik ist weltweit der erste in der industriellen Wasserstoffproduktion, gefolgt von Nordamerika.
Das rasante Wirtschaftswachstum von Entwicklungsländern im asiatisch-pazifischen Raum, wie China und Indien, hat eine starke Nachfrage nach sauberer Energie wie Wasserstoff in der asiatisch-pazifischen Region hervorgebracht.
Chinas Nachfrage und Produktion von industriellem Wasserstoff sind stark und nehmen Jahr für Jahr zu. Derzeit hält sie ein Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage aufrecht, und sowohl Nachfrage als auch Produktion sind weltweit an erster Stelle.
Als ein großes Land in der Nutzung von Wasserstoffenergie in der Welt, China hat den ersten Platz der Welt seit vielen Jahren, seit seine Produktion überschritten 1 000×10 4 t zum ersten Mal im Jahr 2009.
2,2 die Wasserstoffproduktion aus fossilen Ressourcen ist dominant
Derzeit sind die Rohstoffe für die künstliche Wasserstofferzeugung hauptsächlich fossile Ressourcen wie Erdöl, Erdgas und Kohle. Im Vergleich zu anderen Methoden der Wasserstoffproduktion ist der Prozess zur Herstellung fossiler Rohstoffe ausgereift und der Rohstoffpreis ist relativ niedrig, aber er wird eine große Menge an Treibhausgasen emittieren und die Umwelt verschmutzen.
Bisher stammten mehr als 96% der weltweit wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von künstlichem Wasserstoff aus der thermochemischen Reformierung traditioneller fossiler Ressourcen, und nur etwa 4% aus der Elektrolyse von Wasser. Kohle und Erdgas sind die wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von künstlichem Wasserstoff in meinem Land, auf die 62 % bzw. 19 % entfallen. Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse nimmt in der japanischen Wasserstoffindustrie eine besondere Stellung ein, und die Wasserstoffproduktionskapazität für Salzwasserelektrolyse macht 63 % der gesamten Produktionskapazität für künstlichen Wasserstoff aus.
2,3 Kohlevergasung die Wasserstoffproduktion hat ein großes Entwicklungspotenzial
Kohlevergasung bezeichnet die Reaktion von Kohle mit einem Vergasermittel unter hoher Temperatur, normalem Druck oder unter Druck zu einem Gasprodukt. Mit der Entwicklung der Kohle-zu-Syngas-und Kohle-zu-Öl-Industrie, die Produktion von Kohle-zu-Wasserstoff-Produktion hat sich von Jahr zu Jahr erhöht, mit einem großen Maßstab und niedrigen Kosten, und die Kosten der Wasserstoffproduktion beträgt etwa 20 Yuan / kg. Darüber hinaus werden bei der Herstellung chemischer Produkte (einschließlich synthetischem Ammoniak, Methanol usw.) die Geräte zur Rückgewinnung von industriellem Wasserstoff mit einer Reinheit von mehr als 99 % aus wasserstoffhaltigem Relaxationsgas immer reifer und steigen.
Die Wasserstoffproduktion aus der unterirdischen Kohlevergasung hat ein großes Entwicklungspotenzial und ist auch ein effektiver Weg, Kohle auf saubere Weise umzuwandeln und zu nutzen. Die Wasserstofftechnologie zur unterirdischen Kohlevergasung hat die Vorteile einer hohen Ressourcenauslastung und weniger Schäden an der Oberflächenumgebung. Es entspricht den Eigenschaften der Ressourcenstruktur der reichen Kohle meines Landes, aber nicht genügend Öl und Gas. Diese Technologie befindet sich jedoch noch in der Sondierungsphase und ist noch weit von der kommerziellen Nutzung entfernt.
3 effiziente Wasserstoffspeicher- und Transporttechnik steht im Fokus Entwicklung
Sichere und effiziente Wasserstoffspeicher- und Transporttechnologie ist der Schlüssel zur praktischen Anwendung von Wasserstoffenergie. Die Speichermethoden der Wasserstoffenergie umfassen hauptsächlich Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffspeicher, Hochdruck-Gasspeicherung, Feststoffspeicher und organische Flüssigwasserstoffspeicher. Verschiedene Wasserstoffspeichermethoden haben unterschiedliche Wasserstoffspeicherdichten, darunter die gasförmige Wasserstoffspeichermethode die kleinste Wasserstoffspeicherdichte und die Metallhydrid-Wasserstoffspeichermethode die größte Wasserstoffspeicherdichte.
