تحليل واتجاهات الوضع الحالي لطاقة الهيدروجين وإنتاج الهيدروجين

يتوزع الهيدروجين على نطاق واسع في الطبيعة، ولا يوجد سوى كمية صغيرة جدًا من الهيدروجين الحر في الحالة الطبيعية. يشير الهيدروجين الصناعي إلى منتج الهيدروجين الغازي القابل للاحتراق والذي يتم إنتاجه على نطاق واسع من المواد الخام الصناعية بوسائل معينة. تسمى عملية استخراج الهيدروجين الصناعي من المواد الخام المحتوية على الهيدروجين من خلال مدخلات الطاقة بإنتاج الهيدروجين الاصطناعي، بما في ذلك إنتاج هيدروجين الوقود الأحفوري، وإنتاج الهيدروجين بتحلل الماء، وإنتاج الهيدروجين بالتكنولوجيا الحيوية، وإنتاج الهيدروجين الشمسي. تتجلى طاقة الهيدروجين، مثل الطاقة الكيميائية للهيدروجين، في صورة طاقة تنطلق أثناء التغيرات الفيزيائية والكيميائية. إنه نوع مهم من الطاقة له خصائص طاقة ثانوية. يُطلق على إنتاج الهيدروجين الاصطناعي على نطاق واسع واستخدام طاقة الهيدروجين اسم صناعة الهيدروجين، بما في ذلك إنتاج الهيدروجين في المنبع، والتخزين والنقل في منتصف النهر، والتطبيقات النهائية. تعتمد القطاعات الصناعية المختلفة في نظام صناعة الهيدروجين على روابط فنية واقتصادية معينة، وهي سلسلة صناعة الهيدروجين، بما في ذلك سلسلة قيمة صناعة الهيدروجين، وسلسلة مؤسسات صناعة الهيدروجين، وسلسلة العرض والطلب لصناعة الهيدروجين، وسلسلة الفضاء لصناعة الهيدروجين.

1 بدأت صناعة الهيدروجين العالمية في التبلور

تطورت صناعة الهيدروجين العالمية بسرعة، حيث نما حجم السوق من 187.082 مليار دولار أمريكي في عام 2011 إلى 251.493 مليار دولار أمريكي اليوم، بمعدل نمو قدره 34.4٪. ومن بينها، تعد الولايات المتحدة أكبر مستورد للهيدروجين الصناعي، بإجمالي قيمة واردات تبلغ 248 مليون دولار أمريكي، في حين تعد هولندا أكبر مصدر للهيدروجين الصناعي، بإجمالي قيمة صادرات سنوية تبلغ 342 مليون دولار أمريكي.

لقد شهد المجتمع البشري ثلاث ثورات صناعية. منذ منتصف هذا القرن، ومع الثورة الصناعية الرابعة، بدأ التحول العالمي إلى الطاقة الجديدة. وبالنظر إلى تاريخ تنمية الطاقة، فإن رفع مستوى مصادر الطاقة الرئيسية الثلاثة يعكس الأشكال "الاقتصادية الثلاثة الرئيسية".

أدى اختراع وات للمحرك البخاري إلى أول تحويل رئيسي للحطب إلى الفحم، والذي تجلى في "اقتصاد عالي الكربون".

اخترع دايملر محرك الاحتراق الداخلي، مكملاً التحويل الرئيسي الثاني للفحم إلى النفط والغاز، مما أدى إلى "اقتصاد منخفض الكربون"؛

وقد عزز التقدم العلمي والتكنولوجي الحديث ومتطلبات حماية البيئة اليوم التحويل الرئيسي الثالث للطاقة الأحفورية التقليدية إلى طاقة جديدة غير أحفورية مثل الطاقة الهيدروجينية. العالم قد يدخل تدريجياً في "عصر الطاقة الهيدروجينية" غير الكربونية

2 يعتمد إنتاج الهيدروجين الاصطناعي بشكل أساسي على الموارد الأحفورية

يتمتع سوق الهيدروجين الصناعي العالمي بمنطقة إقليمية قوية وقد شكل ثلاث خرائط إقليمية رئيسية لآسيا والمحيط الهادئ وأمريكا الشمالية وأوروبا.

تعد الموارد الأحفورية حاليًا المواد الخام الرئيسية لإنتاج الهيدروجين، ومن بينها إنتاج الهيدروجين بتغويز الفحم الذي يتمتع بإمكانات تطوير كبيرة.

