El hidrógeno está ampliamente distribuido en la naturaleza, y solo una cantidad muy pequeña de hidrógeno libre existe en el estado natural. El hidrógeno industrial se refiere al producto combustible gaseoso de hidrógeno producido a gran escala a partir de materias primas industriales por ciertos medios. Este proceso de extracción de hidrógeno industrial a partir de materias primas que contienen hidrógeno a través de la entrada de energía se llama producción de hidrógeno artificial, incluyendo la producción de hidrógeno de combustibles fósiles, la producción de hidrógeno de descomposición del agua, la producción de hidrógeno de biotecnología y la producción de hidrógeno solar. La energía del hidrógeno, como la energía química del hidrógeno, se manifiesta como energía liberada durante los cambios físicos y químicos. Es un tipo importante de energía con propiedades energéticas secundarias. Esta producción y utilización de hidrógeno artificial a gran escala se denomina industria del hidrógeno, incluyendo la producción de hidrógeno en aguas arriba, almacenamiento y transporte en aguas abajo. Los diversos sectores industriales del sistema de la industria del hidrógeno se basan en ciertas conexiones técnicas y económicas, a saber, la cadena industrial del hidrógeno, incluida la cadena de valor de la industria del hidrógeno, la cadena empresarial de la industria del hidrógeno, la cadena de suministro y demanda de la industria del hidrógeno y la cadena espacial de la industria del hidrógeno.
1 la industria mundial del hidrógeno ha comenzado a tomar forma
La industria mundial del hidrógeno se ha desarrollado rápidamente, con un crecimiento del mercado de US$187,082 millones en 2011 a US$251,493 millones hoy, con una tasa de crecimiento del 34,4%. Entre ellos, los Estados Unidos son el mayor importador de hidrógeno industrial, con un valor total de importación de US$248 millones, mientras que los países Bajos son el mayor exportador de hidrógeno industrial, con un valor total de exportación anual de US$342 millones.
La sociedad humana ha experimentado tres revoluciones industriales. Desde mediados de este siglo, junto con la cuarta revolución industrial, ha comenzado la transición global a la nueva energía. Al observar la historia del desarrollo energético, la mejora de las tres principales fuentes de energía refleja las "tres principales formas económicas".
La invención de Watt del motor de vapor impulsó la primera conversión importante de leña a carbón, que se manifestó como una "economía de alto carbono";
Daimler inventó el motor de combustión interna, completando la segunda conversión importante de carbón en petróleo y gas, lo que hace una "economía baja en carbono";
Los avances científicos y tecnológicos modernos y los requisitos actuales de protección del medio ambiente han promovido la tercera conversión importante de la energía fósil tradicional en energía nueva no fósil, como la energía de hidrógeno. El mundo puede entrar gradualmente en la "era de la energía del hidrógeno" no relacionada con el carbono
2 la producción artificial de hidrógeno depende principalmente de los recursos fósiles
El mercado mundial del hidrógeno industrial tiene una fuerte regionalidad y ha formado tres mapas regionales importantes de Asia-Pacífico, América del Norte y Europa.
Los recursos fósiles son actualmente las principales materias primas para la producción de hidrógeno, entre las que la producción de hidrógeno para gasificación de carbón tiene un gran potencial de desarrollo.
2,1 la producción industrial de hidrógeno es regional
La región de Asia y el Pacífico ocupa el primer lugar en el mundo en la producción industrial de hidrógeno, seguida por Norteamérica.
El rápido crecimiento económico de los países en desarrollo de la región de Asia y el Pacífico, como China y la India, ha generado una fuerte demanda de energía limpia, como el hidrógeno, en la región de Asia y el Pacífico.
La demanda y producción de hidrógeno industrial de China son fuertes y están aumentando año tras año. En la actualidad, mantiene un estado de equilibrio entre la oferta y la demanda, y tanto la demanda como la producción ocupan el primer lugar en el mundo.
Como país principal en el uso de la energía de hidrógeno en el mundo, China ha mantenido el primer lugar del mundo durante muchos años desde que su producción superó las 1 000×10 4 t por primera vez en 2009.
2,2 la producción de hidrógeno a partir de recursos fósiles es dominante
En la actualidad, las materias primas para la producción de hidrógeno artificial son principalmente recursos fósiles como petróleo, gas natural y carbón. En comparación con otros métodos de producción de hidrógeno, el proceso de producción de hidrógeno de los recursos fósiles es maduro y el precio de la materia prima es relativamente bajo, pero emitirá una gran cantidad de gases de efecto invernadero y contaminará el medio ambiente.