3,1 die Kosten für die Speicherung von Flüssigwasserstoff bei niedrigen Temperaturen sind hoch
Die großräumige und kostengünstige Produktion und Speicherung und der Transport von industriellem Wasserstoff sind die Basis für die praktische Nutzung von Wasserstoffenergie. Gasförmiger Wasserstoff ist bei -253 Grad flüssig, und die Dichte von flüssigem Wasserstoff ist 845-mal so hoch wie gasförmiger Wasserstoff. Das Gewichtsverhältnis der Speicherung von flüssigem Wasserstoff liegt zwischen 5,0% und 7,5%, und die Volumenkapazität beträgt etwa 0,04 KGH 2 /L. Die Wasserstoffverflüssigung ist teuer und verbraucht viel Energie (4 ~ 10 kWh/kg), was etwa ein Drittel der Kosten für die Herstellung von flüssigem Wasserstoff entspricht. Flüssigwasserstoffspeicher müssen eine extrem hohe Isolationskapazität haben, um das Sieden und Verdampfen von Flüssigwasserstoff zu vermeiden.
Derzeit wird flüssiger Wasserstoff hauptsächlich als Treibstoff für den Raketenantrieb im Weltraum verwendet, und seine Speichertanks und Anhänger wurden in der Luft- und Raumfahrt meines Landes und anderen Bereichen eingesetzt. Mit der Entwicklung von Human Space Programmen werden flüssige Wasserstoffspeicher größer und große, mit Wasserstoff isolierte Flüssigspeicher mit einer Speicherkapazität von mehr als 1.000 m3 können gebaut werden.
3,2 die Hochdruck-Technologie für gasförmigen Wasserstoff ist ausgereift
Die gasförmige Wasserstoffspeicherung mit hohem Druck ist derzeit die am häufigsten verwendete und ausgereifteste Wasserstoffspeichertechnologie. Seine Speichermethode ist es, industriellen Wasserstoff in einen hochdruckbeständigen Behälter zu komprimieren. Zu den Speichergeräten für gasförmigen Wasserstoff mit hohem Druck gehören vor allem feste Wasserstoffspeicher, Gasflaschen mit langen Röhren, Bündel mit langen Röhren, Stahlzylindergruppen und an Fahrzeugen montierte Wasserstoffspeicher.
Stahlzylinder sind die am häufigsten verwendeten Hochdruck-gasförmigen Wasserstoffspeicher, die die Vorteile der einfachen Struktur, niedrigen Energieverbrauch für komprimierte Wasserstoffaufbereitung, schnelle Füll- und Entladegeschwindigkeit, sondern auch die Nachteile der schlechten Sicherheitsleistung und geringe Volumen Kapazität haben. Derzeit verwenden die in China gebauten und im Bau befindlichen Wasserstofftankstellen in der Regel langröhrige Gasflaschen-Gruppe Wasserstoffspeicher.
3,3 die Festkörper-Wasserstoffspeichertechnologie ist noch nicht ausgereift
Die Festkörperspeicherung von Wasserstoff ist die vielversprechendste Wasserstoffspeichermethode, die die Mängel der Hochdruck-gasförmigen und Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffspeichermethoden effektiv überwinden kann. Es hat die Vorteile der hohen Wasserstoffspeichervolumen Dichte, einfache Bedienung, bequemen Transport, niedrige Kosten, hohe Sicherheit, Usw. Es eignet sich für Gelegenheiten mit strengen Volumenanforderungen, wie Wasserstoff Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Die Festkörperwasserstoffspeichertechnologie kann in die physikalische Adsorptionswasserstoffspeicherung und die Speicherung von chemischem Hydrid-Wasserstoff unterteilt werden. Ersteres kann in metallische organische Gerüste (MOFs) und nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien unterteilt werden; letzteres kann in Metallhydride wie Titan, Magnesium, Zirkonium und Seltene Erden sowie nichtmetallische Hydride wie Borohydride und organische Hydride unterteilt werden.
