Водород широко распространен в природе, и только очень малое количество свободного водорода существует в естественном состоянии. Промышленный водород относится к горючему газообразному продукту, производимому на крупной промышленной основе из промышленных сырьевых материалов определенным способом. Этот процесс извлечения промышленного водорода из сырьевых материалов, содержащих водород, путем ввода энергии называется искусственным производством водорода, включая производство водорода из ископаемого топлива, производство водорода путем разложения воды, биотехнологическое производство водорода и солнечное производство водорода. Водородная энергия, как химическая энергия водорода, проявляется в виде энергии, высвобождаемой во время физических и химических изменений. Это крупномасштабное искусственное производство водорода и использование водородной энергии называется водородной промышленностью, включая верхний уровень производства водорода, средний уровень хранения и транспортировки и нижний уровень применения. Различные отрасли промышленности в системе водородной промышленности основаны на определенных технических и экономических связях, а именно цепочке промышленности водорода, включая цепочку стоимости водородной промышленности, цепочку предприятий водородной промышленности, цепочку предложения и спроса на водородную промышленность и цепочку пространства водородной промышленности.
1 Глобальная водородная промышленность начала приобретать форму
Глобальная водородная промышленность развивается быстро, рыночный объем вырос с 187,082 миллиарда долларов в 2011 году до 251,493 миллиарда долларов сегодня, с темпом роста 34,4%. США является крупнейшим импортером промышленного водорода, с общей стоимостью импорта в 248 миллионов долларов, в то время как Нидерланды являются крупнейшим экспортером промышленного водорода, с ежегодной общей стоимостью экспорта в 342 миллиона долларов.
Человечество пережило три промышленные революции. С середины этого века, наряду с четвертой промышленной революцией, начался глобальный переход к новой энергии. Рассматривая историю развития энергетики, модернизация трех основных источников энергии отражает "три основных экономических" формы.
Изобретение паровой машины Уатта спровоцировало первую крупную конверсию от дров к углю, которая проявилась как "углеродная экономика";
Даймлер изобрел внутреннего сгорания двигателя, завершив вторую крупную конверсию от угля к нефти и газу, создавая "низкоуглеродную экономику";
Современный научно-технический прогресс и современные требования к охране окружающей среды способствуют третьей крупной конверсии традиционной ископаемой энергии в нефоссильные новые источники энергии, такие как водородная энергия. Мир может постепенно войти в "эру водородной энергии без углерода"
2 Искусственное производство водорода в основном зависит от ископаемых ресурсов
Глобальный рынок промышленного водорода имеет сильную региональность и сформировал три основные региональные карты: Азиатско-Тихоокеанский регион, Северная Америка и Европа.
Ископаемые ресурсы в настоящее время являются основными сырьевыми материалами для производства водорода, среди которых угольное газификационное производство водорода имеет большой потенциал развития.
2.1 Промышленное производство водорода регионально
Азиатско-Тихоокеанский регион занимает первое место в мире по промышленному производству водорода, за которым следует Северная Америка.
Быстрый экономический рост развивающихся стран Азиатско-Тихоокеанского региона, таких как Китай и Индия, привел к сильному спросу на чистую энергию, такую как водород, в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
Спрос и производство промышленного водорода в Китае сильны и увеличиваются из года в год. В настоящее время он поддерживает состояние баланса спроса и предложения, и как спрос, так и производство занимают первое место в мире.
Китай, как крупная страна в использовании водородной энергии в мире, уже много лет занимает первое место с момента превышения его производства 1 000×10 4 т впервые в 2009 году.
2.2 Производство водорода из ископаемых ресурсов доминирует
В настоящее время сырье для искусственного производства водорода в основном состоит из ископаемых ресурсов, таких как нефть, природный газ и уголь. По сравнению с другими методами производства водорода, процесс производства водорода из ископаемых ресурсов зрел и цена сырья относительно низкая, но он будет выделять большое количество парниковых газов и загрязнять окружающую среду.
Ранее более 96% основных сырьевых материалов для искусственного производства водорода в мире поступали из термохимической реформации традиционных ископаемых ресурсов, и только около 4% поступали из электролиза воды. Уголь и природный газ являются основными сырьевыми материалами для искусственного производства водорода в моей стране, составляя 62% и 19% соответственно. Производство водорода электролизом воды занимает особое положение в водородной промышленности Японии, и его мощность производства водорода электролизом морской воды составляет 63% от общей мощности искусственного производства водорода в стране.
2.3 Угольная газификация для производства водорода имеет большой потенциал развития
Газификация угля означает реакцию угля с газифицирующим агентом при высокой температуре, нормальном давлении или под давлением для образования газового продукта. С развитием отраслей преобразования угля в синтезгаз и угля в нефть объем производства водорода из угля увеличивается из года в год, имеет крупномасштабный и низкий стоимостной уровень, и стоимость производства водорода составляет около 20 юаней/кг. Кроме того, в процессе производства химических продуктов (включая синтетический аммиак, метанол и т. д.) устройства для извлечения промышленного водорода с чистотой более 99% из газа, содержащего водород, становятся более зрелыми и увеличиваются.
