Hidrogen tersebar luas di alam, dan hanya sejumlah kecil hidrogen bebas yang ada dalam keadaan alam. Hidrogen industri mengacu pada produk gas hidrogen yang mudah terbakar yang diproduksi secara besar-besaran dari bahan baku industri dengan cara tertentu. Proses ekstraksi hidrogen industri dari bahan baku yang mengandung hidrogen melalui input energi disebut produksi hidrogen buatan, termasuk produksi hidrogen dari bahan bakar fosil, produksi hidrogen dari dekomposisi air, produksi hidrogen bioteknologi, dan produksi hidrogen surya. Energi hidrogen, sebagai energi kimia hidrogen, termanifestasi sebagai energi yang dilepaskan selama perubahan fisik dan kimia. Ini adalah jenis energi penting dengan sifat energi sekunder. Produksi hidrogen buatan secara besar-besaran dan pemanfaatan energi hidrogen ini disebut industri hidrogen, termasuk produksi hidrogen hulu, penyimpanan dan transportasi tengah, dan aplikasi hilir. Berbagai sektor industri dalam sistem industri hidrogen didasarkan pada koneksi teknis dan ekonomi tertentu, yaitu rantai industri hidrogen, termasuk rantai nilai industri hidrogen, rantai perusahaan industri hidrogen, rantai pasokan dan permintaan industri hidrogen, dan rantai ruang industri hidrogen.
1 Industri hidrogen global telah mulai terbentuk
Industri hidrogen global telah berkembang pesat, dengan ukuran pasar yang tumbuh dari US$187,082 miliar pada tahun 2011 menjadi US$251,493 miliar saat ini, dengan tingkat pertumbuhan 34,4%. Di antaranya, Amerika Serikat adalah importir terbesar hidrogen industri, dengan nilai impor total sebesar US$248 juta, sementara Belanda adalah eksportir terbesar hidrogen industri, dengan nilai ekspor total tahunan sebesar US$342 juta.
Masyarakat manusia telah mengalami tiga revolusi industri. Sejak pertengahan abad ini, bersamaan dengan revolusi industri keempat, transisi global ke energi baru telah dimulai. Melihat sejarah perkembangan energi, peningkatan tiga sumber energi utama mencerminkan bentuk "tiga ekonomi utama".
Penemuan mesin uap oleh Watt mendorong konversi utama pertama dari kayu bakar menjadi batu bara, yang termanifestasikan sebagai "ekonomi karbon tinggi";
Daimler menemukan mesin pembakaran dalam, menyelesaikan konversi utama kedua dari batu bara menjadi minyak dan gas, menghasilkan "ekonomi karbon rendah";
Kemajuan ilmiah dan teknologi modern serta persyaratan perlindungan lingkungan saat ini telah mendorong konversi utama ketiga dari energi fosil tradisional menjadi energi baru non-fosil seperti energi hidrogen. Dunia mungkin secara bertahap memasuki "era energi hidrogen non-karbon"
2 Produksi hidrogen buatan terutama bergantung pada sumber daya fosil
Pasar industri hidrogen global memiliki regionalitas yang kuat dan telah membentuk tiga peta regional utama yaitu Asia-Pasifik, Amerika Utara, dan Eropa.
Sumber daya fosil saat ini merupakan bahan baku utama untuk produksi hidrogen, di antaranya produksi hidrogen dari gasifikasi batu bara memiliki potensi pengembangan yang besar.
2.1 Produksi hidrogen industri bersifat regional
Wilayah Asia-Pasifik menempati peringkat pertama di dunia dalam produksi hidrogen industri, diikuti oleh Amerika Utara.
Pertumbuhan ekonomi cepat negara-negara berkembang di wilayah Asia-Pasifik, seperti Tiongkok dan India, telah membawa permintaan kuat untuk energi bersih seperti hidrogen di wilayah Asia-Pasifik.
Permintaan dan produksi hidrogen industri Tiongkok kuat dan terus meningkat dari tahun ke tahun. Saat ini, Tiongkok mempertahankan keadaan keseimbangan pasokan dan permintaan, dan baik permintaan maupun produksi menempati peringkat pertama di dunia.
Sebagai negara utama dalam penggunaan energi hidrogen di dunia, Tiongkok telah mempertahankan posisi pertama di dunia selama bertahun-tahun sejak produksinya melebihi 1.000×10 4 t untuk pertama kalinya pada tahun 2009.
2.2 Produksi hidrogen dari sumber daya fosil dominan
Saat ini, bahan baku untuk produksi hidrogen buatan terutama berasal dari sumber daya fosil seperti minyak bumi, gas alam, dan batu bara. Dibandingkan dengan metode produksi hidrogen lainnya, proses produksi hidrogen dari sumber daya fosil sudah matang dan harga bahan bakunya relatif rendah, tetapi akan menghasilkan jumlah gas rumah kaca yang besar dan mencemari lingkungan.
