L'idrogeno è ampiamente distribuito in natura, e solo una piccola quantità di idrogeno libero esiste allo stato naturale. Idrogeno industriale si riferisce al prodotto combustibile gassoso di idrogeno prodotto su larga scala da materie prime industriali con certi mezzi. Questo processo di estrazione dell'idrogeno industriale da materie prime contenenti idrogeno attraverso l'apporto energetico è chiamato produzione di idrogeno artificiale, compresa la produzione di idrogeno con combustibili fossili, la produzione di idrogeno con decomposizione dell'acqua, la produzione di idrogeno con biotecnologia e la produzione di idrogeno solare. L'energia dell'idrogeno, come energia chimica dell'idrogeno, si manifesta come energia rilasciata durante i cambiamenti fisici e chimici. Si tratta di un tipo importante di energia con proprietà energetiche secondarie. Questa produzione artificiale di idrogeno su larga scala e l'utilizzo di energia di idrogeno sono chiamati industria dell'idrogeno, compresa la produzione di idrogeno a monte, lo stoccaggio e il trasporto a flusso intermedio, e le applicazioni a valle. I vari settori industriali del sistema dell'industria dell'idrogeno si basano su alcuni collegamenti tecnici ed economici, vale a dire la catena dell'industria dell'idrogeno, compresa la catena del valore dell'industria dell'idrogeno, la catena dell'industria dell'idrogeno, la catena della domanda e dell'offerta dell'industria dell'idrogeno e la catena spaziale dell'industria dell'idrogeno.
1 l'industria globale dell'idrogeno ha iniziato a prendere forma
L'industria globale dell'idrogeno si è sviluppata rapidamente, con le dimensioni del mercato in crescita da 187.082 miliardi di dollari nel 2011 a 251.493 miliardi di dollari oggi, con un tasso di crescita del 34.4%. Tra questi, gli Stati Uniti sono il maggiore importatore di idrogeno industriale, con un valore totale delle importazioni di 248 milioni di dollari, mentre i Paesi Bassi sono il maggiore esportatore di idrogeno industriale, con un valore totale annuo delle esportazioni di 342 milioni di dollari.
La società umana ha vissuto tre rivoluzioni industriali. Dalla metà di questo secolo, insieme alla quarta rivoluzione industriale, è iniziata la transizione globale verso la nuova energia. Guardando alla storia dello sviluppo energetico, il miglioramento delle tre principali fonti energetiche riflette le "tre principali forme economiche".
L'invenzione di watt del motore a vapore ha portato alla prima conversione importante della legna da ardere in carbone, che si è manifestata come "economia ad alto contenuto di carbonio";
Daimler inventò il motore a combustione interna, completando la seconda importante conversione del carbone in petrolio e gas, rendendo un "basso consumo di carbonio";
Il progresso scientifico e tecnologico moderno e le esigenze odierne di tutela ambientale hanno promosso la terza grande conversione dell'energia fossile tradizionale in energia nuova non fossile, come l'energia a idrogeno. Il mondo può gradualmente entrare nell'era dell'energia dell'idrogeno non-carbonio
2 la produzione artificiale di idrogeno si basa principalmente sulle risorse fossili
Il mercato industriale dell'idrogeno ha una forte regionalità e ha formato tre grandi mappe regionali dell'Asia-Pacifico, del Nord America e dell'Europa.
Le risorse fossili sono attualmente le principali materie prime per la produzione di idrogeno, tra cui la produzione di idrogeno per la gassificazione del carbone ha un grande potenziale di sviluppo.
2.1 la produzione industriale di idrogeno è regionale
La regione Asia-Pacifico si colloca al primo posto nel mondo nella produzione industriale di idrogeno, seguita dal Nord America.
La rapida crescita economica dei paesi in via di sviluppo della regione Asia-Pacifico, come la Cina e l’India, ha portato ad una forte domanda di energia pulita, come l’idrogeno nella regione Asia-Pacifico.
La domanda e la produzione di idrogeno industriale della Cina sono forti e aumentano di anno in anno. Attualmente, mantiene uno stato di equilibrio tra domanda e offerta, e sia la domanda che la produzione sono al primo posto nel mondo.
Come paese principale nell'uso dell'energia di idrogeno nel mondo, la Cina ha mantenuto il primo posto del mondo per molti anni da quando la sua produzione ha superato 1 000×10 4 t per la prima volta nel 2009.
2.2 la produzione di idrogeno da risorse fossili è dominante
Attualmente, le materie prime per la produzione di idrogeno artificiale sono principalmente risorse fossili come petrolio, gas naturale e carbone. Rispetto ad altri metodi di produzione di idrogeno, il processo di produzione di idrogeno delle risorse fossili è maturo e il prezzo delle materie prime è relativamente basso, ma emetterà una grande quantità di gas serra e inquinerà l'ambiente.