Die Wasserstoffspeicherung mit Metallhydrid hat die Vorteile einer hohen Wasserstoffspeicherdichte, einer hohen Reinheit, einer hohen Zuverlässigkeit (keine Bedingungen für hohe Druckverhältnisse oder niedrige Temperaturen erforderlich) und eines einfachen Wasserstoffspeicherprozesses. Das Hauptprinzip ist die Auswahl geeigneter Metallhydride und die Kombination von Wasserstoff mit einer anderen Substanz (Wasserstoffspeicherlegierung) unter Niederdruckbedingungen zu einem quasi-Verbindungszustand. Derzeit befindet sich die Wasserstoffspeicherung von Metallhydrid noch in der Forschungsphase und wurde noch nicht kommerzialisiert. Es wird hauptsächlich durch folgende Faktoren eingeschränkt: (1) Wasserstoffspeicherlegierungen sind teuer; (2) die Struktur ist komplex. Da während der Wasserstoffspeicherung eine große Menge Wärme freigesetzt wird, muss dem Speicher Wärmeaustauschgeräte hinzugefügt werden; (3) das Hydrid selbst hat eine schlechte Stabilität und neigt dazu, schädliche Verunreinigungen zu bilden. Nach wiederholter Nutzung wird die Leistung deutlich reduziert; (4) die Qualität der Wasserstoffspeicherung ist relativ gering. Gemessen an der Masse kann es nur 2 bis 4 % des industriellen Wasserstoffs speichern.
3,4 die organische Speicherung von flüssigem Wasserstoff hat viel Aufmerksamkeit erregt
Die Speichertechnologie für organischen flüssigen Wasserstoff erreicht die Wasserstoffspeicherung durch reversible Hydrierung und Dehydrierungsreaktionen von ungesättigten flüssigen organischen Stoffen. Diese Wasserstoffspeichermethode hat die Vorteile einer hohen Qualität, hoher Volumen Wasserstoffspeicherdichte, Sicherheit, einfachen Transport über große Entfernungen und langfristige Speicherung. Die Speichertechnologie für organischen Flüssigwasserstoff befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase und hat noch immer Nachteile wie hohe technische Anforderungen, hohe Kosten, geringe Dehydrierungseffizienz und einfaches Kokeln und Deaktivieren.
Die Kosten für die Ausrüstung von katalytischen Hydrierungs- und Dehydrierungsgeräten sind hoch. Die Dehydrierungsreaktion muss unter heterogenen Niederdruck- und Hochtemperatur-Bedingungen abgeschlossen werden. Begrenzt durch Wärme- und Massenübertragung und Reaktionsgleichgewichtsgrenzen ist die Dehydrierungsreaktionseffizienz gering und Nebenreaktionen sind anfällig für das Auftreten, was zu unreinen Wasserstoffprodukten führt. Außerdem wird unter hohen Temperaturbedingungen die Porenstruktur des Dehydrierungskatalysators leicht zerstört, was zu Kokerung und Deaktivierung führt.
4 Infrastruktur der Wasserstoffindustrie
Der Hauptmodus des industriellen Wasserstofftransports ist der Rohrleitungstransport von gasförmigem oder flüssigem Hochdruckwasserstoff. Fernleitungen müssen Grundlagenforschung zur Kompatibilität von Rohrleitungsstahl und Hochdruckwasserstoff betreiben und innovative Pipelinebetrieb- und Managementmethoden entwickeln, um den Bau von großen Wasserstoffrohrleitungen über große Entfernungen und hohen Druck zu erreichen.
