Waterstof is wijdverspreid in de natuur, en slechts een zeer kleine hoeveelheid vrije waterstof bestaat in de natuurlijke staat. Industriële waterstof verwijst naar het brandbare gasvormige waterstofproduct dat op grote schaal wordt geproduceerd uit industriële grondstoffen door bepaalde middelen. Dit proces van het extraheren van industriële waterstof uit waterstofhoudende grondstoffen door energie-invoer wordt kunstmatige waterstofproductie genoemd, inclusief waterstofproductie uit fossiele brandstoffen, waterontleding waterstofproductie, biotechnologie waterstofproductie en zonne-waterstofproductie. Waterstofenergie, als de chemische energie van waterstof, manifesteert zich als energie die vrijkomt tijdens fysieke en chemische veranderingen. Het is een belangrijk type energie met secundaire energie-eigenschappen. Deze grootschalige kunstmatige waterstofproductie en het gebruik van waterstofenergie worden de waterstofindustrie genoemd, inclusief stroomopwaartse waterstofproductie, middenstroom opslag en transport, en stroomafwaartse toepassingen. De verschillende industriële sectoren in het waterstofindustriesysteem zijn gebaseerd op bepaalde technische en economische verbindingen, namelijk de waterstofindustrie-industrieketen, inclusief de waterstofindustrie-waardeketen, waterstofindustrie-ondernemingsketen, waterstofindustrie-vraag- en aanbodketen en waterstofindustrie-ruimteketen.
1 De wereldwijde waterstofindustrie begint vorm te krijgen
De wereldwijde waterstofindustrie heeft zich snel ontwikkeld, waarbij de marktomvang is gegroeid van US$187,082 miljard in 2011 tot US$251,493 miljard vandaag, met een groeipercentage van 34,4%. De Verenigde Staten is de grootste importeur van industriële waterstof, met een totale importwaarde van US$248 miljoen, terwijl Nederland de grootste exporteur van industriële waterstof is, met een jaarlijkse totale exportwaarde van US$342 miljoen.
De menselijke samenleving heeft drie industriële revoluties doorgemaakt. Sinds het midden van deze eeuw, samen met de vierde industriële revolutie, is de wereldwijde overgang naar nieuwe energie begonnen. Als we kijken naar de geschiedenis van de energieontwikkeling, weerspiegelt de upgrading van de drie belangrijkste energiebronnen de "drie grote economische" vormen.
Watt's uitvinding van de stoommachine leidde tot de eerste grote conversie van brandhout naar steenkool, wat zich manifesteerde als een "hoog-koolstof economie";
Daimler vond de verbrandingsmotor uit, voltooide de tweede grote conversie van steenkool naar olie en gas, waardoor een "laag-koolstof economie" ontstond;
Moderne wetenschappelijke en technologische vooruitgang en de huidige eisen op het gebied van milieubescherming hebben de derde grote conversie van traditionele fossiele energie naar niet-fossiele nieuwe energie zoals waterstofenergie bevorderd. De wereld kan geleidelijk het tijdperk van de niet-koolstof "waterstofenergie" binnengaan
2 Kunstmatige waterstofproductie steunt voornamelijk op fossiele hulpbronnen
De wereldwijde markt voor industriële waterstof heeft een sterke regionaliteit en heeft drie belangrijke regionale kaarten gevormd van Azië-Pacific, Noord-Amerika en Europa.
Fossiele hulpbronnen zijn momenteel de belangrijkste grondstoffen voor waterstofproductie, waarbij koolgasificatie waterstofproductie een groot ontwikkelingspotentieel heeft.
2.1 Industriële waterstofproductie is regionaal
De regio Azië-Pacific staat wereldwijd op de eerste plaats in de productie van industriële waterstof, gevolgd door Noord-Amerika.
De snelle economische groei van ontwikkelingslanden in de regio Azië-Pacific, zoals China en India, heeft sterke vraag naar schone energie zoals waterstof in de regio Azië-Pacific met zich meegebracht.
De vraag naar en productie van industriële waterstof in China zijn sterk en nemen jaarlijks toe. Op dit moment handhaaft het een staat van evenwicht tussen vraag en aanbod, en zowel de vraag als de productie staan wereldwijd op de eerste plaats.
Als een belangrijk land in het gebruik van waterstofenergie in de wereld, heeft China sinds de productie voor het eerst meer dan 1 000×10 4 t overschreed in 2009 vele jaren lang de eerste plaats behouden.