In precedenza, oltre il 96% delle principali materie prime mondiali per la produzione di idrogeno artificiale proveniva dalla riforma termochimica delle risorse fossili tradizionali, e solo il 4% circa proveniva dall'elettrolisi dell'acqua. Il carbone e il gas naturale sono le principali materie prime per la produzione di idrogeno artificiale nel mio paese, che rappresentano rispettivamente il 62 e il 19 per cento. La produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua occupa una posizione speciale nell'industria dell'idrogeno giapponese, e la sua capacità di produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua salata rappresenta il 63% della capacità produttiva totale di idrogeno artificiale del paese.
2.3 la produzione di idrogeno per la gassificazione del carbone ha un grande potenziale di sviluppo
La gassificazione del carbone si riferisce alla reazione del carbone con un agente gassificante in condizioni di alta temperatura, pressione normale o pressione per formare un prodotto gassoso. Con lo sviluppo delle industrie del carbone-syngas e del carbone-petrolio, la produzione di carbone-idrogeno è aumentata anno dopo anno, con una grande scala e un costo basso, e il costo della produzione di idrogeno è di circa 20 yuan/kg. Inoltre, nel processo di produzione di prodotti chimici (tra cui ammoniaca sintetica, metanolo, ecc.), i dispositivi per recuperare idrogeno industriale con una purezza superiore al 99% da gas di rilassamento contenente idrogeno stanno diventando sempre più maturi e in aumento.
La produzione di idrogeno per la gassificazione del carbone sotterraneo ha un grande potenziale di sviluppo ed è anche un modo efficace per trasformare e utilizzare il carbone in modo pulito. La tecnologia di produzione di idrogeno per la gassificazione del carbone sotterraneo presenta i vantaggi di un elevato utilizzo delle risorse e di un minor danno all'ambiente superficiale. È conforme alle caratteristiche della struttura delle risorse del carbone ricco del mio paese ma non è sufficiente petrolio e gas. Tuttavia, questa tecnologia è ancora in fase esplorativa ed è ancora molto lontano dall'utilizzo commerciale.
3 l'obiettivo è l'efficienza della tecnologia di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno di sviluppo
La tecnologia di stoccaggio e trasporto dell'idrogeno è la chiave per realizzare l'applicazione pratica dell'energia a idrogeno. I metodi di stoccaggio dell'energia idrogeno comprendono principalmente lo stoccaggio di idrogeno liquido a bassa temperatura, lo stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione, lo stoccaggio di idrogeno solido e lo stoccaggio di idrogeno liquido organico. Differenti metodi di stoccaggio di idrogeno hanno diverse densità di stoccaggio di idrogeno, tra cui il metodo di stoccaggio di idrogeno gassoso ha la più piccola densità di stoccaggio di idrogeno e il metodo di stoccaggio di idrogeno di idruro metallico ha la più grande densità di stoccaggio di idrogeno.
3.1 il costo di stoccaggio di idrogeno liquido a bassa temperatura è elevato
La produzione, lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno industriale su larga scala ed economici sono la base per realizzare l'uso pratico dell'energia a idrogeno. L'idrogeno gassoso è liquido a -253°C, e la densità dell'idrogeno liquido è 845 volte quella dell'idrogeno gassoso. Il rapporto in peso di stoccaggio di idrogeno liquido è compreso tra 5.0% e 7.5%, e la capacità in volume è di circa 0.04 KGH 2 /L. La liquefazione di idrogeno è costosa e consuma molta energia (4 ~ 10 kWh/kg), rappresentando circa un terzo del costo della produzione di idrogeno liquido. I contenitori di stoccaggio di idrogeno liquido devono avere una capacità di isolamento estremamente elevata per evitare l'ebollizione e la vaporizzazione di idrogeno liquido.
Attualmente, l'idrogeno liquido viene utilizzato principalmente come carburante per la propulsione spaziale a razzi, e i suoi serbatoi e rimorchi di stoccaggio sono stati utilizzati nel settore aerospaziale del mio paese e in altri campi. Con lo sviluppo di programmi per lo spazio umano, i contenitori di stoccaggio di idrogeno liquido stanno diventando più grandi e possono essere costruiti grandi serbatoi di stoccaggio isolati con idrogeno liquido con una capacità di stoccaggio di oltre 1,000 m3.