2.1 إنتاج الهيدروجين الصناعي إقليمي

وتحتل منطقة آسيا والمحيط الهادئ المرتبة الأولى في العالم في إنتاج الهيدروجين الصناعي، تليها أمريكا الشمالية.

أدى النمو الاقتصادي السريع للدول النامية في منطقة آسيا والمحيط الهادئ، مثل الصين والهند، إلى ظهور طلب قوي على الطاقة النظيفة مثل الهيدروجين في منطقة آسيا والمحيط الهادئ.

إن الطلب على الهيدروجين الصناعي وإنتاجه في الصين قويان ويتزايدان عاما بعد عام. وهي تحافظ في الوقت الحاضر على حالة من التوازن بين العرض والطلب، ويحتل كل من الطلب والإنتاج المرتبة الأولى في العالم.

باعتبارها دولة رئيسية في استخدام الطاقة الهيدروجينية في العالم، حافظت الصين على المركز الأول في العالم لسنوات عديدة منذ أن تجاوز إنتاجها 1000×104 طن لأول مرة في عام 2009.

2.2 يعتبر إنتاج الهيدروجين من الموارد الأحفورية هو السائد

في الوقت الحاضر، المواد الخام لإنتاج الهيدروجين الاصطناعي هي في الأساس موارد أحفورية مثل البترول والغاز الطبيعي والفحم. بالمقارنة مع طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى، فإن عملية إنتاج الهيدروجين من الموارد الأحفورية ناضجة وسعر المواد الخام منخفض نسبيًا، ولكنها ستنبعث منها كمية كبيرة من غازات الدفيئة وتلوث البيئة.

في السابق، كان أكثر من 96% من المواد الخام الرئيسية لإنتاج الهيدروجين الاصطناعي في العالم يأتي من الإصلاح الكيميائي الحراري للموارد الأحفورية التقليدية، وحوالي 4% فقط يأتي من التحليل الكهربائي للمياه. يعد الفحم والغاز الطبيعي المواد الخام الرئيسية لإنتاج الهيدروجين الاصطناعي في بلدي، حيث يمثلان 62% و19% على التوالي. يحتل إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه مكانة خاصة في صناعة الهيدروجين في اليابان، وتمثل قدرة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه المالحة 63% من إجمالي قدرة إنتاج الهيدروجين الاصطناعي في البلاد.

2.3 إنتاج الهيدروجين بتغويز الفحم له إمكانات تطوير كبيرة

يشير تغويز الفحم إلى تفاعل الفحم مع عامل تغويز تحت درجة حرارة عالية أو ضغط عادي أو ظروف مضغوطة لتكوين منتج غاز. مع تطور صناعات تحويل الفحم إلى الغاز الاصطناعي والفحم إلى النفط، زاد إنتاج إنتاج الفحم إلى الهيدروجين عامًا بعد عام، على نطاق واسع وتكلفة منخفضة، وتبلغ تكلفة إنتاج الهيدروجين حوالي 20 يوانًا. /كلغ. بالإضافة إلى ذلك، في عملية إنتاج المنتجات الكيميائية (بما في ذلك الأمونيا الاصطناعية والميثانول وما إلى ذلك)، فإن أجهزة استعادة الهيدروجين الصناعي بنقاء أكبر من 99٪ من غاز الاسترخاء المحتوي على الهيدروجين أصبحت أكثر نضجًا وتزايدًا.

يتمتع إنتاج الهيدروجين بتغويز الفحم تحت الأرض بإمكانيات تطوير كبيرة وهو أيضًا وسيلة فعالة لتحويل واستخدام الفحم بطريقة نظيفة. تتميز تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بتغويز الفحم تحت الأرض بمزايا الاستخدام العالي للموارد وتقليل الأضرار التي تلحق بالبيئة السطحية. وهو يتوافق مع خصائص هيكل الموارد التي يتمتع بها بلدي من الفحم الغني ولكن لا يكفيه النفط والغاز. ومع ذلك، فإن هذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة الاستكشاف ولا تزال بعيدة عن الاستخدام التجاري.

