O hidrogénio é amplamente distribuído na natureza, e apenas existe uma quantidade muito pequena de hidrogénio livre no estado natural. O hidrogénio industrial refere-se ao hidrogénio gasoso combustível produzido em grande escala a partir de matérias-primas industriais por determinados meios. Este processo de extracção de hidrogénio industrial de matérias-primas contendo hidrogénio através da entrada de energia é denominado produção artificial de hidrogénio, incluindo a produção de hidrogénio de combustível fóssil, a produção de hidrogénio de decomposição de água, a produção de hidrogénio de biotecnologia e a produção de hidrogénio solar. A energia do hidrogênio, como a energia química do hidrogênio, se manifesta como energia liberada durante mudanças físicas e químicas. É um tipo importante de energia com propriedades de energia secundária. Essa produção artificial de hidrogênio em grande escala e a utilização da energia de hidrogênio são chamadas de indústria de hidrogênio, incluindo produção de hidrogênio a montante, armazenamento e transporte de midstream e aplicações a jusante. Os vários sectores industriais do sistema da indústria do hidrogénio baseiam-se em certas ligações técnicas e económicas, nomeadamente a cadeia de valor da indústria do hidrogénio, incluindo a cadeia de valor da indústria do hidrogénio, a cadeia de empresas da indústria do hidrogénio, a cadeia de fornecimento e procura da indústria do hidrogénio e a cadeia espacial da indústria do hidrogénio.
1 a indústria global de hidrogénio começou a tomar forma
A indústria global de hidrogénio desenvolveu-se rapidamente, com o tamanho do mercado a crescer de 187.082 mil milhões de dólares em 2011 para 251.493 mil milhões de dólares actualmente, com uma taxa de crescimento de 34.4%. Entre eles, os Estados Unidos são o maior importador de hidrogénio industrial, com um valor total de importação de 248 milhões de dólares, enquanto os Países Baixos são o maior exportador de hidrogénio industrial, com um valor total anual de exportação de 342 milhões de dólares.
A sociedade humana tem sofrido três revoluções industriais. Desde meados deste século, juntamente com a quarta revolução industrial, começou a transição global para a nova energia. Olhando para a história do desenvolvimento energético, a valorização das três principais fontes de energia reflecte as "três grandes formas económicas".
A invenção do motor a vapor por watt levou à primeira grande conversão de lenha para carvão, que se manifestou como uma "economia de alto carbono";
A Daimler inventou o motor de combustão interna, completando a segunda grande conversão do carvão para o petróleo e o gás, tornando-se uma "economia de baixo carbono";
O progresso científico e tecnológico moderno e as exigências actuais em matéria de protecção ambiental promoveram a terceira grande conversão da energia fóssil tradicional em novas energias não fósseis, como a energia de hidrogénio. O mundo pode entrar gradualmente na "era da energia de hidrogénio" não-carbono
2 a produção de hidrogénio artificial depende principalmente dos recursos fósseis
O mercado mundial do hidrogénio industrial tem uma forte regionalidade e formou três mapas regionais importantes da Ásia-Pacífico, América do Norte e Europa.
Os recursos fósseis são atualmente as principais matérias-primas para a produção de hidrogênio, entre as quais a produção de hidrogênio por gaseificação de carvão tem grande potencial de desenvolvimento.
2.1 a produção industrial de hidrogénio é regional
A região Ásia-Pacífico ocupa a primeira posição no mundo na produção industrial de hidrogênio, seguida pela América do Norte.
O rápido crescimento económico dos países em desenvolvimento da região Ásia-Pacífico, como a China e a India, tem provocado uma forte procura de energia limpa, como o hidrogénio, na região Ásia-Pacífico.
A procura e produção de hidrogénio industrial na China são fortes e estão a aumentar ano após ano. Actualmente, mantém um equilíbrio entre a oferta e a procura, e a procura e a produção são as primeiras a ser produzidas no mundo.
Como um país importante no uso da energia de hidrogênio no mundo, a China manteve o primeiro lugar do mundo por muitos anos desde que sua produção excedeu 1 000 × 10 4 t pela primeira vez em 2009.
2.2 a produção de hidrogénio a partir de recursos fósseis é dominante
Atualmente, as matérias-primas para a produção artificial de hidrogênio são principalmente recursos fósseis como petróleo, gás natural e carvão. Comparado com outros métodos de produção de hidrogênio, o processo de produção de hidrogênio dos recursos fósseis está maduro e o preço da matéria-prima é relativamente baixo, mas emitirá uma grande quantidade de gases de efeito estufa e poluirá o ambiente.