2.2 Waterstofproductie uit fossiele hulpbronnen is dominant
Op dit moment zijn de grondstoffen voor kunstmatige waterstofproductie voornamelijk fossiele hulpbronnen zoals aardolie, aardgas en steenkool. In vergelijking met andere methoden voor waterstofproductie is het proces van waterstofproductie uit fossiele hulpbronnen volwassen en is de grondstofprijs relatief laag, maar het zal een grote hoeveelheid broeikasgassen uitstoten en het milieu vervuilen.
Voorheen kwam meer dan 96% van de belangrijkste grondstoffen voor kunstmatige waterstofproductie uit thermochemische reforming van traditionele fossiele hulpbronnen, en slechts ongeveer 4% kwam uit elektrolyse van water. Steenkool en aardgas zijn de belangrijkste grondstoffen voor kunstmatige waterstofproductie in mijn land, waarbij steenkool goed is voor 62% en aardgas voor 19%. Waterstofproductie door waterelektrolyse neemt een bijzondere positie in in de waterstofindustrie van Japan, en de capaciteit voor waterstofproductie door zoutwaterelektrolyse vertegenwoordigt 63% van de totale capaciteit voor kunstmatige waterstofproductie van het land.
2.3 Koolgasificatie waterstofproductie heeft grote ontwikkelingspotentie
Koolgasificatie verwijst naar de reactie van steenkool met een gasvormend middel onder hoge temperatuur, normale druk of onder druk om een gasproduct te vormen. Met de ontwikkeling van de steenkool-naar-syngas en steenkool-naar-olie-industrieën is de output van steenkool-naar-waterstofproductie jaar na jaar toegenomen, met een grootschalige en lage kostprijs, en de kostprijs van waterstofproductie is ongeveer 20 yuan/kg. Bovendien worden de apparaten voor het terugwinnen van industriële waterstof met een zuiverheid van meer dan 99% uit waterstofhoudend restgas in het productieproces van chemische producten (inclusief synthetische ammoniak, methanol, enz.) steeds volwassener en nemen toe.
Ondergrondse kolenvergassing waterstofproductie heeft een groot ontwikkelingspotentieel en is ook een effectieve manier om kolen op een schone manier te transformeren en te benutten.
Efficiënte waterstofopslag- en transporttechnologie is het focuspunt van ontwikkeling
Veilige en efficiënte waterstofopslag- en transporttechnologie is de sleutel tot het realiseren van de praktische toepassing van waterstofenergie.
3.1 De kosten van lage-temperatuur vloeibare waterstofopslag zijn hoog
Gaseuze waterstof is vloeibaar bij -253°C, en de dichtheid van vloeibare waterstof is 845 keer die van gaseuze waterstof. Het gewichtspercentage van vloeibare waterstofopslag ligt tussen 5,0% en 7,5%, en de volumecapaciteit is ongeveer 0,04 kgH2/L. Waterstofvervloeiing is duur en verbruikt veel energie (4 ~ 10 kWh/kg), wat ongeveer een derde van de kosten van vloeibare waterstofproductie uitmaakt. Vloeibare waterstofopslagcontainers moeten een extreem hoge isolatiecapaciteit hebben om het koken en verdampen van vloeibare waterstof te voorkomen.
Op dit moment wordt vloeibare waterstof voornamelijk gebruikt als brandstof voor ruimteraketvoortstuwing, en zijn opslagtanks en trailers worden gebruikt in de ruimtevaart en andere gebieden van mijn land. Met de ontwikkeling van menselijke ruimteprogramma's worden vloeibare waterstofopslagtanks steeds groter, en kunnen er grote vloeibare waterstof geïsoleerde opslagtanks met een opslagcapaciteit van meer dan 1.000 m3 worden gebouwd.
3.2 De technologie voor hoge druk gaseuze waterstofopslag is volwassen
Hoge druk gaseuze waterstofopslag is momenteel de meest gebruikte en meest volwassen waterstofopslagtechnologie.
Stalen cilinders zijn de meest gebruikte hoge druk gaseuze waterstofopslagcontainers, die de voordelen hebben van een eenvoudige structuur, een laag energieverbruik voor de bereiding van gecomprimeerde waterstof, een snelle vul- en loossnelheid, maar ook de nadelen van een slechte veiligheidsprestatie en een lage volumecapaciteit. Op dit moment gebruiken de waterstofvulstations die zijn gebouwd en in aanbouw zijn in China over het algemeen langwerpige gasflessengroepen voor waterstofopslag.