3 تكنولوجيا تخزين ونقل الهيدروجين الفعالة هي محور التطوير

تقنية تخزين ونقل الهيدروجين بأمان وكفاءة هي المفتاح لتحقيق التطبيق العملي لطاقة الهيدروجين. تشمل طرق تخزين طاقة الهيدروجين بشكل رئيسي تخزين الهيدروجين السائل عند درجات حرارة منخفضة، وتخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط، وتخزين الهيدروجين الصلب، وتخزين الهيدروجين السائل العضوي. تختلف طرق تخزين الهيدروجين في كثافة تخزين الهيدروجين، حيث تمتلك طريقة تخزين الهيدروجين الغازي أقل كثافة لتخزين الهيدروجين وتمتلك طريقة تخزين الهيدروجين بمركبات المعادن أكبر كثافة لتخزين الهيدروجين.

3.1 تكلفة تخزين الهيدروجين السائل عند درجات حرارة منخفضة مرتفعة

إن الإنتاج والتخزين والنقل الضخم والرخيص للهيدروجين الصناعي هو الأساس لتحقيق الاستخدام العملي لطاقة الهيدروجين. الهيدروجين الغازي يتحول إلى سائل عند -253 درجة مئوية، وكثافة الهيدروجين السائل 845 مرة أكثر من الهيدروجين الغازي. نسبة الوزن لتخزين الهيدروجين السائل تتراوح بين 5.0% و 7.5%، والسعة الحجمية حوالي 0.04 كجم هيدروجين / لتر. تكون تبريد الهيدروجين باهظة التكلفة وتستهلك الكثير من الطاقة (4 ~ 10 كيلووات ساعة / كجم)، وتمثل حوالي ثلث تكلفة إنتاج الهيدروجين السائل. تحتاج حاويات تخزين الهيدروجين السائل إلى قدرة عزل عالية للغاية لتجنب الغليان والتبخر للهيدروجين السائل.

حاليًا، يُستخدم الهيدروجين السائل بشكل رئيسي كوقود لدفع الصواري الفضائية، وقد تم استخدام خزانات تخزين الهيدروجين السائل والمقطورات في مجالات الفضاء وغيرها في بلدي. مع تطور برامج الفضاء البشري، تصبح حاويات تخزين الهيدروجين السائل الكبيرة أكبر، ويمكن بناء خزانات تخزين الهيدروجين السائل العازلة الكبيرة بسعة تخزين تزيد عن 1000 متر مكعب.

3.2 تقنية تخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط ناضجة

تخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط هو التقنية الأكثر استخدامًا والأكثر نضجًا حاليًا لتخزين الهيدروجين. طريقة تخزينه تتمثل في ضغط الهيدروجين الصناعي في حاوية مقاومة للضغط العالي. تشمل أجهزة تخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط بشكل رئيسي خزانات تخزين الهيدروجين الثابتة، وأسطوانات الغاز ذات الأنابيب الطويلة، وحزم الأنابيب الطويلة، ومجموعات أسطوانات الصلب، وأسطوانات تخزين الهيدروجين المثبتة على المركبات.

تعتبر أسطوانات الصلب هي أكثر حاويات تخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط استخدامًا، حيث تتميز ببنية بسيطة، واستهلاك طاقة منخفض لإعداد الهيدروجين المضغوط، وسرعة التعبئة والتفريغ السريعة، ولكن لها أيضًا عيوب أداء سيء من حيث السلامة وسعة الحجم المنخفضة. حاليًا، تستخدم محطات تعبئة الهيدروجين التي تم بناؤها والتي تحت الإنشاء في الصين عمومًا معدات تخزين الهيدروجين بمجموعات أسطوانات الغاز ذات الأنابيب الطويلة.

3.3 تقنية تخزين الهيدروجين الصلب ليست ناضجة بعد

تخزين الهيدروجين الصلب هو أكثر طرق تخزين الهيدروجين واعدة، والتي يمكن أن تتغلب بشكل فعال على عيوب تخزين الهيدروجين الغازي عالي الضغط والهيدروجين السائل عند درجات حرارة منخفضة. إنها تتمتع بمزايا كثافة تخزين الهيدروجين الحجمية العالية، وسهولة التشغيل، والنقل المريح، والتكلفة المنخفضة، والسلامة العالية، وما إلى ذلك. إنها مناسبة للمناسبات التي تتطلب متطلبات صارمة للحجم، مثل مركبات خلايا الوقود بالهيدروجين. يمكن تقسيم تقنية تخزين الهيدروجين الصلب إلى تخزين الهيدروجين بالامتزاج الفيزيائي وتخزين الهيدروجين بالهيدريد الكيميائي. يمكن تقسيم الأولى إلى الهياكل العضوية المعدنية (MOFs) ومواد الكربون النانوية؛ يمكن تقسيم الثانية إلى هياكل هيدريد المعادن مثل التيتانيوم والمغنيسيوم والزركونيوم والأرض النادرة، بالإضافة إلى هياكل هيدريد غير المعدنية مثل البوروهيدريدات والهيدريدات العضوية.