Sebelumnya, lebih dari 96% bahan baku utama dunia untuk produksi hidrogen buatan berasal dari reformasi termokimia sumber daya fosil tradisional, dan hanya sekitar 4% berasal dari elektrolisis air. Batu bara dan gas alam adalah bahan baku utama untuk produksi hidrogen buatan di negara saya, masing-masing menyumbang 62% dan 19%. Produksi hidrogen melalui elektrolisis air menduduki posisi khusus dalam industri hidrogen Jepang, dan kapasitas produksi hidrogen elektrolisis air lautnya mencakup 63% dari total kapasitas produksi hidrogen buatan negara tersebut.
2.3 Produksi hidrogen dari gasifikasi batu bara memiliki potensi pengembangan yang besar
Gasifikasi batu bara mengacu pada reaksi batu bara dengan agen gasifikasi di bawah suhu tinggi, tekanan normal, atau kondisi bertekanan untuk membentuk produk gas. Dengan perkembangan industri batu bara menjadi sin-gas dan batu bara menjadi minyak, produksi hidrogen dari batu bara meningkat setiap tahun, dengan skala besar dan biaya rendah, dan biaya produksi hidrogen sekitar 20 yuan/kg. Selain itu, dalam proses produksi produk kimia (termasuk amonia sintetis, metanol, dll.), perangkat untuk mendaur ulang hidrogen industri dengan kemurnian lebih dari 99% dari gas relaksasi yang mengandung hidrogen menjadi lebih matang dan meningkat.
Produksi hidrogen dengan gasifikasi batubara bawah tanah memiliki potensi pengembangan yang besar dan juga merupakan cara yang efektif untuk mentransformasi dan memanfaatkan batubara secara bersih. Teknologi produksi hidrogen dengan gasifikasi batubara bawah tanah memiliki keuntungan dalam pemanfaatan sumber daya yang tinggi dan kerusakan yang lebih sedikit pada lingkungan permukaan. Ini sesuai dengan karakteristik struktur sumber daya negara saya yang kaya batubara tetapi kurang minyak dan gas. Namun, teknologi ini masih dalam tahap eksplorasi dan masih jauh dari pemanfaatan komersial.
3 Teknologi penyimpanan dan transportasi hidrogen yang efisien menjadi fokus pengembangan
Teknologi penyimpanan dan transportasi hidrogen yang aman dan efisien adalah kunci untuk mewujudkan aplikasi praktis energi hidrogen. Metode penyimpanan energi hidrogen terutama meliputi penyimpanan hidrogen cair suhu rendah, penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi, penyimpanan hidrogen padat, dan penyimpanan hidrogen cair organik. Metode penyimpanan hidrogen yang berbeda memiliki kepadatan penyimpanan hidrogen yang berbeda, di antaranya metode penyimpanan hidrogen gas memiliki kepadatan penyimpanan hidrogen terkecil dan metode penyimpanan hidrogen dengan logam hidrida memiliki kepadatan penyimpanan hidrogen terbesar.
3.1 Biaya penyimpanan hidrogen cair suhu rendah tinggi
Produksi dan penyimpanan serta transportasi hidrogen industri dalam skala besar dan murah adalah dasar untuk mewujudkan penggunaan praktis energi hidrogen. Hidrogen gas adalah cair pada suhu -253°C, dan kepadatan hidrogen cair adalah 845 kali lipat dari hidrogen gas. Rasio berat penyimpanan hidrogen cair berada di antara 5,0% dan 7,5%, dan kapasitas volume sekitar 0,04 kgH 2 /L. Pengkondisian hidrogen cair mahal dan mengkonsumsi banyak energi (4 ~ 10 kWh/kg), menyumbang sekitar sepertiga dari biaya produksi hidrogen cair. Kontainer penyimpanan hidrogen cair perlu memiliki kapasitas isolasi yang sangat tinggi untuk menghindari pemanasan dan penguapan hidrogen cair.
Saat ini, hidrogen cair terutama digunakan sebagai bahan bakar untuk propulsi roket antariksa, dan tangki dan trailer penyimpanan hidrogen cair telah digunakan dalam bidang kedirgantaraan dan lainnya di negara saya. Dengan perkembangan program antariksa manusia, kontainer penyimpanan hidrogen cair yang semakin besar, dan tangki penyimpanan hidrogen cair berinsulasi besar dengan kapasitas penyimpanan lebih dari 1.000 m3 dapat dibangun.
3.2 Teknologi penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi matang
Penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi saat ini adalah teknologi penyimpanan hidrogen yang paling umum digunakan dan paling matang. Metode penyimpanannya adalah dengan mengompresi hidrogen industri ke dalam wadah tahan tekanan tinggi. Perangkat penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi terutama meliputi tangki penyimpanan hidrogen tetap, tabung gas panjang, bundel tabung panjang, kelompok silinder baja, dan tabung penyimpanan hidrogen yang dipasang di kendaraan.