Anteriormente, mais de 96% das principais matérias-primas mundiais para a produção artificial de hidrogênio vieram da reforma termoquímica dos recursos fósseis tradicionais, e apenas cerca de 4% vieram da eletrólise da água. O carvão e o gás natural são as principais matérias-primas para a produção artificial de hidrogénio no meu país, representando, respectivamente, 62% e 19%. A produção de hidrogênio por eletrólise de água ocupa uma posição especial na indústria de hidrogênio do Japão, e sua capacidade de produção de hidrogênio por eletrólise de água salgada representa 63% da capacidade total de produção de hidrogênio artificial do país.
2.3 gaseificação de carvão a produção de hidrogénio tem um grande potencial de desenvolvimento
A gaseificação do carvão refere-se à reacção do carvão a um agente gaseificação sob temperaturas elevadas, pressões normais ou condições pressurizadas para formar um produto a gás. Com o desenvolvimento das indústrias do carvão-para-gás e do carvão-para-petróleo, a produção da produção do carvão-para-hidrogênio aumentou ano a ano, com uma escala grande e baixo custo, e o custo da produção do hidrogênio é aproximadamente 20 yuan/kg. Além disso, no processo de produção de produtos químicos (incluindo amoníaco sintético, metanol, etc.), os dispositivos de recuperação de hidrogénio industrial com uma pureza superior a 99% do gás de relaxamento que contém hidrogénio estão a tornar-se mais maduros e a aumentar.
Gaseificação subterrânea a produção de hidrogénio tem um grande potencial de desenvolvimento e é também uma forma eficaz de transformar e utilizar o carvão de forma limpa. Gaseificação subterrânea a tecnologia de produção de hidrogénio para carvão tem as vantagens de uma elevada utilização de recursos e de menos danos no ambiente superficial. Está em conformidade com as características da estrutura de recursos do carvão rico do meu país, mas não tem petróleo nem gás. No entanto, esta tecnologia ainda está em fase exploratória e ainda está longe da utilização comercial.
3 a tecnologia eficiente de armazenamento e transporte de hidrogénio é o foco de desenvolvimento
A tecnologia de armazenamento e transporte de hidrogénio segura e eficiente é a chave para a realização da aplicação prática da energia de hidrogénio. Os métodos de armazenamento de energia de hidrogénio incluem principalmente a armazenagem de hidrogénio líquido a baixa temperatura, o armazenamento de hidrogénio gasoso a alta pressão, o armazenamento de hidrogénio sólido e o armazenamento de hidrogénio líquido orgânico. Diferentes métodos de armazenamento de hidrogênio têm diferentes densidades de armazenamento de hidrogênio, entre as quais o método de armazenamento de hidrogênio gasoso tem a menor densidade de armazenamento de hidrogênio e o método de armazenamento de hidrogênio de hidreto metálico tem a maior densidade de armazenamento de hidrogênio.
3.1 o custo do armazenamento de hidrogénio líquido a baixa temperatura é elevado
A produção e o armazenamento em larga escala e a economia do hidrogénio industrial são a base para a realização da utilização prática da energia do hidrogénio. O hidrogénio gasoso é líquido a -253 ° C e a densidade do hidrogénio líquido é 845 vezes superior à do hidrogénio gasoso. A relação de peso do armazenamento de hidrogénio líquido está entre 5.0% e 7.5% e a capacidade de volume é de cerca de 0.04 kgH 2 /L. A liquefação de hidrogénio é dispendiosa e consome muita energia (4 ~ 10 kWh/kg), representando cerca de um terço do custo de produção de hidrogénio líquido. Os recipientes de armazenamento de hidrogénio líquido têm de ter uma capacidade de isolamento extremamente elevada para evitar a ebulição e a vaporização do hidrogénio líquido.
Actualmente, o hidrogénio líquido é principalmente utilizado como combustível para a propulsão de foguetes espaciais, e os seus depósitos de armazenamento e reboques foram utilizados no sector aeroespacial e noutros campos do meu país. Com o desenvolvimento de programas espaciais humanos, os recipientes de armazenamento de hidrogénio líquido estão a aumentar e podem ser construídos grandes depósitos de armazenamento com isolamento de hidrogénio líquido, com uma capacidade de armazenamento superior a 1,000 m3.
3.2 a tecnologia de armazenamento de hidrogénio gasoso de alta pressão está madura
Atualmente, o armazenamento de hidrogênio gasoso de alta pressão é a tecnologia de armazenamento de hidrogênio mais comumente usada e mais madura. O seu método de armazenamento consiste em comprimir o hidrogénio industrial para um recipiente resistente a alta pressão. Os dispositivos de armazenamento de hidrogénio gasoso de alta pressão incluem principalmente depósitos de armazenamento de hidrogénio fixos, garrafas de gás de tubo longo, conjuntos de tubos longos, grupos de garrafas de aço e garrafas de armazenamento de hidrogénio montadas em veículos.