4,1 der Wasserstofftransport an der Pipeline befindet sich in der Anfangsphase
Pipeline-Wasserstoffmischverfahren und Wasserstoff-Öl-Technologie für den gemeinsamen Transport sind wichtige Verbindungen für den Transport von Wasserstoff über große Entfernungen und großen Entfernungen. Der weltweite Wasserstofftransport in Pipelines begann früh, entwickelte sich aber langsam. Europa transportiert Wasserstoff seit mehr als 80 Jahren per Fernrohrleitung. Sie hat derzeit eine Gesamtlänge von rund 1.500 km Wasserstoffpipelines, von denen die Frankreich-Belgien Wasserstoffpipeline mit einer Länge von fast 400 km die längste der Welt ist. Die Länge der bestehenden Wasserstoffleitung in den USA beträgt 720 km, was viel kürzer ist als die Länge der Erdgasleitung (fast 55×10 4 km).
Unser Land hat bereits viele Wasserstoffleitungen in Betrieb, wie die Sinopec Luoyang Raffination und Chemical Jiyuan-Luoyang Wasserstoffleitung mit einer Gesamtlänge von 25 km und einer jährlichen Gasübertragungskapazität von 10,04×10 4 t; Die Koksofengasleitung Wuhai-Yinchuan hat eine Gesamtlänge von 216,4 km und eine jährliche Gasübertragungskapazität von 16,1×10 8 m 3, die hauptsächlich für den Transport von Koksofengas und Wasserstoff-Mischgas verwendet wird.
4,2 Wasserstoff-Öl-Joint-Bau von Wasserstofftankstellen
Mit der kontinuierlichen Expansion des Marktes für die Wasserstoffindustrie tendiert die Kette der Wasserstoffindustrie dazu, kontinuierlich zu verbessern. Derzeit entwickeln sich Wasserstoffkraftstofffahrzeuge rasant, die Nachfrage nach industriellem Wasserstoff ist stark gestiegen und der Bau von Wasserstofftankstellen hat sich entsprechend beschleunigt.
Ende 2017 waren weltweit 328 Wasserstofftankstellen in Betrieb, davon 139 in Europa, 119 in Asien, 68 in Nordamerika und 1 in Südamerika und Australien.
Das "Blue Book on the Development of China's Hydrogen Energy Industry Infrastructure" hat Pläne für die Entwicklungsziele des mittel- und langfristigen Wasserstofftankstellenbaus und der Brennstoffzellenfahrzeuge meines Landes gemacht. Es wird erwartet, dass mein Land bis 2030 100 Wasserstofftankstellen und 1.000 bauen wird. China hat bis Februar 2018 insgesamt 31 Wasserstofftankstellen gebaut und baut diese, davon 12 in Betrieb.
Die Haupteinrichtungen einer Wasserstofftankstation umfassen Wasserstoffspeicher, Kompressionsanlagen, Abfüllanlagen und Stationssteuerungen. Derzeit liegen die weltweiten durchschnittlichen Baukosten für eine Wasserstofftankstelle zwischen 2 Millionen und 5 Millionen US-Dollar, wobei die Kompressorkosten mit rund 30% der Gesamtkosten am höchsten sind. Die Baukosten für Wasserstofftankstellen in China sind relativ gering und reichen von 2 Millionen bis 2,5 Millionen US-Dollar (35 MPa Hydrierungskapazität). Daher ist es notwendig, den Lokalisierungsprozess von industriellen Wasserstoffverdichtern zu beschleunigen, die Baukosten von Wasserstofftankstellen zu senken und die Entwicklung der Wasserstoffindustrie zu fördern.
Es wird prognostiziert, dass die weltweiten Wasserstofftankstellen in eine schnelle Entwicklungsphase eintreten werden, und es wird 1.000 mehr als 2025 Stationen geben. Gleichzeitig wird die Machbarkeitsstudie für den gemeinsamen Bau von Wasserstofftankstellen und Tankstellen erhöht, wie das gemeinsame Baumodell, das von Deutschland, Japan und anderen Ländern angenommen wurde, Und die gemeinsamen Bauversuche an mehreren Wasserstofftankstellen und Tankstellen in Yunfu, Guangdong, China. In Zukunft wird es sehr wahrscheinlich sein, dass ein vier-Stationen-Gemeinschaftsbaumodell von Wasserstofftankstellen, Tankstellen, Tankstellen und Ladestationen entstehen wird.