Anteriormente, más del 96% de las principales materias primas del mundo para la producción de hidrógeno artificial provenían de la reforma termoquímica de los recursos fósiles tradicionales, y solo alrededor del 4% procedía de la electrólisis del agua. El carbón y el gas natural son las principales materias primas para la producción de hidrógeno artificial en mi país, que representan el 62% y el 19% respectivamente. La producción de hidrógeno por electrólisis del agua ocupa una posición especial en la industria japonesa del hidrógeno, y su capacidad de producción de hidrógeno por electrólisis del agua salada representa el 63% de la capacidad total de producción de hidrógeno artificial del país.
2,3 Gasificación del carbón la producción de hidrógeno tiene un gran potencial de desarrollo
La gasificación del carbón se refiere a la reacción del carbón con un agente gasificador a alta temperatura, presión normal o condiciones presurizadas para formar un producto gaseoso. Con el desarrollo de las industrias del carbón a los gases de síntesis y del carbón a los hidrocarburos, la producción de carbón a hidrógeno ha aumentado año tras año, con una gran escala y bajo costo, y el costo de la producción de hidrógeno es de aproximadamente 20 yuan/kg. Además, en el proceso de producción de productos químicos (incluyendo amoníaco sintético, metanol, etc.), los dispositivos para la recuperación de hidrógeno industrial con una pureza superior al 99% a partir de gas de relajación que contiene hidrógeno están cada vez más maduros y en aumento.
Gasificación subterránea de carbón la producción de hidrógeno tiene un gran potencial de desarrollo y es también una manera eficaz de transformar y utilizar el carbón de una manera limpia. Gasificación subterránea de carbón la tecnología de producción de hidrógeno tiene las ventajas de una alta utilización de los recursos y menos daños al medio ambiente superficial. Se ajusta a las características de la estructura de recursos del carbón rico de mi país, pero insuficiente petróleo y gas. Sin embargo, esta tecnología todavía se encuentra en la etapa exploratoria y está muy lejos de la utilización comercial.
3 el objetivo es la tecnología eficiente de almacenamiento y transporte de hidrógeno de desarrollo
La tecnología de almacenamiento y transporte de hidrógeno segura y eficiente es la clave para realizar la aplicación práctica de la energía de hidrógeno. Los métodos de almacenamiento de la energía de hidrógeno incluyen principalmente almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura, almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión, almacenamiento de hidrógeno sólido y almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico. Los diferentes métodos de almacenamiento de hidrógeno tienen diferentes densidades de almacenamiento de hidrógeno, entre las que el método de almacenamiento de hidrógeno gaseoso tiene la menor densidad de almacenamiento de hidrógeno y el método de almacenamiento de hidrógeno de hidruro metálico tiene la mayor densidad de almacenamiento de hidrógeno.
3,1 el costo del almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura es alto
La producción y el almacenamiento y el transporte a gran escala y baratos del hidrógeno industrial son la base para realizar el uso práctico de la energía del hidrógeno. El hidrógeno gaseoso es líquido a -253°C, y la densidad del hidrógeno líquido es 845 veces la del hidrógeno gaseoso. La relación de peso del almacenamiento de hidrógeno líquido está entre el 5,0% y el 7,5%, y la capacidad de volumen es de aproximadamente 0,04 KGH 2 /L. La licuefacción de hidrógeno es cara y consume mucha energía (4 ~ 10 kWh/kg), lo que representa aproximadamente un tercio del costo de la producción de hidrógeno líquido. Los recipientes de almacenamiento de hidrógeno líquido deben tener una capacidad de aislamiento extremadamente alta para evitar la ebullición y la vaporización del hidrógeno líquido.
En la actualidad, el hidrógeno líquido se utiliza principalmente como combustible para la propulsión de cohetes espaciales, y sus tanques de almacenamiento y remolques se han utilizado en el sector aeroespacial y otros campos de mi país. Con el desarrollo de programas espaciales humanos, los contenedores de almacenamiento de hidrógeno líquido son cada vez más grandes, y se pueden construir grandes tanques de almacenamiento aislados de hidrógeno líquido con una capacidad de almacenamiento de más de 1.000 m3.