Silinder baja adalah wadah penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi yang paling umum digunakan, yang memiliki keuntungan struktur sederhana, konsumsi energi rendah untuk persiapan hidrogen terkompresi, kecepatan pengisian dan pengosongan yang cepat, tetapi juga memiliki kekurangan kinerja keamanan yang buruk dan kapasitas volume yang rendah. Saat ini, stasiun pengisian hidrogen yang telah dibangun dan sedang dalam konstruksi di China umumnya menggunakan peralatan penyimpanan hidrogen kelompok tabung gas panjang.
3.3 Teknologi penyimpanan hidrogen padat belum matang
Penyimpanan hidrogen padat adalah metode penyimpanan hidrogen yang paling menjanjikan, yang dapat efektif mengatasi kekurangan metode penyimpanan hidrogen gas bertekanan tinggi dan hidrogen cair suhu rendah. Ini memiliki keuntungan berupa kepadatan volume penyimpanan hidrogen tinggi, operasi yang mudah, transportasi yang nyaman, biaya rendah, keamanan tinggi, dll. Ini cocok untuk kebutuhan volume yang ketat, seperti kendaraan sel bahan bakar hidrogen. Teknologi penyimpanan hidrogen padat dapat dibagi menjadi penyimpanan hidrogen adsorpsi fisik dan penyimpanan hidrogen hidrida kimia. Yang pertama dapat dibagi lagi menjadi bingkai organik logam (MOF) dan material karbon nanostruktur; yang terakhir dapat dibagi lagi menjadi hidrida logam seperti titanium, magnesium, zirkonium dan tanah jarang, serta hidrida non-logam seperti borohidrida dan hidrida organik.
Penyimpanan hidrogen dengan logam hidrida memiliki keuntungan berupa kepadatan penyimpanan hidrogen yang tinggi, kemurnian tinggi, keandalan tinggi (tidak memerlukan kondisi tekanan tinggi atau suhu rendah) dan proses penyimpanan hidrogen yang sederhana. Prinsip utamanya adalah memilih logam hidrida yang sesuai dan menggabungkan hidrogen dengan zat lain (paduan penyimpanan hidrogen) di bawah kondisi tekanan rendah untuk membentuk keadaan quasi-komponen. Saat ini, penyimpanan hidrogen dengan logam hidrida masih dalam tahap penelitian dan belum dikomersialisasikan. Hal ini terutama dibatasi oleh faktor-faktor berikut: (1) Paduan penyimpanan hidrogen mahal; (2) Strukturnya kompleks. Karena banyak panas dilepaskan selama proses penyimpanan hidrogen, peralatan pertukaran panas harus ditambahkan ke dalam perangkat penyimpanan; (3) Hidrida itu sendiri memiliki stabilitas yang buruk dan rentan membentuk komponen-komponen impuritas berbahaya. Setelah penggunaan berulang, kinerjanya menurun secara signifikan; (4) Kualitas penyimpanan hidrogen relatif rendah. Jika diukur berdasarkan massa, hanya dapat menyimpan 2% hingga 4% hidrogen industri.
3.4 Penyimpanan hidrogen cair organik telah menarik banyak perhatian
Teknologi penyimpanan hidrogen cair organik mencapai penyimpanan hidrogen melalui reaksi hidrogenasi dan dehidrogenasi reversibel dari zat organik cair tak jenuh. Metode penyimpanan hidrogen ini memiliki keuntungan berupa kualitas tinggi, kepadatan penyimpanan hidrogen volume tinggi, keamanan, transportasi jarak jauh yang mudah, dan penyimpanan jangka panjang. Teknologi penyimpanan hidrogen cair organik masih dalam tahap penelitian dan pengembangan, dan masih memiliki kekurangan seperti persyaratan teknis yang ketat, biaya tinggi, efisiensi dehidrogenasi rendah, dan mudah terjadi coking dan deaktivasi.
Biaya peralatan dari perangkat katalitik hidrogenasi dan dehidrogenasi tinggi. Reaksi dehidrogenasi perlu diselesaikan dalam kondisi heterogen rendah tekanan dan tinggi suhu. Terbatas oleh transfer panas dan massa serta batas keseimbangan reaksi, efisiensi reaksi dehidrogenasi rendah dan reaksi samping rentan terjadi, menghasilkan produk hidrogen yang tidak murni. Selain itu, dalam kondisi suhu tinggi, struktur pori katalis dehidrogenasi mudah hancur, menghasilkan coking dan deaktivasi.
