Hidrojen doğada yaygın olarak dağıtılır ve doğal durumda çok az miktarda serbest hidrojen bulunur. Endüstriyel hidrojen, belirli yollarla endüstriyel ham maddelerden büyük bir ölçekte üretilen yanıcı gaz hidrojen ürününü ifade eder. Enerji girişi yoluyla hidrojen içeren ham maddelerden endüstriyel hidrojen çıkarma işlemine, fosil yakıt hidrojen üretimi, su ayrıştırma hidrojen üretimi, biyoteknoloji hidrojen üretimi ve güneş hidrojen üretimi gibi yapay hidrojen üretimi adı verilir. Hidrojen kimyasal enerjisi olarak hidrojen enerjisi, fiziksel ve kimyasal değişiklikler sırasında enerji açığa çıkmıştır. İkincil enerji özelliklerine sahip önemli bir enerji türüdür. Bu büyük ölçekli yapay hidrojen üretimi ve hidrojen enerjisinden faydalanma, yukarı akış hidrojen üretimi, orta akış depolama ve taşıma ve aşağı akış uygulamaları dahil olmak üzere hidrojen endüstrisi olarak adlandırılır. Hidrojen endüstrisindeki çeşitli sanayi sektörleri, hidrojen sanayi değer zinciri, hidrojen sanayi iş zinciri, hidrojen sanayi tedarik zinciri, hidrojen sanayi tedarik zinciri ve talep zinciri ve hidrojen sanayi uzay zinciri gibi belirli teknik ve ekonomik bağlantılara dayanır.
1 Küresel hidrojen sektörü şekillenmeye başladı
Küresel hidrojen sektörü hızla gelişti ve pazar büyüklüğü 2011'de 187.082 milyar dolardan bugün 251.493 milyar dolara çıkmakta ve %34.4'lik bir büyüme hızıyla büyümektedir. ABD, toplam ithalat değeri 248 milyon ABD dolarıyla en büyük sanayi hidrojen ithalatçısı olurken, Hollanda 342 milyon ABD dolarına karşılık yıllık toplam ihracat değeriyle sanayi hidrojen ihracatçılarının en büyük ülkesi.
İnsan toplumu üç sanayi devrimi yaşamıştır. Yüzyılın ortasından bu yana, dördüncü sanayi devrimiyle birlikte, yeni enerjiye küresel geçiş başladı. Enerji gelişiminin geçmişine baktığım üç ana enerji kaynağının yükseltilmesi, "üç büyük ekonomik" biçimi yansıtıyor.
Watt'ın buhar motorunu bulması, ilk büyük yangın odununun kömüre dönüşmesini tetiklemiş ve bu da "yüksek karbon ekonomisi" olarak ortaya çıktı;
Daimler, kömürün petrol ve gaza ikinci büyük dönüşümünü tamamlayarak içten yanmalı motoru icat etti ve "düşük karbonlu ekonomi" yarattı;
Modern bilimsel ve teknolojik gelişmeler ve günümüzün çevre koruma gereksinimleri, geleneksel fosil enerjinin hidrojen enerjisi gibi fosil olmayan yeni enerjiye üçüncü büyük dönüşümünü destekledi. Dünya, karbon içermeyen "hidrojen enerji çağına" kademeli olarak girebilir
2 Yapay hidrojen üretimi temel olarak fosil kaynaklarına dayanır
Küresel endüstriyel hidrojen pazarı güçlü bir bölgeselliğe sahiptir ve Asya Pasifik, Kuzey Amerika ve Avrupa'nın üç önemli bölgesel haritasını oluşturmuştur.
Fosil kaynakları şu anda hidrojen üretimi için temel ham maddelerdir ve bu maddeler arasında kömür gazifikasyon hidrojen üretiminin büyük geliştirme potansiyeli bulunmaktadır.
2.1 Endüstriyel hidrojen üretimi bölgeseldir
Asya Pasifik bölgesi, dünyada endüstriyel hidrojen üretiminde ilk sırada yer alıyor ve onu Kuzey Amerika izliyor.
Çin ve Hindistan gibi Asya-Pasifik bölgesindeki gelişmekte olan ülkelerin hızlı ekonomik büyümesi, Asya-Pasifik bölgesindeki hidrojen gibi temiz enerjiye yönelik güçlü bir talep getirdi.
Çin'in endüstriyel hidrojen talebi ve üretimi güçlü ve her yıl artıyor. Şu anda, tedarik ve talep dengesinin durumunu korumaktadır ve hem talep hem de üretim dünyada ilk sırada yer alır.
Dünyada hidrojen enerjisi kullanımının önemli bir ülkesi olarak Çin, 1 000 yılında ilk kez 10 4 × 2009 t'yi aştığı günden bu yana yıllardır dünyanın ilk yerini korumaktadır.