3,2 la tecnología de almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión es madura
El almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión es actualmente la tecnología de almacenamiento de hidrógeno más utilizada y más madura. Su método de almacenamiento es comprimir el hidrógeno industrial en un recipiente resistente a la alta presión. Los dispositivos de almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión incluyen principalmente tanques de almacenamiento de hidrógeno fijos, cilindros de gas de tubo largo, haces de tubos largos, grupos de cilindros de acero y cilindros de almacenamiento de hidrógeno montados en vehículos.
Las botellas de acero son los contenedores de almacenamiento de hidrógeno gaseoso de alta presión más utilizados, que tienen las ventajas de una estructura sencilla, un bajo consumo de energía para la preparación de hidrógeno comprimido, una velocidad de llenado y descarga rápida, pero también tienen las desventajas de un rendimiento de seguridad deficiente y una capacidad de volumen baja. En la actualidad, las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno que se han construido y están en construcción en China generalmente utilizan equipo de almacenamiento de hidrógeno del grupo de cilindros de gas de tubo largo.
3,3 la tecnología de almacenamiento de hidrógeno de estado sólido aún no está madura
El almacenamiento de hidrógeno en estado sólido es el método de almacenamiento de hidrógeno más prometedor, que puede superar eficazmente las deficiencias de los métodos de almacenamiento de hidrógeno líquido gaseoso de alta presión y de baja temperatura. Tiene las ventajas de una alta densidad de volumen de almacenamiento de hidrógeno, fácil funcionamiento, transporte conveniente, bajo coste, alta seguridad, Etc. es adecuado para ocasiones con requisitos de volumen estrictos, como vehículos con pilas de combustible de hidrógeno. La tecnología de almacenamiento de hidrógeno de estado sólido puede dividirse en almacenamiento de hidrógeno de adsorción física y almacenamiento de hidrógeno de hidruro químico. El primero puede subdividirse en marcos orgánicos metálicos (MdE) y materiales de carbono nanoestructurados; el segundo puede subdividirse en hidruros metálicos como el titanio, el magnesio, el circonio y la tierra rara, así como hidruros no metálicos como los borohidruros y los hidruros orgánicos.
El almacenamiento de hidrógeno de hidruro metálico tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento de hidrógeno, alta pureza, alta fiabilidad (no se requieren condiciones de alta presión o baja temperatura) y un proceso de almacenamiento de hidrógeno sencillo. El principio principal es seleccionar hidruros metálicos adecuados y combinar hidrógeno con otra sustancia (aleación de almacenamiento de hidrógeno) en condiciones de baja presión para formar un estado cuasi compuesto. En la actualidad, el almacenamiento de hidrógeno hidruro metálico todavía se encuentra en fase de investigación y aún no se ha comercializado. Está restringido principalmente por los siguientes factores: (1) las aleaciones de almacenamiento de hidrógeno son caras; (2) la estructura es compleja. Puesto que se libera una gran cantidad de calor durante el proceso de almacenamiento de hidrógeno, se debe añadir al dispositivo de almacenamiento un equipo de intercambio de calor; (3) el hidruro en sí tiene una estabilidad deficiente y es propenso a formar componentes de impureza nocivos. Después de un uso repetido, el rendimiento se reduce significativamente; (4) la calidad del almacenamiento de hidrógeno es relativamente baja. Si se mide por masa, solo puede almacenar entre el 2% y el 4% del hidrógeno industrial.
3,4 el almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico ha atraído mucha atención
La tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico logra el almacenamiento de hidrógeno a través de las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación reversibles de la materia orgánica líquida no saturada. Este método de almacenamiento de hidrógeno tiene las ventajas de alta calidad, alta densidad de almacenamiento de hidrógeno de volumen, seguridad, transporte fácil a larga distancia y almacenamiento a largo plazo. La tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido orgánico todavía se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo, y todavía tiene desventajas como requisitos técnicos exigentes, alto costo, baja eficiencia de deshidrogenación, y fácil coquización y desactivación.
El costo de equipo de los dispositivos de hidrogenación catalítica y deshidrogenación es alto. La reacción de deshidrogenación debe completarse en condiciones heterogéneas de baja presión y alta temperatura. Limitada por los límites de calor y transferencia de masa y equilibrio de reacción, la eficiencia de la reacción de deshidrogenación es baja y las reacciones laterales son propensas a ocurrir, dando como resultado productos de hidrógeno impuro. Además, en condiciones de alta temperatura, la estructura de poros del catalizador de deshidrogenación se destruye fácilmente, lo que resulta en el coqueo y la desactivación.
