L'hydrogène est largement distribué par nature, et seule une très petite quantité d'hydrogène libre existe à l'état naturel. L'hydrogène industriel désigne le produit hydrogène gazeux combustible produit à grande échelle à partir de matières premières industrielles par certains moyens. Ce processus d'extraction de l'hydrogène industriel à partir de matières premières contenant de l'hydrogène par apport énergétique est appelé production d'hydrogène artificiel, y compris la production d'hydrogène à combustibles fossiles, la production d'hydrogène par décomposition de l'eau, la production d'hydrogène par biotechnologie et la production d'hydrogène solaire. L'énergie de l'hydrogène, comme énergie chimique de l'hydrogène, se manifeste par l'énergie libérée lors de changements physiques et chimiques. C'est un type important d'énergie avec des propriétés d'énergie secondaires. Cette production et cette utilisation à grande échelle de l'hydrogène artificiel est appelée industrie de l'hydrogène, y compris la production d'hydrogène en amont, le stockage et le transport en milieu de gamme et les applications en aval. Les divers secteurs industriels du système de l'industrie de l'hydrogène sont fondés sur certains liens techniques et économiques, à savoir la chaîne de l'industrie de l'hydrogène, y compris la chaîne de valeur de l'industrie de l'hydrogène, la chaîne d'entreprise de l'industrie de l'hydrogène, la chaîne d'approvisionnement et de demande de l'industrie de l'hydrogène et la chaîne spatiale de l'industrie de l'hydrogène
1 l'industrie mondiale de l'hydrogène a commencé à prendre forme
L'industrie mondiale de l'hydrogène s'est développée rapidement, la taille du marché passant de 187.082 milliards de dollars américains en 2011 à 251.493 milliards de dollars américains aujourd'hui, avec un taux de croissance de 34.4 %. Parmi eux, les États-Unis sont le plus gros importateur d'hydrogène industriel, avec une valeur totale d'importation de 248 millions de dollars US, tandis que les pays-Bas sont le plus grand exportateur d'hydrogène industriel, avec une valeur totale annuelle d'exportation de 342 millions de dollars US.
La société humaine a connu trois révolutions industrielles. Depuis le milieu de ce siècle, et la quatrième révolution industrielle, la transition mondiale vers de nouvelles énergies a commencé. En examinant l'histoire du développement énergétique, la modernisation des trois principales sources d'énergie reflète les trois formes économiques principales.
L'invention de Watt de la machine à vapeur a entraîné la première conversion majeure du bois de chauffage en charbon, qui s'est manifestée comme une "économie à forte émission de carbone";
Daimler a inventé le moteur à combustion interne, complétant la deuxième conversion majeure du charbon en pétrole et en gaz, ce qui a rendu une « économie à faible émission de carbone »;
Les progrès scientifiques et technologiques modernes et les exigences actuelles en matière de protection de l'environnement ont favorisé la troisième conversion majeure de l'énergie fossile traditionnelle en énergie nouvelle non fossile comme l'hydrogène. Le monde pourrait entrer progressivement dans l'ère de l'énergie hydrogène sans carbone
2 la production artificielle d'hydrogène repose principalement sur les ressources fossiles
Le marché mondial de l'hydrogène industriel a une forte régionalité et a formé trois grandes cartes régionales de l'Asie-Pacifique, de l'Amérique du Nord et de l'Europe.
Les ressources fossiles sont actuellement les principales matières premières de production d'hydrogène, dont la production d'hydrogène par gazéification du charbon a un grand potentiel de développement.
2.1 la production industrielle d'hydrogène est régionale
La région Asie-Pacifique se classe première au monde dans le domaine de la production industrielle d'hydrogène, suivie par l'Amérique du Nord.
La croissance économique rapide des pays en développement de la région Asie-Pacifique, comme la Chine et l'Inde, a entraîné une forte demande d'énergie propre, comme l'hydrogène, dans la région Asie-Pacifique.
La demande et la production d'hydrogène industriel de la Chine sont fortes et augmentent d'année en année. À l'heure actuelle, elle maintient un équilibre entre l'offre et la demande, et la demande et la production sont les premières au monde.
En tant que pays majeur dans l'utilisation de l'énergie hydrogène dans le monde, la Chine a conservé la première place mondiale depuis de nombreuses années depuis que sa production a dépassé 1 000×10 4 t pour la première fois en 2009.
2.2 la production d'hydrogène à partir de ressources fossiles est dominante
À l'heure actuelle, les matières premières utilisées pour la production artificielle d'hydrogène sont principalement des ressources fossiles comme le pétrole, le gaz naturel et le charbon. Par rapport aux autres méthodes de production d'hydrogène, le processus de production d'hydrogène des ressources fossiles est mature et le prix des matières premières est relativement faible, mais il émettra une grande quantité de gaz à effet de serre et polluera l'environnement.