3.2 la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno gassoso ad alta pressione è matura
Lo stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione è attualmente la tecnologia di stoccaggio di idrogeno più comunemente utilizzata e più matura. Il suo metodo di stoccaggio è quello di comprimere idrogeno industriale in un contenitore resistente ad alta pressione. I dispositivi di stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione comprendono principalmente serbatoi fissi di stoccaggio di idrogeno, bombole di gas a tubo lungo, fasci di tubi lunghi, gruppi di cilindri in acciaio e cilindri di stoccaggio di idrogeno montati su veicolo.
I cilindri in acciaio sono i contenitori di stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione più comunemente utilizzati, che presentano i vantaggi di una struttura semplice, un basso consumo energetico per la preparazione di idrogeno compresso, una velocità di riempimento e di scarico rapida, ma presentano anche gli svantaggi di scarse prestazioni di sicurezza e di bassa capacità volumetrica. Attualmente, le stazioni di rifornimento di idrogeno costruite e in costruzione in Cina utilizzano generalmente attrezzature di stoccaggio di idrogeno a tubi lunghi.
3.3 la tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno allo stato solido non è ancora matura
Lo stoccaggio di idrogeno allo stato solido è il metodo di stoccaggio di idrogeno più promettente, che può efficacemente superare le carenze dei metodi di stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione e liquido a bassa temperatura. Ha i vantaggi di elevata densità di volume di accumulo di idrogeno, facile funzionamento, trasporto conveniente, basso costo, elevata sicurezza, Ecc. è adatto per le occasioni con requisiti di volume rigorosi, come i veicoli a celle a combustibile a idrogeno. La tecnologia di stoccaggio di idrogeno allo stato solido può essere divisa in stoccaggio di idrogeno ad adsorbimento fisico e stoccaggio di idrogeno ad idruro chimico. Il primo può essere suddiviso in strutture organiche metalliche (MOF) e materiali carboniosi nanostrutturati; quest'ultimo può essere suddiviso in idruri metallici quali titanio, magnesio, zirconio e terre rare, nonché idruri non metallici quali boroidruri e idruri organici.
Lo stoccaggio di idrogeno in idruro metallico presenta i vantaggi di un'elevata densità di stoccaggio di idrogeno, elevata purezza, elevata affidabilità (non sono richieste condizioni di alta pressione o bassa temperatura) e di un semplice processo di stoccaggio di idrogeno. Il principio principale è quello di selezionare idruri metallici adatti e combinare idrogeno con un'altra sostanza (lega di stoccaggio di idrogeno) in condizioni di bassa pressione per formare uno stato quasi-composto. Attualmente, lo stoccaggio di idrogeno in idruro metallico è ancora in fase di ricerca e non è ancora stato commercializzato. Esso è limitato principalmente dai seguenti fattori: (1) le leghe di stoccaggio di idrogeno sono costose; (2) la struttura è complessa. Poiché una grande quantità di calore viene rilasciata durante il processo di stoccaggio di idrogeno, l'apparecchiatura di scambio termico deve essere aggiunta al dispositivo di stoccaggio; (3) l'idruro stesso ha una scarsa stabilità ed è suscettibile di formare componenti dannosi di impurità. Dopo un uso ripetuto, le prestazioni sono significativamente ridotte; (4) la qualità di stoccaggio di idrogeno è relativamente bassa. Se misurato in massa, può immagazzinare solo il 2% - 4% di idrogeno industriale.
3.4 stoccaggio di idrogeno liquido organico ha attirato molta attenzione
La tecnologia di stoccaggio di idrogeno liquido organico raggiunge lo stoccaggio di idrogeno attraverso le reazioni reversibili di idrogenazione e deidrogenazione di materia organica liquida insaturo. Questo metodo di stoccaggio di idrogeno presenta i vantaggi di alta qualità, densità di stoccaggio di idrogeno in volume elevato, sicurezza, facile trasporto a lunga distanza e stoccaggio a lungo termine. La tecnologia di stoccaggio di idrogeno liquido organico è ancora in fase di ricerca e sviluppo, e ha ancora svantaggi come requisiti tecnici esigenti, costo elevato, efficienza di deidrogenazione bassa, e coking e disattivazione facile.
Il costo dell'apparecchiatura dei dispositivi di idrogenazione catalitica e deidrogenazione è elevato. La reazione di deidrogenazione deve essere completata in condizioni eterogenee a bassa pressione e ad alta temperatura. Limitato dal trasferimento di calore e massa e dai limiti di equilibrio della reazione, l'efficienza della reazione di deidrogenazione è bassa e le reazioni secondarie sono soggette a verificarsi, con conseguente produzione di idrogeno impuro. Inoltre, in condizioni di temperatura elevata, la struttura dei pori del catalizzatore di deidrogenazione viene facilmente distrutta, dando come risultato coking e disattivazione.