As garrafas de aço são os recipientes de armazenamento de hidrogénio gasoso de alta pressão mais utilizados, que têm as vantagens de uma estrutura simples, baixo consumo de energia para a preparação de hidrogénio comprimido, rápido enchimento e velocidade de descarga, mas também têm as desvantagens de um desempenho de segurança fraco e de uma capacidade de volume reduzido. Actualmente, as estações de reabastecimento de hidrogénio que foram construídas e que estão em construção na China utilizam geralmente equipamento de armazenamento de hidrogénio de grupo de garrafas de gás de tubo longo.
3.3 a tecnologia de armazenamento de hidrogênio em estado sólido ainda não está madura
O armazenamento de hidrogênio em estado sólido é o método de armazenamento de hidrogênio mais promissor, que pode efetivamente superar as falhas dos métodos de armazenamento de hidrogênio líquido a alta pressão e a baixa temperatura. Tem as vantagens de uma densidade de volume de armazenamento de hidrogénio elevado, facilidade de utilização, transporte prático, baixo custo, segurança elevada, Etc. é adequado para ocasiões com requisitos de volume rigorosos, como veículos com células de combustível de hidrogénio. A tecnologia de armazenamento de hidrogénio em estado sólido pode ser dividida em armazenamento de hidrogénio de adsorção física e armazenamento de hidrogénio de hidreto químico. O primeiro pode ser subdividido em estruturas orgânicas metálicas (MOF) e materiais de carbono nanoestruturados; este último pode ser subdividido em hidretos metálicos como titânio, magnésio, zircónio e terra rara, bem como hidretos não metálicos, como borohydrides e hidretos orgânicos.
O armazenamento de hidrogénio de hidreto metálico tem as vantagens de uma densidade de armazenamento de hidrogénio elevada, pureza elevada, fiabilidade elevada (não são necessárias condições de alta pressão ou temperatura baixa) e um processo simples de armazenamento de hidrogénio. O princípio principal é seleccionar hidretos metálicos adequados e combinar hidrogénio com outra substância (liga de armazenamento de hidrogénio) em condições de baixa pressão para formar um estado quase composto. Atualmente, o armazenamento de hidrogênio de hidreto metálico ainda está no estágio de pesquisa e ainda não foi comercializado. É restrita principalmente pelos seguintes fatores: (1) as ligas de armazenamento de hidrogênio são caras; (2) a estrutura é complexa. Uma vez que é libertada uma grande quantidade de calor durante o processo de armazenamento de hidrogénio, deve ser adicionado equipamento de troca térmica ao dispositivo de armazenamento; (3) o próprio hidreto tem uma estabilidade fraca e é susceptível de formar componentes nocivos de impureza. Após uso repetido, o desempenho é significativamente reduzido; (4) a qualidade de armazenamento de hidrogênio é relativamente baixa. Se medido em massa, só pode armazenar 2% a 4% de hidrogénio industrial.
3.4 armazenamento de hidrogénio líquido orgânico atraiu muita atenção
A tecnologia de armazenamento de hidrogênio líquido orgânico consegue o armazenamento de hidrogênio através da hidrogenação reversível e reações de desidrogenação de matéria orgânica líquida não saturada. Este método de armazenamento de hidrogénio tem as vantagens de uma densidade de armazenamento de hidrogénio de elevada qualidade e volume elevado, segurança, transporte fácil a longa distância e armazenamento a longo prazo. A tecnologia de armazenamento de hidrogênio líquido orgânico ainda está na fase de pesquisa e desenvolvimento, e ainda apresenta desvantagens como exigências técnicas exigentes, alto custo, baixa eficiência de desidrogenação, e fácil co-rei e desativação.
O custo do equipamento dos dispositivos de hidrogenação catalítica e desidrogenação é elevado. A reação de desidrogenação precisa ser completada em condições heterogêneas de baixa e alta temperatura. Limitada pelos limites de equilíbrio de calor e de transferência de massa e reação, a eficiência da reação de desidrogenação é baixa e as reações laterais são propensas a ocorrer, resultando em produtos de hidrogênio impuro. Além disso, em condições de temperatura elevada, a estrutura dos poros do catalisador de desidrogenação é facilmente destruída, resultando em coacção e desactivação.