3.3 Vaste-stof waterstofopslagtechnologie is nog niet volwassen
Vaste-stof waterstofopslag is de meest veelbelovende waterstofopslagmethode, die effectief de tekortkomingen van hoge druk gaseuze en lage-temperatuur vloeibare waterstofopslagmethoden kan overwinnen. Het heeft voordelen zoals hoge waterstofopslagvolumedichtheid, gemakkelijke bediening, handig transport, lage kosten, hoge veiligheid, enz. Het is geschikt voor situaties met strikte volumevereisten, zoals waterstofbrandstofcelvoertuigen. Vaste-stof waterstofopslagtechnologie kan worden onderverdeeld in fysisorptie-waterstofopslag en chemische hydride-waterstofopslag. Het eerste kan worden onderverdeeld in metaalorganische kaders (MOFs) en nano-gestructureerde koolstofmaterialen; het laatste kan worden onderverdeeld in metaalhydriden zoals titanium, magnesium, zirkonium en zeldzame aarde, evenals niet-metalen hydriden zoals borohydriden en organische hydriden.
Metaalhydride-waterstofopslag heeft voordelen zoals hoge waterstofopslagdichtheid, hoge zuiverheid, hoge betrouwbaarheid (geen hoge druk of lage temperatuurcondities vereist) en eenvoudig waterstofopslagproces. Het hoofdprincipe is om geschikte metaalhydriden te selecteren en waterstof te combineren met een andere stof (waterstofopslaglegering) onder lage drukomstandigheden om een quasi-verbindingstoestand te vormen. Op dit moment bevindt de metaalhydride-waterstofopslag zich nog in de onderzoeksfase en is nog niet gecommercialiseerd. Het wordt voornamelijk beperkt door de volgende factoren: (1) Waterstofopslaglegeringen zijn duur; (2) De structuur is complex. Aangezien er tijdens het waterstofopslagproces veel warmte vrijkomt, moet er warmtewisselingsapparatuur aan het opslagapparaat worden toegevoegd; (3) Het hydride zelf heeft een slechte stabiliteit en is vatbaar voor het vormen van schadelijke onzuiverheden. Na herhaald gebruik neemt de prestatie aanzienlijk af; (4) De waterstofopslagkwaliteit is relatief laag. Als het wordt gemeten per massa, kan het slechts 2% tot 4% van industriële waterstof opslaan.
De grootschalige en goedkope productie, opslag en transport van industriële waterstof vormen de basis voor het praktische gebruik van waterstofenergie.
3.4 Organische vloeibare waterstofopslag heeft veel aandacht getrokken
Organische vloeibare waterstofopslagtechnologie bereikt waterstofopslag door de omkeerbare waterstofatie en dehydrogenatie reacties van onverzadigde vloeibare organische stof. Deze waterstofopslagmethode heeft voordelen zoals hoge kwaliteit, hoge volumewaterstofopslagdichtheid, veiligheid, gemakkelijk langeafstandstransport en langdurige opslag. Organische vloeibare waterstofopslagtechnologie bevindt zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase, en heeft nog steeds nadelen zoals veeleisende technische vereisten, hoge kosten, lage dehydrogenatie-efficiëntie en gemakkelijke coking en deactivatie.
De apparatuurkosten van katalytische waterstofatie- en dehydrogenatieapparaten zijn hoog. De dehydrogenatiereactie moet worden voltooid onder lage druk en hoge temperatuur heterogene omstandigheden. Beperkt door warmte- en massatransfer en reactie-evenwichtslimieten, is de efficiëntie van de dehydrogenatiereactie laag en treden er gemakkelijk nevenreacties op, wat resulteert in onzuivere waterstofproducten. Bovendien wordt onder hoge temperatuuromstandigheden de poriestructuur van het dehydrogenatiekatalysator gemakkelijk vernietigd, wat leidt tot coking en deactivering.
4 Waterstofindustrie-infrastructuur
De belangrijkste vorm van industrieel waterstoftransport is het transport van hoogdruk gasvormige of vloeibare waterstof via pijpleidingen. Voor langeafstandspijpleidingen is het nodig om basisonderzoek te doen naar de compatibiliteit van pijpleidingstaal en hoogdruk waterstof, en innovatieve methoden voor pijpleidingbediening en -beheer te ontwikkelen om langeafstand, hoogdruk, grootschalige waterstofpijpleidingbouw te realiseren.