4 Infraestructura de la industria del hidrógeno
El principal modo de transporte de hidrógeno industrial es el transporte en tuberías de hidrógeno líquido o gaseoso de alta presión. Los oleoductos de larga distancia deben llevar a cabo investigaciones básicas sobre la compatibilidad de los gasoductos de acero y el hidrógeno a alta presión, e innovar en los métodos de operación y gestión de los gasoductos para lograr la construcción de gasoductos de larga distancia, alta presión y gran escala.
4,1 el transporte de hidrógeno por tuberías está en la etapa inicial
La mezcla de hidrógeno en tuberías y la tecnología de transporte conjunto de hidrógeno y aceite son vínculos importantes para lograr el transporte de hidrógeno a gran escala y a larga distancia. El transporte global de hidrógeno comenzó temprano, pero se desarrolló lentamente. Europa lleva más de 80 años transportando hidrógeno por tuberías de larga distancia. Actualmente tiene una longitud total de unos 1.500 km de tuberías de hidrógeno, de los cuales el gasoducto Francia-Bélgica con una longitud de casi 400 km es el más largo del mundo. La longitud del gasoducto existente en los Estados Unidos es de 720 km, que es mucho más corta que la longitud de su gasoducto de gas natural (casi 55×10 4 km).
Nuestro país ya tiene muchos gasoductos en operación, como el Refino Sinopec Luoyang y el gasoducto químico Jiyuan-Luoyang con una longitud total de 25 km y una capacidad de transmisión anual de gas de 10,04×10 4 t; El gasoducto de hornos de coque Wuhai-Yinchuan tiene una longitud total de 216,4 km y una capacidad de transmisión anual de gas de 16,1×10 8 m 3, que se utiliza principalmente para transportar gas de hornos de coque y gas mezclado de hidrógeno.
4,2 Construcción conjunta de estaciones de reabastecimiento de hidrógeno con aceite de hidrógeno
Con la continua expansión del mercado de la industria del hidrógeno, la cadena de la industria del hidrógeno tiende a mejorar continuamente. En la actualidad, los vehículos de combustible de hidrógeno se están desarrollando rápidamente, la demanda de hidrógeno industrial ha aumentado considerablemente y la construcción de estaciones de reabastecimiento de hidrógeno también se ha acelerado en consecuencia.
A finales de 2017, había 328 estaciones de reabastecimiento de hidrógeno en funcionamiento en todo el mundo, incluidas 139 en Europa, 119 en Asia, 68 en América del Norte y 1 en América del Sur y Australia.
El "Libro Azul sobre el Desarrollo de la Infraestructura de la Industria de Energía del hidrógeno de China" ha hecho planes para los objetivos de desarrollo de la construcción de estaciones de reabastecimiento de hidrógeno a mediano y largo plazo y vehículos de celdas de combustible de mi país. Se espera que mi país construya 100 estaciones de reabastecimiento de hidrógeno y 1.000 para 2030. En febrero de 2018, China ha construido y está construyendo un total de 31 estaciones de reabastecimiento de hidrógeno, de las cuales 12 están en funcionamiento.
Las principales instalaciones de una estación de reabastecimiento de hidrógeno incluyen dispositivos de almacenamiento de hidrógeno, equipo de compresión, equipo de llenado y sistemas de control de la estación. En la actualidad, el coste medio de construcción global de una estación de repostaje de hidrógeno se sitúa entre 2 y 5 millones de dólares, de los cuales el coste del compresor es el más alto, representando alrededor del 30% del coste total. El costo de construcción de las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno en China es relativamente bajo, oscilando entre 2 millones y 2,5 millones de dólares estadounidenses (capacidad de hidrogenación de 35 MPa). Por lo tanto, es necesario acelerar el proceso de localización de los compresores de hidrógeno industriales, reducir el coste de construcción de las estaciones de repostaje de hidrógeno y promover el desarrollo de la industria del hidrógeno.
Se prevé que las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno a nivel mundial entrarán en una fase de desarrollo rápido, y habrá más de 1.000 estaciones en 2025. Al mismo tiempo, se aumentará el estudio de viabilidad de la construcción conjunta de estaciones de reabastecimiento de hidrógeno y estaciones de servicio, como el modelo de construcción conjunta adoptado por Alemania, Japón y otros países, Y las pruebas conjuntas de construcción de múltiples estaciones de reabastecimiento de hidrógeno y estaciones de gas realizadas en Yunfu, Guangdong, China. En el futuro, es muy probable que aparezca un modelo de construcción conjunta de cuatro estaciones de hidrógeno, estaciones de gas, estaciones de gas y estaciones de carga.