4 infra-estrutura da indústria de hidrogénio
O principal meio de transporte industrial de hidrogênio é o transporte de hidrogênio gasoso ou líquido de alta pressão. As condutas de longa distância têm de realizar investigação básica sobre a compatibilidade do aço de condutas e do hidrogénio de alta pressão, e inovar o funcionamento e os métodos de gestão de condutas para alcançar a construção de condutas de hidrogénio de longa distância, de alta pressão e em grande escala.
4.1 o transporte de hidrogénio em condutas encontra-se na fase inicial
A mistura de hidrogénio em condutas e a tecnologia de co-transporte de hidrogénio-óleo são ligações importantes para alcançar o transporte de hidrogénio a longa distância e em grande escala. O transporte global de hidrogénio por gasoduto começou cedo, mas desenvolveu-se lentamente. A Europa tem transportado hidrogénio por gasoduto de longa distância há mais de 80 anos. Actualmente, tem uma extensão total de cerca de 1,500 km de gasodutos de hidrogénio, dos quais o gasoduto França-Bélgica com um comprimento de cerca de 400 km é o mais longo do mundo. O comprimento do gasoduto existente nos Estados Unidos é de 720 km, o que é muito mais curto do que o comprimento do gasoduto natural (cerca de 55 × 10 4 km).
O nosso país já possui muitos gasodutos de hidrogénio em funcionamento, como a refinação Sinopec Luoyang e o gasoduto químico Jiyuan-Luoyang, com um comprimento total de 25 km e uma capacidade anual de transmissão de gás de 10.04 × 10 4 t; O gasoduto do forno de coque Wuhai-Yinchuan tem um comprimento total de 216.4 km e uma capacidade anual de transmissão de gás de 16.1 × 10 8 m 3, que é principalmente utilizado para transportar gás de fornos de coque e gás de hidrogénio misto.
4.2 construção de juntas hidrogénio-óleo de estações de reabastecimento de hidrogénio
Com a expansão contínua do mercado da indústria do hidrogénio, a cadeia da indústria do hidrogénio tende a ser continuamente melhorada. Actualmente, os veículos a combustível de hidrogénio estão a desenvolver-se rapidamente, a procura de hidrogénio industrial aumentou consideravelmente e a construção de estações de reabastecimento de hidrogénio também acelerou em conformidade.
No final de 2017, existiam 328 estações de reabastecimento de hidrogénio em funcionamento em todo o mundo, incluindo 139 na Europa, 119 na Ásia, 68 na América do Norte e 1 na América do Sul e Austrália.
O "Livro Azul sobre o Desenvolvimento da infra-estrutura da indústria de Energia de hidrogénio da China" fez planos para os objectivos de desenvolvimento da construção da estação de reabastecimento de hidrogénio a médio e longo prazo do meu país e dos veículos de células de combustível. Espera-se que o meu país construa 100 estações de reabastecimento de hidrogénio e 1,000 até 2030. A partir de Fevereiro de 2018, a China construiu e está a construir um total de 31 estações de reabastecimento de hidrogénio, das quais 12 estão em funcionamento.
As principais instalações de uma estação de reabastecimento de hidrogénio incluem dispositivos de armazenamento de hidrogénio, equipamento de compressão, equipamento de enchimento e sistemas de controlo de estações. Actualmente, o custo médio global de construção de uma estação de reabastecimento de hidrogénio situa-se entre 2 milhões e 5 milhões de dólares americanos, dos quais o custo do compressor é o mais elevado, representando cerca de 30% do custo total. O custo de construção das estações de reabastecimento de hidrogénio na China é relativamente baixo, variando de 2 milhões a 2.5 milhões de dólares (capacidade de hidrogenação de 35 MPa). Por isso, é necessário acelerar o processo de localização dos compressores de hidrogénio industriais, reduzir o custo de construção das estações de reabastecimento de hidrogénio e promover o desenvolvimento da indústria do hidrogénio.
Prevê-se que as estações globais de reabastecimento de hidrogénio entrem numa fase de desenvolvimento rápido e que em 2025 existam mais de 1,000 estações. Simultaneamente, será aumentado o estudo de viabilidade da construção conjunta de estações de reabastecimento de hidrogénio e de estações de serviço, como o modelo de construção conjunta adoptado pela Alemanha, Japão e outros países, E os ensaios de construção conjunta de várias estações de reabastecimento de hidrogénio e postos de abastecimento de gás, realizados em Yunfu, Guangdong, China. No futuro, é muito provável que surja um modelo de construção conjunta de quatro estações de estações de reabastecimento de hidrogénio, estações de serviço, estações de serviço e estações de carregamento.