4 Infrastruktur industri hidrogen
Mode utama transportasi hidrogen industri adalah transportasi pipa hidrogen gas atau cair bertekanan tinggi. Pipa jarak jauh perlu melakukan penelitian dasar tentang kompatibilitas baja pipa dan hidrogen bertekanan tinggi, dan berinovasi dalam metode operasi dan manajemen pipa untuk mencapai konstruksi pipa hidrogen jarak jauh, bertekanan tinggi, dan besar skala.
4.1 Transportasi hidrogen pipa berada dalam tahap awal
Campuran hidrogen pipa dan teknologi pengangkutan hidrogen-minyak adalah tautan penting dalam mencapai transportasi hidrogen jarak jauh dan besar skala. Transportasi hidrogen pipa global dimulai sejak lama, tetapi berkembang lambat. Eropa telah mengangkut hidrogen melalui pipa jarak jauh selama lebih dari 80 tahun. Saat ini memiliki total panjang sekitar 1.500 km pipa hidrogen, di antaranya pipa hidrogen Prancis-Belgia dengan panjang hampir 400 km adalah yang terpanjang di dunia. Panjang pipa hidrogen yang ada di Amerika Serikat adalah 720 km, yang jauh lebih pendek dari panjang pipa gas alamnya (hampir 55×10 4 km).
Negara kita sudah memiliki banyak pipa hidrogen yang beroperasi, seperti pipa hidrogen Sinopec Luoyang Refining and Chemical Jiyuan-Luoyang dengan total panjang 25 km dan kapasitas transmisi gas tahunan sebesar 10.04×10 4 t; pipa gas batubara Wuhai-Yinchuan memiliki total panjang 216,4 km dan kapasitas transmisi gas tahunan sebesar 16.1×10 8 m 3, yang digunakan terutama untuk mengangkut gas batubara dan gas campuran hidrogen.
4.2 Pembangunan bersama hidrogen-minyak dari stasiun pengisian bahan bakar hidrogen
Dengan terus berkembangnya pasar industri hidrogen, rantai industri hidrogen cenderung terus ditingkatkan. Saat ini, kendaraan bahan bakar hidrogen berkembang pesat, permintaan akan hidrogen industri meningkat secara signifikan, dan konstruksi stasiun pengisian bahan bakar hidrogen juga meningkat sesuai.
Pada akhir tahun 2017, terdapat 328 stasiun pengisian bahan bakar hidrogen yang beroperasi di seluruh dunia, termasuk 139 di Eropa, 119 di Asia, 68 di Amerika Utara, dan 1 di Amerika Selatan dan Australia.
"Buku Biru tentang Pengembangan Infrastruktur Industri Energi Hidrogen China" telah membuat rencana untuk tujuan pengembangan konstruksi stasiun pengisian bahan bakar hidrogen dan kendaraan sel bahan bakar jangka menengah dan panjang di negara saya. Diperkirakan bahwa negara saya akan membangun 100 stasiun pengisian bahan bakar hidrogen dan 1.000 pada tahun 2030. Pada Februari 2018, China telah membangun dan sedang membangun total 31 stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, di mana 12 di antaranya beroperasi.
Fasilitas utama dari stasiun pengisian bahan bakar hidrogen termasuk perangkat penyimpanan hidrogen, peralatan kompresi, peralatan pengisian, dan sistem kontrol stasiun. Saat ini, biaya konstruksi rata-rata global dari stasiun pengisian bahan bakar hidrogen berkisar antara 2 juta hingga 5 juta dolar AS, di mana biaya kompresor adalah yang tertinggi, sekitar 30% dari total biaya. Biaya konstruksi stasiun pengisian bahan bakar hidrogen di China relatif rendah, berkisar antara 2 juta hingga 2,5 juta dolar AS (kapasitas hidrogenasi 35 MPa). Oleh karena itu, diperlukan percepatan proses lokal dari kompresor hidrogen industri, mengurangi biaya konstruksi stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, dan mempromosikan pengembangan industri hidrogen.
Diprediksi bahwa stasiun pengisian bahan bakar hidrogen global akan memasuki tahap pengembangan cepat, dan akan ada lebih dari 1.000 stasiun pada tahun 2025. Pada saat yang sama, studi kelayakan tentang pembangunan bersama stasiun pengisian bahan bakar hidrogen dan stasiun pengisian bahan bakar akan meningkat, seperti model pembangunan bersama yang diadopsi oleh Jerman, Jepang, dan negara-negara lain, serta uji coba pembangunan bersama beberapa stasiun pengisian bahan bakar hidrogen dan stasiun pengisian bahan bakar yang dilakukan di Yunfu, Guangdong, China. Di masa depan, sangat mungkin bahwa model pembangunan bersama empat stasiun dari stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, stasiun pengisian bahan bakar, stasiun pengisian bahan bakar, dan stasiun pengisian akan muncul.