Подземное газификация угля для производства водорода имеет большой потенциал развития и также является эффективным способом трансформации и использования угля в чистом виде. Технология подземной газификации угля для производства водорода имеет преимущества высокой утилизации ресурсов и меньшего воздействия на поверхностную среду. Она соответствует структуре ресурсов моей страны, богатой углем, но недостаточной нефтью и газом. Однако эта технология все еще находится на этапе исследований и пока далека от коммерческого использования.
3 Эффективная технология хранения и транспортировки водорода является фокусом развития
Безопасная и эффективная технология хранения и транспортировки водорода является ключом к реализации практического применения водородной энергии. Методы хранения водорода включают в себя низкотемпературное хранение жидкого водорода, высокодавление газообразного водорода, твердотельное хранение водорода и органическое жидкое хранение водорода. Различные методы хранения водорода имеют различную плотность хранения водорода, среди которых метод хранения газообразного водорода имеет наименьшую плотность хранения водорода, а метод хранения металлических гидридов имеет наибольшую плотность хранения водорода.
3.1 Стоимость хранения низкотемпературного жидкого водорода высока
Крупномасштабное и дешевое производство, хранение и транспортировка промышленного водорода являются основой для реализации практического использования водородной энергии. Газообразный водород переходит в жидкое состояние при температуре -253°C, и плотность жидкого водорода в 845 раз превышает плотность газообразного водорода. Весовое соотношение хранения жидкого водорода составляет от 5,0% до 7,5%, а объемная емкость составляет около 0,04 кг водорода на литр. Заправка жидкого водорода дорога и требует большого количества энергии (4 ~ 10 кВт·ч/кг), что составляет около трети стоимости производства жидкого водорода. Резервуары для хранения жидкого водорода должны обладать чрезвычайно высокой изоляционной способностью, чтобы избежать кипения и испарения жидкого водорода.
В настоящее время жидкий водород в основном используется в качестве топлива для космических ракет, и его резервуары и прицепы используются в аэрокосмической отрасли и других областях. С развитием программ освоения космоса жидкостные резервуары для водорода становятся все более крупными, и можно строить крупные изолированные резервуары для хранения жидкого водорода с объемом более 1 000 м3.
3.2 Технология высокодавления газообразного водорода зрела
Высокодавление газообразного водорода в настоящее время является наиболее распространенной и наиболее зрелой технологией хранения водорода. Его метод хранения заключается в сжатии промышленного водорода в устойчивый к высокому давлению контейнер. Устройства для хранения высокодавлением газообразного водорода включают в себя фиксированные резервуары для хранения водорода, длинные газовые цилиндры, пучки длинных труб, группы стальных цилиндров и цилиндры для хранения водорода на транспортных средствах.
Стальные цилиндры являются наиболее распространенными высокодавлением газообразного водорода контейнерами для хранения, которые имеют преимущества простой конструкции, низкого энергопотребления для подготовки сжатого водорода, быстрой скорости заполнения и разгрузки, но также имеют недостатки плохой безопасности и низкой емкости. В настоящее время станции заправки водородом, которые были построены и находятся в стадии строительства в Китае, в основном используют оборудование для хранения водорода в длинных трубчатых газовых цилиндрах.
3.3 Технология твердотельного хранения водорода пока не зрела
Твердотельное хранение водорода является наиболее перспективным методом хранения водорода, который может эффективно преодолеть недостатки методов хранения высокого давления газообразного и низкотемпературного жидкого водорода. Он имеет преимущества высокой плотности объема хранения водорода, легкости в эксплуатации, удобства транспортировки, низкой стоимости, высокой безопасности и т. д. Он подходит для ситуаций с жесткими требованиями к объему, таких как водородные топливные элементы. Технология твердотельного хранения водорода можно разделить на физическое адсорбционное хранение водорода и химическое гидридное хранение водорода. Первое можно разделить на металлоорганические каркасы (MOFs) и наноструктурные углеродные материалы; второе можно разделить на металлические гидриды, такие как титан, магний, цирконий и редкоземельные, а также на неметаллические гидриды, такие как борогидриды и органические гидриды.
Металлическое гидридное хранение водорода имеет преимущества высокой плотности хранения водорода, высокой чистоты, высокой надежности (не требуется высокое давление или низкая температура) и простого процесса хранения водорода. Основной принцип заключается в выборе подходящих металлических гидридов и сочетании водорода с другим веществом (сплав для хранения водорода) при низком давлении для образования квазисоединенного состояния. В настоящее время металлическое гидридное хранение водорода все еще находится на стадии исследований и пока не было коммерциализировано. Оно главным образом ограничено следующими факторами: (1) Гидриды для хранения водорода дорогие; (2) Структура сложная. Поскольку во время процесса хранения водорода выделяется большое количество тепла, в устройство для хранения необходимо добавить оборудование для теплообмена; (3) Сам гидрид имеет плохую стабильность и склонен к образованию вредных примесей. После многократного использования производительность значительно снижается; (4) Качество хранения водорода относительно низкое. Если измерять по массе, можно хранить только от 2% до 4% промышленного водорода.