Auparavant, plus de 96 % des principales matières premières mondiales destinées à la production d'hydrogène artificiel provenaient de la réforme thermochimique des ressources fossiles traditionnelles, et seulement 4 % provenaient de l'électrolyse de l'eau. Le charbon et le gaz naturel sont les principales matières premières de la production d'hydrogène artificiel dans mon pays, qui représentent respectivement 62 % et 19 %. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau occupe une position particulière dans l'industrie japonaise de l'hydrogène, et sa capacité de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau salée représente 63 % de la capacité totale de production d'hydrogène artificiel du pays.
2.3 gazéification du charbon la production d'hydrogène a un grand potentiel de développement
La gazéification du charbon se rapporte à la réaction du charbon avec un agent gazéifiant à haute température, sous pression normale ou sous pression pour former un produit gazeux. Avec le développement des industries du charbon au gaz de synthèse et du charbon au pétrole, la production de charbon à l'hydrogène a augmenté d'année en année, avec une grande échelle et un faible coût, et le coût de production d'hydrogène est d'environ 20 yuan/kg. En outre, dans le processus de production de produits chimiques (y compris l'ammoniac synthétique, le méthanol, etc.), les dispositifs pour récupérer de l'hydrogène industriel d'une pureté supérieure à 99% à partir de gaz de relaxation contenant de l'hydrogène deviennent plus matures et augmentent.
Gazéification souterraine du charbon la production d'hydrogène a un grand potentiel de développement et est aussi un moyen efficace de transformer et d'utiliser le charbon de manière propre. La gazéification souterraine du charbon la technologie de production d'hydrogène présente les avantages d'une utilisation élevée des ressources et de moins endommager l'environnement de surface. Il est conforme aux caractéristiques de la structure des ressources du riche charbon de mon pays, mais il est insuffisant en pétrole et en gaz. Toutefois, cette technologie est encore à l'étape exploratoire et est encore loin de l'utilisation commerciale.
3 une technologie efficace de stockage et de transport de l'hydrogène est au centre de l'attention de développement
Une technologie sûre et efficace de stockage et de transport de l'hydrogène est la clé de l'application pratique de l'énergie hydrogène. Les méthodes de stockage de l'énergie hydrogène comprennent principalement le stockage d'hydrogène liquide à basse température, le stockage d'hydrogène gazeux à haute pression, le stockage d'hydrogène solide et le stockage d'hydrogène liquide organique. Les différentes méthodes de stockage de l'hydrogène ont différentes densités de stockage de l'hydrogène, parmi lesquelles la méthode de stockage de l'hydrogène gazeux a la plus petite densité de stockage de l'hydrogène et la méthode de stockage de l'hydrogène à hydrure métallique a la plus grande densité de stockage de l'hydrogène.
3.1 le coût du stockage de l'hydrogène liquide à basse température est élevé
La production, le stockage et le transport à grande échelle et bon marché de l'hydrogène industriel sont la base de l'utilisation pratique de l'énergie hydrogène. L'hydrogène gazeux est liquide à -253°C et la densité de l'hydrogène liquide est 845 fois supérieure à celle de l'hydrogène gazeux. Le rapport de poids du stockage d'hydrogène liquide est compris entre 5.0 % et 7.5 %, et la capacité en volume est d'environ 0.04 KGH 2 /L. La liquéfaction de l'hydrogène est coûteuse et consomme beaucoup d'énergie (4 ~ 10 kWh/kg), ce qui représente environ un tiers du coût de production d'hydrogène liquide. Les conteneurs de stockage d'hydrogène liquide doivent avoir une capacité d'isolation extrêmement élevée pour éviter l'ébullition et la vaporisation de l'hydrogène liquide.
À l'heure actuelle, l'hydrogène liquide est principalement utilisé comme combustible pour la propulsion de fusées spatiales, et ses réservoirs de stockage et ses remorques ont été utilisés dans l'aérospatiale de mon pays et dans d'autres domaines. Avec le développement de programmes d'espace humain, les conteneurs de stockage d'hydrogène liquide deviennent de plus en plus grands et de grands réservoirs de stockage isolés d'hydrogène liquide d'une capacité de stockage de plus de 1,000 m3 peuvent être construits.