4.1 Pijpleiding waterstoftransport bevindt zich in de beginfase
Pijpleiding waterstofmenging en waterstof-olie co-transporttechnologie zijn belangrijke schakels om langdurig en grootschalig waterstoftransport te realiseren. Wereldwijd begon het transport van waterstof via pijpleidingen vroeg, maar ontwikkelde zich langzaam. Europa transporteert al meer dan 80 jaar waterstof via langeafstandspijpleidingen. Het heeft momenteel een totale lengte van ongeveer 1.500 km aan waterstofpijpleidingen, waarvan de Frankrijk-België waterstofpijpleiding met een lengte van bijna 400 km de langste ter wereld is. De lengte van de bestaande waterstofpijpleiding in de Verenigde Staten is 720 km, wat veel korter is dan de lengte van zijn aardgaspijpleiding (bijna 55×10 4 km).
Ons land heeft al veel waterstofpijpleidingen in bedrijf, zoals de Sinopec Luoyang Refining and Chemical Jiyuan-Luoyang waterstofpijpleiding met een totale lengte van 25 km en een jaarlijkse gasdoorvoercapaciteit van 10,04×10 4 t; de Wuhai-Yinchuan cokesovengaspipeline heeft een totale lengte van 216,4 km en een jaarlijkse gasdoorvoercapaciteit van 16,1×10 8 m 3, die voornamelijk wordt gebruikt voor het transport van cokesovengas en waterstofmenggas.
4.2 Waterstof-olie gezamenlijke bouw van waterstofvulstations
Met de voortdurende uitbreiding van de waterstofindustriemarkt, neigt de waterstofindustrie-industrieketen continu naar verbetering. Op dit moment ontwikkelen waterstofbrandstofvoertuigen zich snel, is de vraag naar industriële waterstof sterk toegenomen, en is de bouw van waterstofvulstations dienovereenkomstig versneld.
Op het einde van 2017 waren er wereldwijd 328 waterstofvulstations in bedrijf, waaronder 139 in Europa, 119 in Azië, 68 in Noord-Amerika, en 1 in Zuid-Amerika en Australië.
Het "Blauwboek over de ontwikkeling van de infrastructuur van de waterstofenergie-industrie in China" heeft plannen gemaakt voor de ontwikkelingsdoelen van de middellange en lange termijn van de bouw van waterstofvulstations en brandstofcelvoertuigen in mijn land. Het wordt verwacht dat China tegen 2030 100 waterstofvulstations en 1.000 zal bouwen. Tot februari 2018 heeft China in totaal 31 waterstofvulstations gebouwd en is bezig met de bouw ervan, waarvan er 12 in bedrijf zijn.
De belangrijkste faciliteiten van een waterstofvulstation omvatten waterstofopslagapparaten, compressieapparatuur, vulapparatuur en stationsbesturingssystemen. Op dit moment ligt de wereldwijde gemiddelde bouwkosten van een waterstofvulstation tussen de 2 miljoen en 5 miljoen dollar, waarbij de kosten van de compressor het hoogst zijn, goed voor ongeveer 30% van de totale kosten. De bouwkosten van waterstofvulstations in China zijn relatief laag, variërend van 2 miljoen tot 2,5 miljoen dollar (35 MPa waterstofcapaciteit). Daarom is het noodzakelijk om het lokalisatieproces van industriële waterstofcompressoren te versnellen, de bouwkosten van waterstofvulstations te verlagen en de ontwikkeling van de waterstofindustrie te bevorderen.
Er wordt voorspeld dat wereldwijd waterstofvulstations een snelle ontwikkelingsfase zullen ingaan, en er zullen meer dan 1.000 stations zijn in 2025. Tegelijkertijd zal de haalbaarheidsstudie van de gezamenlijke bouw van waterstofvulstations en tankstations worden verhoogd, zoals het gezamenlijke bouwmodel dat wordt aangenomen door Duitsland, Japan en andere landen, en de gezamenlijke bouwtests van meerdere waterstofvulstations en tankstations die worden uitgevoerd in Yunfu, Guangdong, China. In de toekomst is het zeer waarschijnlijk dat een vierstations gezamenlijk bouwmodel van waterstofvulstations, tankstations, tankstations en laadstations zal verschijnen.