3.4 Органическое жидкое хранение водорода привлекло много внимания
Технология органического жидкого хранения водорода достигает хранения водорода через обратимые реакции водородации и дегидрирования ненасыщенных жидких органических веществ. Этот метод хранения водорода имеет преимущества высокого качества, высокой плотности объема хранения водорода, безопасности, удобства дальней транспортировки и длительного хранения. Технология органического жидкого хранения водорода все еще находится на стадии исследований и разработки, и все еще имеет недостатки, такие как высокие технические требования, высокая стоимость, низкая эффективность дегидрирования, а также склонность к образованию коксов и деактивации.
Стоимость оборудования каталитических установок гидрирования и дегидрирования высока. Дегидрирование требует завершения реакции при низком давлении и высокой температуре в гетерогенных условиях. Ограниченный теплопередачей и массопередачей, а также равновесием реакции, эффективность дегидрирования низкая, и склонны к побочным реакциям, что приводит к получению нечистых продуктов водорода. Кроме того, при высоких температурах структура пор дегидрировочного катализатора легко разрушается, что приводит к образованию кокса и деактивации.
4 Инфраструктура водородной промышленности
Основной способ транспортировки промышленного водорода - трубопроводная транспортировка высоконапорного газообразного или жидкого водорода. Для дальних расстояний необходимо провести базовые исследования по совместимости стали трубопровода и высоконапорного водорода, а также инновационные методы эксплуатации и управления трубопроводами для достижения строительства длинных, высоконапорных и масштабных трубопроводов для водорода.
4.1 Транспортировка водорода по трубопроводам находится на начальной стадии
Смешивание водорода в трубопроводах и технология совместной транспортировки водорода и нефти являются важными звеньями для достижения долгосрочной и масштабной транспортировки водорода. Глобальная транспортировка водорода по трубопроводам началась давно, но развивалась медленно. В Европе водород транспортируется по длинным трубопроводам уже более 80 лет. В настоящее время общая длина водородных трубопроводов в Европе составляет около 1 500 км, из которых самый длинный в мире трубопровод водорода Франция-Бельгия протяженностью почти 400 км. Длина существующего водородного трубопровода в США составляет 720 км, что намного меньше длины его трубопровода для природного газа (почти 55×10 4 км).
В нашей стране уже работает много водородных трубопроводов, таких как трубопровод Синопек Луоян Рефайнинг и Химический Цзюань-Луоянг длиной 25 км и годовой пропускной способностью газа 10,04×10 4 т; трубопровод коксового газа Вухай-Инчуань общей длиной 216,4 км и годовой пропускной способностью газа 16,1×10 8 м 3, который в основном используется для транспортировки коксового газа и смешанного газа с водородом.
4.2 Совместное строительство заправочных станций для водорода и нефти
С непрерывным расширением рынка водородной промышленности, цепочка водородной промышленности стремится к непрерывному улучшению. В настоящее время водородные топливные автомобили развиваются быстро, спрос на промышленный водород значительно увеличился, и строительство заправочных станций для водорода также ускорилось соответственно.
К концу 2017 года в мире было в эксплуатации 328 заправочных станций для водорода, включая 139 в Европе, 119 в Азии, 68 в Северной Америке и по 1 в Южной Америке и Австралии.
"Синяя книга по развитию инфраструктуры водородной энергетики в Китае" предусматривает планы по развитию среднесрочных и долгосрочных целей строительства заправочных станций для водорода и автомобилей на топливных элементах в моей стране. Ожидается, что к 2030 году в Китае будет построено 100 заправочных станций для водорода и 1 000. К февралю 2018 года в Китае построено и строится всего 31 заправочная станция для водорода, из которых 12 находятся в эксплуатации.
Основные устройства заправочной станции для водорода включают устройства хранения водорода, компрессорное оборудование, заправочное оборудование и системы управления станцией. В настоящее время средняя глобальная стоимость строительства заправочной станции для водорода составляет от 2 до 5 миллионов долларов США, причем стоимость компрессора самая высокая и составляет около 30% от общей стоимости. Стоимость строительства заправочных станций для водорода в Китае относительно низкая и составляет от 2 до 2,5 миллионов долларов США (емкость гидрирования 35 МПа). Поэтому необходимо ускорить процесс локализации промышленных компрессоров для водорода, снизить стоимость строительства заправочных станций для водорода и способствовать развитию водородной промышленности.
Прогнозируется, что мировые заправочные станции для водорода войдут в стадию быстрого развития, и к 2025 году их количество превысит 1 000. В то же время будет увеличиваться изучение возможности совместного строительства заправочных станций для водорода и автозаправочных станций, таких как модель совместного строительства, принятая Германией, Японией и другими странами, а также проведение испытаний совместного строительства нескольких заправочных станций для водорода и автозаправочных станций в Юньфу, Гуандун, Китай. В будущем очень вероятно, что появится модель совместного строительства четырех станций для водорода, автозаправочных станций, автозаправочных станций и зарядных станций.