3.2 la technologie de stockage de l'hydrogène gazeux à haute pression est mature
Le stockage d'hydrogène gazeux à haute pression est actuellement la technologie de stockage d'hydrogène la plus couramment utilisée et la plus mature. Sa méthode de stockage consiste à comprimer l'hydrogène industriel dans un récipient résistant à haute pression. Les dispositifs de stockage d'hydrogène gazeux haute pression comprennent principalement des réservoirs fixes de stockage d'hydrogène, des bouteilles de gaz à long tube, des faisceaux à long tube, des groupes de bouteilles en acier et des bouteilles de stockage d'hydrogène montées sur véhicule.
Les bouteilles en acier sont les conteneurs de stockage d'hydrogène gazeux à haute pression les plus couramment utilisés, qui présentent les avantages d'une structure simple, d'une faible consommation d'énergie pour la préparation d'hydrogène comprimé, d'une vitesse de remplissage et de déchargement rapide, mais présentent également les inconvénients d'une performance de sécurité médiocre et d'une faible capacité volumique. À l'heure actuelle, les stations de ravitaillement en hydrogène qui ont été construites et sont en construction en Chine utilisent généralement du matériel de stockage d'hydrogène à long tube pour le groupe de bouteilles de gaz.
3.3 la technologie de stockage de l'hydrogène à l'état solide n'est pas encore mature
Le stockage d'hydrogène à l'état solide est la méthode de stockage d'hydrogène la plus prometteuse, qui peut efficacement surmonter les lacunes des méthodes de stockage d'hydrogène gazeux à haute pression et liquide à basse température. Il présente les avantages d'une densité de volume de stockage d'hydrogène élevée, d'une utilisation facile, d'un transport pratique, d'un faible coût, d'une sécurité élevée, Etc. Il convient aux situations où les volumes sont très stricts, comme les véhicules à pile à hydrogène. La technologie de stockage de l'hydrogène à l'état solide peut être divisée en stockage d'hydrogène par adsorption physique et stockage d'hydrogène par hydrure chimique. Les premiers peuvent être subdivisés en cadres organiques métalliques (MOF) et en matériaux carbone nanostructurés; les derniers peuvent être subdivisés en hydrures métalliques telles que le titane, le magnésium, le zirconium et les terres rares, ainsi qu'en hydrures non métalliques telles que les borohydrures et les hydrures organiques.
Le stockage d'hydrogène à hydrure métallique présente les avantages d'une densité de stockage d'hydrogène élevée, d'une pureté élevée, d'une fiabilité élevée (aucune condition de haute pression ou de basse température n'est requise) et d'un processus de stockage d'hydrogène simple. Le principe principal est de sélectionner des hydrures métalliques appropriées et de combiner l'hydrogène avec une autre substance (alliage de stockage d'hydrogène) dans des conditions de basse pression pour former un état quasi composé. À l'heure actuelle, le stockage de l'hydrogène à l'hydrure métallique en est encore à l'étape de la recherche et n'a pas encore été commercialisé. Elle est principalement limitée par les facteurs suivants: (1) les alliages de stockage de l'hydrogène sont coûteux; (2) la structure est complexe. Comme une grande quantité de chaleur est libérée pendant le processus de stockage de l'hydrogène, un équipement d'échange thermique doit être ajouté au dispositif de stockage; (3) l'hydrure lui-même a une stabilité médiocre et est susceptible de former des composants d'impureté nocifs. Après une utilisation répétée, les performances sont considérablement réduites; (4) la qualité du stockage de l'hydrogène est relativement faible. Si elle est mesurée en masse, elle ne peut stocker que 2 à 4 % de l'hydrogène industriel.
3.4 le stockage d'hydrogène liquide organique a attiré beaucoup d'attention
La technologie de stockage de l'hydrogène liquide organique permet de stocker l'hydrogène par les réactions réversibles d'hydrogénation et de déshydrogénation de la matière organique liquide non saturée. Cette méthode de stockage de l'hydrogène présente les avantages d'une haute qualité, d'une densité de stockage de l'hydrogène à volume élevé, d'une sécurité, d'un transport facile sur de longues distances et d'un stockage à long terme. La technologie de stockage de l'hydrogène liquide organique est encore en phase de recherche et de développement et présente encore des inconvénients, tels que des exigences techniques exigeantes, un coût élevé, une faible efficacité de déshydrogénation, ainsi qu'un cokage et une désactivation faciles.
Le coût de l'équipement des dispositifs d'hydrogénation catalytique et de déshydrogénation est élevé. La réaction de déshydrogénation doit être réalisée dans des conditions hétérogènes à basse pression et à haute température. Limitée par les limites de transfert de chaleur et de masse et d'équilibre de la réaction, l'efficacité de la réaction de déshydrogénation est faible et les réactions secondaires sont susceptibles de se produire, ce qui entraîne des produits d'hydrogène impure. En outre, dans des conditions de température élevée, la structure interstitielle du catalyseur de déshydrogénation est facilement détruite, ce qui entraîne un cokage et une désactivation.