تخزين الهيدروجين بواسطة مركبات المعادن له مزايا كثافة تخزين الهيدروجين العالية، ونقاء عالي، وموثوقية عالية (لا تتطلب ظروف ضغط عالية أو درجات حرارة منخفضة) وعملية تخزين الهيدروجين بسيطة. المبدأ الرئيسي هو اختيار مركبات المعادن المناسبة ودمج الهيدروجين مع مادة أخرى (سبيكة تخزين الهيدروجين) تحت ظروف ضغط منخفض لتشكيل حالة مركبة شبه. حاليًا، تخزين الهيدروجين بواسطة مركبات المعادن لا يزال في مرحلة البحث ولم يتم تجاريته بعد. وهو يقتصر أساسًا على العوامل التالية: (1) سبائك تخزين الهيدروجين مكلفة؛ (2) الهيكل معقد. نظرًا لأن كمية كبيرة من الحرارة تطلق أثناء عملية تخزين الهيدروجين، يجب إضافة معدات تبادل حراري إلى جهاز التخزين؛ (3) المركب نفسه غير مستقر ويميل إلى تكوين مكونات ضارة. بعد الاستخدام المتكرر، يتم تقليل الأداء بشكل كبير؛ (4) جودة تخزين الهيدروجين نسبيًا منخفضة. إذا تم قياسها بالكتلة، يمكنها تخزين فقط 2% إلى 4% من الهيدروجين الصناعي.

3.4 تقنية تخزين الهيدروجين السائل العضوي قد لفتت انتباهًا كبيرًا

تقنية تخزين الهيدروجين السائل العضوي تحقق تخزين الهيدروجين من خلال تفاعلات الهيدروجينة والديهيدروجينة القابلة للعكس للمواد العضوية السائلة غير المشبعة. تتمتع هذه الطريقة بمزايا الجودة العالية، وكثافة تخزين الهيدروجين الحجمية العالية، والسلامة، والنقل على مسافات طويلة بسهولة، والتخزين لفترة طويلة. تقنية تخزين الهيدروجين السائل العضوي لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، ولديها عيوب مثل المتطلبات التقنية الصارمة، والتكلفة العالية، وكفاءة الديهيدروجينة المنخفضة، والتكوين السهل للفحم والتعطيل.

تكلفة معدات الهيدروجينة الحفزية وأجهزة الإزالة الحفزية مرتفعة. يحتاج التفاعل الحفزي إلى الانتهاء تحت ظروف متغيرة منخفضة الضغط وعالية الحرارة. نظرًا للقيود المفروضة من نقل الحرارة والكتلة وحدود التوازن في التفاعل، فإن كفاءة التفاعل الحفزي منخفضة ومن المرجح حدوث تفاعلات جانبية، مما يؤدي إلى منتجات هيدروجين غير نقية. بالإضافة إلى ذلك، تحت ظروف درجات الحرارة العالية، يتم تدمير هيكل المسام للمحفز الحفزي، مما يؤدي إلى تكوين الكوك والتعطيل.

4 بنية تحتية لصناعة الهيدروجين

الوضع الرئيسي لنقل الهيدروجين الصناعي هو نقل الهيدروجين الغازي عالي الضغط أو السائل عبر خطوط الأنابيب. تحتاج الخطوط الأنابيب على مسافات طويلة إلى إجراء أبحاث أساسية حول توافق فولاذ الأنابيب والهيدروجين عالي الضغط، وابتكار أساليب تشغيل وإدارة الخطوط الأنابيب لتحقيق بناء خطوط أنابيب الهيدروجين على مسافات طويلة وعالية الضغط وبكميات كبيرة.