2.2 fosil kaynaklarından gelen hidrojen üretimi baskın
Şu anda yapay hidrojen üretimi için hammaddeler petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil kaynaklardır. Diğer hidrojen üretim yöntemlerine kıyasla fosil kaynak hidrojen üretim prosesi olgundur ve ham madde fiyatı nispeten düşüktür, ancak büyük miktarda sera gazı yayarak çevreyi kirletir.
Daha önce, yapay hidrojen üretimi için dünyanın ana hammaddelerinin %96'inden fazlası geleneksel fosil kaynaklarının termokimyasal reformundan, sadece %4'i suyun elektrolizinden geliyordu. Kömür ve doğal gaz, ülkemde yapay hidrojen üretiminin başlıca hammaddeleridir ve sırasıyla %62 ve %19'lik bir oran vardır. Su elektrolizinin hidrojen üretimi Japonya'nın hidrojen sanayiinde özel bir mevki oluşturur ve tuz suyu elektroliz hidrojen üretim kapasitesi ülkenin toplam yapay hidrojen üretim kapasitesinin %63'ini oluşturur.
2.3 Kömür gazlaştırma hidrojen üretimi büyük gelişim potansiyeline sahiptir
Kömür gazlaştırma, bir gaz ürünü oluşturmak için yüksek sıcaklık, normal basınç veya basınçlı koşullar altında bir gazlama maddesi ile kömürün reaksiyonunu ifade eder. Kömürden-sentezgaza ve kömürden-yağa endüstrilerinin gelişimiyle, kömürden hidrojen üretimine yıllık bazda büyük ölçekli ve düşük maliyetli bir artış oldu ve hidrojen üretiminin maliyeti yaklaşık 20 yuan/kg'dır. Ayrıca kimyasal ürünlerin (sentetik amonyak, metanol vb. dahil) üretim prosesinde, hidrojen içeren gevşeme gazından %99'ten daha yüksek saflığa sahip endüstriyel hidrojen kurtarma cihazları giderek daha olgunlaşmakta ve artmaktadır.
Yeraltı kömür gazlaştırma hidrojen üretimi büyük bir geliştirme potansiyeline sahiptir ve aynı zamanda kömürü temiz bir şekilde dönüştürmek ve kullanmak için etkili bir yoldur. Yeraltı kömür gazifikasyon hidrojen üretim teknolojisi, yüksek kaynak kullanımının avantajlarını ve yüzey ortamının daha az zarar görmesini sağlar. Ülkemin zengin kömürü, fakat yetersiz petrol ve gaz kaynak yapısı özelliklerine uygundur. Ancak bu teknoloji, keşif aşamasında ve ticari kullanıma çok uzak bir yol.
3 verimli hidrojen depolama ve taşıma teknolojisi geliştirme
Hidrojen enerjisinin pratik uygulamasını gerçekleştirmenin anahtarı güvenli ve verimli hidrojen depolama ve taşıma teknolojisidir. Hidrojen enerjisinin depolama yöntemleri temel olarak düşük sıcaklıklı sıvı hidrojen depolama, yüksek basınçlı gaz hidrojen depolama, katı hidrojen depolama ve organik sıvı hidrojen depolama yöntemleridir. Farklı hidrojen depolama yöntemlerinde farklı hidrojen depolama yoğunlukları vardır. Bu yoğunluklar arasında gaz hidrojen depolama yönteminin en küçük hidrojen depolama yoğunluğuna sahip olduğu ve metal hidrit hidrojen depolama yönteminin en büyük hidrojen depolama yoğunluğuna sahip olduğu gazdır.
3.1 Düşük sıcaklıktaki sıvı hidrojen depolamanın maliyeti yüksektir
Büyük ölçekli ve ucuz endüstriyel hidrojen üretimi, depolanması ve taşınması, hidrojen enerjisinin pratik kullanımının farkına varılmak için temel teşkil eder. Gaz hidrojen -253°C'de sıvı, sıvı hidrojen yoğunluğu ise gaz hidrojen yoğunluğunun 845 katıdır. Sıvı hidrojen depolamanın ağırlık oranı %5.0 ile %7.5 arasındadır ve hacim kapasitesi yaklaşık 0.04 KGH 2 /L'dir Hidrojen sıvılaştırma pahalıdır ve sıvı hidrojen üretiminin yaklaşık üçte birini oluşturan çok fazla enerji (4 ~ 10 kWh/kg) tüketir. Sıvı hidrojen depolama konteynerlerinin, sıvı hidrojenin kaynamasını ve buharlaşmasını önlemek için son derece yüksek yalıtım kapasitesine sahip olması gerekir.
Şu anda sıvı hidrojen daha çok uzay roketi itme için yakıt olarak kullanılıyor ve depolama tankları ve römorkları ülkemin havacılık alanında ve diğer sahalarda kullanılıyor. İnsan alanı programlarının gelişimiyle sıvı hidrojen depolama konteynerleri büyümekte ve 1,000 m3'ten fazla depolama kapasitesine sahip büyük sıvı hidrojen yalıtımlı depolama tankları üretilebilmektedir.