4 Infrastructure de l'industrie de l'hydrogène
Le principal mode de transport industriel de l'hydrogène est le transport par pipeline d'hydrogène gazeux ou liquide à haute pression. Les pipelines de longue distance doivent mener des recherches de base sur la compatibilité de l'acier pour pipelines et de l'hydrogène haute pression, et innover en matière d'exploitation et de gestion de pipelines pour réaliser des constructions de pipelines d'hydrogène à grande échelle, à haute pression et à longue distance.
4.1 le transport de l'hydrogène par pipeline en est à l'étape initiale
Le mélange d'hydrogène par pipeline et la technologie de co-transport hydrogène-huile sont des liens importants pour assurer le transport d'hydrogène à grande et à longue distance. Le transport mondial de l'hydrogène par pipeline a commencé tôt, mais s'est développé lentement. L'Europe transporte de l'hydrogène par pipeline longue distance depuis plus de 80 ans. Elle possède actuellement une longueur totale d'environ 1,500 km de gazoducs, dont le gazoduc France-Belgique d'une longueur de près de 400 km est le plus long du monde. La longueur du gazoduc actuel aux États-Unis est de 720 km, ce qui est beaucoup plus court que la longueur de son gazoduc (près de 55×10 4 km).
Notre pays possède déjà de nombreux gazoducs en exploitation, comme le pipeline Sinopec Luoyang Refining et Chemical Jiyuan-Luoyang, d'une longueur totale de 25 km et d'une capacité annuelle de transmission du gaz de 10.04×10 4 t; Le gazoduc de four à coke Wuhai-Yinchuan a une longueur totale de 216.4 km et une capacité annuelle de transport de gaz de 16.1×10 8 m 3, qui est principalement utilisé pour transporter le gaz de four à coke et le gaz mélangé à l'hydrogène.
4.2 Construction conjointe hydrogène-huile de stations de ravitaillement en hydrogène
Avec l'expansion continue du marché de l'industrie de l'hydrogène, la chaîne de l'industrie de l'hydrogène tend à être continuellement améliorée. Actuellement, les véhicules à hydrogène se développent rapidement, la demande d'hydrogène industriel a augmenté considérablement et la construction de stations de ravitaillement en hydrogène s'est également accélérée en conséquence.
À la fin de 2017, il y avait 328 stations de ravitaillement en hydrogène dans le monde, dont 139 en Europe, 119 en Asie, 68 en Amérique du Nord et 1 en Amérique du Sud et en Australie.
Le "Livre bleu sur le développement de l'infrastructure de l'industrie de l'énergie hydrogène en Chine" a prévu des objectifs de développement pour la construction de stations de ravitaillement en hydrogène à moyen et à long terme et les véhicules à pile à combustible de mon pays. Mon pays devrait construire 100 stations de ravitaillement en hydrogène et 1,000 d'ici 2030. En février 2018, la Chine a construit et construit au total 31 stations de ravitaillement en hydrogène, dont 12 sont en exploitation.
Les principales installations d'une station de ravitaillement en hydrogène comprennent des dispositifs de stockage de l'hydrogène, du matériel de compression, du matériel de remplissage et des systèmes de contrôle de station. Actuellement, le coût moyen global de construction d'une station de ravitaillement en hydrogène se situe entre 2 et 5 millions de dollars américains, dont le coût du compresseur est le plus élevé, représentant environ 30 % du coût total. Le coût de construction des stations de ravitaillement en hydrogène en Chine est relativement faible, allant de 2 millions à 2.5 millions de dollars américains (capacité d'hydrogénation de 35 MPa). Il est donc nécessaire d'accélérer le processus de localisation des compresseurs industriels à hydrogène, de réduire les coûts de construction des stations de ravitaillement en hydrogène et de promouvoir le développement de l'industrie de l'hydrogène.
On prévoit que les stations de ravitaillement en hydrogène à l'échelle mondiale entreront dans une phase de développement rapide et qu'il y aura plus de 1,000 stations en 2025. Parallèlement, l'étude de faisabilité de la construction conjointe de stations de ravitaillement en hydrogène et de stations-service sera accrue, comme le modèle de construction conjointe adopté par l'Allemagne, le Japon et d'autres pays, Et les essais de construction conjointe de plusieurs stations de ravitaillement en hydrogène et stations-service effectués au Yunfu, Guangdong, Chine. À l'avenir, il est très probable qu'un modèle de construction conjoint de quatre stations de ravitaillement en hydrogène, de stations-service, de stations-service et de stations de recharge paraîtra.