4 infrastrutture dell'industria dell'idrogeno
Il modo principale di trasporto industriale dell'idrogeno è il trasporto di condutture di idrogeno gassoso o liquido ad alta pressione. I gasdotti a lunga distanza devono svolgere ricerche di base sulla compatibilità dei tubi in acciaio e idrogeno ad alta pressione, e innovare il funzionamento e i metodi di gestione dei tubi per realizzare condutture a lunga distanza, ad alta pressione e su larga scala.
4.1 trasporto di idrogeno di condutture è nella fase iniziale
La miscelazione dell’idrogeno in condotte e la tecnologia del co-trasporto idrogeno-olio sono collegamenti importanti per il trasporto dell’idrogeno su larga scala e a lunga distanza. Il trasporto di idrogeno a livello globale è iniziato presto, ma si è sviluppato lentamente. L'Europa trasporta l'idrogeno tramite oleodotti a lunga distanza da oltre 80 anni. Attualmente ha una lunghezza totale di circa 1,500 km di gasdotti a idrogeno, di cui il gasdotto Francia-Belgio, lungo quasi 400 km, è il più lungo del mondo. La lunghezza del gasdotto esistente negli Stati Uniti è di 720 km, molto più breve della lunghezza del gasdotto (circa 55×10 4 km).
Il nostro paese ha già in funzione numerosi gasdotti a idrogeno, come il Sinopec Luoyang Refining e il gasdotto chimico Jiyuan-Luoyang, con una lunghezza totale di 25 km e una capacità di trasmissione del gas annuale di 10.04×10 4 t; Il gasdotto da coke Wuhai-Yinchuan ha una lunghezza totale di 216.4 km e una capacità di trasporto di gas annuale di 16.1×10 8 m 3, che viene utilizzato principalmente per il trasporto di gas da forno a coke e gas misto a idrogeno.
4.2 costruzione congiunta idrogeno-olio di stazioni di rifornimento idrogeno
Con la continua espansione del mercato dell'industria dell'idrogeno, la catena dell'industria dell'idrogeno tende ad essere continuamente migliorata. Attualmente, i veicoli a combustibile a idrogeno si stanno sviluppando rapidamente, la domanda di idrogeno industriale è aumentata notevolmente e la costruzione di stazioni di rifornimento a idrogeno ha anche accelerato di conseguenza.
Alla fine del 2017, in tutto il mondo erano in funzione 328 stazioni di rifornimento di idrogeno, di cui 139 in Europa, 119 in Asia, 68 in Nord America e 1 in Sud America e Australia.
Il "Libro blu sullo sviluppo delle infrastrutture dell'industria dell'energia a idrogeno in Cina" ha fatto dei piani per gli obiettivi di sviluppo dei veicoli a celle a combustibile e di costruzione di stazioni di rifornimento a idrogeno a medio e lungo termine del mio paese. Si prevede che il mio paese costruirà 100 stazioni di rifornimento di idrogeno e 1,000 entro il 2030. A febbraio 2018, la Cina ha costruito e sta costruendo un totale di 31 stazioni di rifornimento di idrogeno, di cui 12 in funzione.
Le principali strutture di una stazione di rifornimento di idrogeno includono dispositivi di stoccaggio di idrogeno, apparecchiature di compressione, attrezzature di riempimento e sistemi di controllo della stazione. Attualmente, il costo medio complessivo di costruzione di una stazione di rifornimento di idrogeno è compreso tra 2 milioni e 5 milioni di dollari USA, di cui il costo del compressore è il più alto, rappresentando circa il 30% del costo totale. Il costo di costruzione delle stazioni di rifornimento di idrogeno in Cina è relativamente basso, che va da 2 milioni a 2.5 milioni di dollari (capacità di idrogenazione di 35 MPa). È quindi necessario accelerare il processo di localizzazione dei compressori industriali a idrogeno, ridurre i costi di costruzione delle stazioni di rifornimento di idrogeno e promuovere lo sviluppo dell'industria dell'idrogeno.
Si prevede che le stazioni globali di rifornimento di idrogeno entreranno in una fase di rapido sviluppo, e ci saranno più di 1,000 stazioni nel 2025. Parallelamente, sarà aumentato lo studio di fattibilità della costruzione congiunta di stazioni di rifornimento e di gas a idrogeno, come il modello di costruzione comune adottato da Germania, Giappone e altri paesi; E le prove di costruzione congiunte di più stazioni di rifornimento di idrogeno e stazioni di gas effettuate a Yunfu, Guangdong, Cina. In futuro, è molto probabile che si manifesti un modello di costruzione comune a quattro stazioni di rifornimento di idrogeno, stazioni di servizio, stazioni di servizio e stazioni di ricarica.