4.1 نقل الهيدروجين عبر الأنابيب في المرحلة الابتدائية

تقنية خلط الهيدروجين في خطوط الأنابيب ونقل الهيدروجين مع النفط هما أهم الروابط في تحقيق نقل الهيدروجين على مسافات طويلة وبكميات كبيرة. بدأ نقل الهيدروجين عبر خطوط الأنابيب على مستوى عالمي في وقت مبكر، ولكن تطوره كان بطيئًا. تم نقل الهيدروجين عبر خطوط أنابيب طويلة في أوروبا لأكثر من 80 عامًا. حاليًا، يبلغ إجمالي طول خطوط الأنابيب للهيدروجين حوالي 1500 كم، حيث يعتبر خط الأنابيب لنقل الهيدروجين بين فرنسا وبلجيكا بطول يقارب 400 كم هو الأطول في العالم. أما في الولايات المتحدة، فإن طول خطوط الأنابيب للهيدروجين الحالية هو 720 كم، وهو أقل بكثير من طول خطوط الأنابيب للغاز الطبيعي (تقريبًا 55×10 4 كم).

تحتوي بلادنا بالفعل على العديد من خطوط الأنابيب للهيدروجين في التشغيل، مثل خط الأنابيب للهيدروجين بين مصفاة وكيماويات لويانغ التابعة لشركة سينوبك بطول إجمالي 25 كم وبطاقة نقل غازية سنوية تبلغ 10.04×10 4 طن؛ وخط أنابيب غاز الكوك الفحمي بين ووهاي وينتشوان بطول إجمالي 216.4 كم وبطاقة نقل غازية سنوية تبلغ 16.1×10 8 م 3، والذي يستخدم بشكل رئيسي لنقل غاز الكوك الفحمي وغاز الهيدروجين المختلط.

4.2 بناء مشترك لمحطات تعبئة الهيدروجين مع النفط

مع التوسع المستمر لسوق صناعة الهيدروجين، فإن سلسلة صناعة الهيدروجين تتجه نحو التحسين المستمر. حاليًا، تتطور سريعًا مركبات الوقود التي تعمل بالهيدروجين، وزاد الطلب على الهيدروجين الصناعي بشكل كبير، وتسارع بناء محطات تعبئة الهيدروجين وفقًا لذلك.

حتى نهاية عام 2017، كانت هناك 328 محطة تعبئة هيدروجين في التشغيل على مستوى العالم، بما في ذلك 139 في أوروبا، و119 في آسيا، و68 في أمريكا الشمالية، وواحدة في أمريكا الجنوبية وأستراليا.

"كتاب الأزرق حول تطوير بنية تحتية صناعة الهيدروجين في الصين" قد وضع خططًا لأهداف تطوير بناء محطات تعبئة الهيدروجين ومركبات الخلايا الوقود للمدى المتوسط والطويل في بلادي. من المتوقع أن تبني بلادي 100 محطة تعبئة هيدروجين بحلول عام 2030. حتى فبراير 2018، قد بنت الصين وتقوم ببناء إجمالي 31 محطة تعبئة هيدروجين، حيث تعمل 12 منها.

تتضمن المرافق الرئيسية لمحطة تعبئة الهيدروجين أجهزة تخزين الهيدروجين، ومعدات الضغط، ومعدات التعبئة، وأنظمة التحكم في المحطة. حاليًا، تتراوح التكلفة الإنشائية العالمية المتوسطة لمحطة تعبئة الهيدروجين بين 2 مليون و5 مليون دولار أمريكي، حيث تكون تكلفة الضاغط هي الأعلى، تمثل حوالي 30% من التكلفة الإجمالية. تكون تكلفة بناء محطات تعبئة الهيدروجين في الصين نسبيًا منخفضة، تتراوح بين 2 مليون و2.5 مليون دولار أمريكي (سعة تحويل الهيدروجين 35 ميجاباسكال). لذلك، من الضروري تسريع عملية توطين ضواغط الهيدروجين الصناعية، وتقليل تكلفة بناء محطات تعبئة الهيدروجين، وتعزيز تطوير صناعة الهيدروجين.

من المتوقع أن تدخل محطات تعبئة الهيدروجين على مرحلة تطوير سريعة على مستوى عالمي، وسيكون هناك أكثر من 1000 محطة في عام 2025. في الوقت نفسه، سيتم زيادة دراسة جدوى البناء المشترك لمحطات تعبئة الهيدروجين ومحطات الوقود، مثل النموذج المشترك الذي اعتمدته ألمانيا واليابان وغيرها من الدول، واختبارات البناء المشترك لعدة محطات تعبئة هيدروجين ومحطات وقود في يونفو، قوانغدونغ، الصين. في المستقبل، من المحتمل جدًا أن يظهر نموذج بناء مشترك لأربع محطات يتضمن محطات تعبئة الهيدروجين ومحطات الوقود ومحطات الغاز ومحطات الشحن.