3.2 Yüksek basınçlı gaz hidrojen depolama teknolojisi olgundur
Yüksek basınçlı gaz hidrojen depolama, şu anda en yaygın kullanılan ve en olgun hidrojen depolama teknolojisidir. Depolama yöntemi, endüstriyel hidrojenin yüksek basınca dayanıklı bir kaba sıkıştırılması. Yüksek basınçlı gaz hidrojen depolama cihazları temel olarak sabit hidrojen depolama tankları, uzun tüplü gaz silindirleri, uzun boru grupları, çelik silindir grupları ve araca monte hidrojen depolama silindirlerini içerir.
Çelik silindirler en çok kullanılan yüksek basınçlı gaz hidrojen depolama konteynerleridir. Bu konteynerler basit yapı, basınçlı hidrojen hazırlama için düşük enerji tüketimi, hızlı doldurma ve boşaltma hızı avantajlarına sahiptir. Ayrıca düşük güvenlik performansı ve düşük hacim kapasitesi dezavantajları da vardır. Şu anda Çin'de inşa edilmiş ve inşa edilmişolan hidrojen yakıt dolum istasyonları genellikle uzun tüplü gaz silindir grubu hidrojen depolama ekipmanı kullanır.
3.3 Katı hal hidrojen depolama teknolojisi henüz olgunlaşmamış
Katı hal hidrojen depolama, yüksek basınçlı gaz ve düşük sıcaklıktaki sıvı hidrojen depolama yöntemlerinin eksikliklerini etkili bir şekilde giderebilecek en umut verici hidrojen depolama yöntemidir. Yüksek hidrojen depolama hacmi yoğunluğu, kolay kullanım, kolay taşıma, düşük maliyet, yüksek güvenlik, Vb. hidrojen yakıt hücresi araçları gibi katı hacim gereksinimleri olan durumlar için uygundur. Katı hal hidrojen depolama teknolojisi, fiziksel adsorpsiyon hidrojen depolama ve kimyasal hidrit hidrojen depolama olarak ayrılabilir. Eskisi metal organik çerçeveler (MOF) ve nanoyapılandırılmış karbon malzemelere ayrılabilir; bu malzemeler titanyum, magnezyum, zirkonyum ve nadir toprak gibi metal hidridlere ve borohidrit ve organik hidrit gibi metalik olmayan hidridlere ayrılabilir.
Metal hidrit hidrojen depolama, yüksek hidrojen depolama yoğunluğu, yüksek saflık, yüksek güvenilirlik (yüksek basınç veya düşük sıcaklık koşulları gerekmez) ve basit hidrojen depolama işleminin avantajlarına sahiptir. Temel prensip, bir yarı bileşik durum oluşturmak için uygun metal hidridleri seçmek ve hidrojen ile düşük basınç koşullarında başka bir maddeyi (hidrojen depolama alaşımı) birleştirmektir. Şu anda metal hidrit hidrojen depolama alanı hala araştırma aşamasindedir ve henüz ticarileştirilmemiştir. Bu, temel olarak şu faktörler tarafından kısıtlanır: (1) Hidrojen depolama alaşımları pahalıdır; (2) Yapı karmaşıktır. Hidrojen depolama işlemi sırasında büyük miktarda ısı açığa çıktığından, ısı değiştirme ekipmanı depolama cihazına eklenmelidir; (3) hidrit'in kendisi düşük stabiliteye sahiptir ve zararlı kir bileşenleri oluşturmaya yatkındır. Tekrar tekrar kullanıldıktan sonra performans önemli ölçüde azalır; (4) hidrojen depolama kalitesi nispeten düşüktür. Kütle ile ölçüldüğünde, endüstriyel hidrojenin yalnızca %2 ila %4'ini depolayabilir.
3.4 Organik sıvı hidrojen depolama çok dikkat çekti
Organik sıvı hidrojen depolama teknolojisi, doymamış sıvı organik maddenin ters çevrilebilir hidrojenasyon ve hidrojen dehidrojenasyon reaksiyonları aracılığıyla hidrojen depolamasına ulaşır. Bu hidrojen depolama yöntemi yüksek kaliteli, yüksek hacimli hidrojen depolama yoğunluğu, güvenlik, kolay uzun mesafeli taşıma ve uzun süreli depolama gibi avantajlara sahiptir. Organik sıvı hidrojen depolama teknolojisi araştırma ve geliştirme aşamasında olup, zorlu teknik gereksinimler, yüksek maliyet, düşük hidrojenasyon verimliliği ve kolay koküre ve devre dışı bırakma gibi dezavantajlara sahiptir.
Katalitik hidrojenasyon ve hidrojenasyon cihazlarının ekipman maliyeti yüksektir. Hidrojenasyon reaksiyonunun düşük basınç ve yüksek sıcaklık heterojen koşullar altında tamamlanması gerekir. Isı ve kütle aktarımı ve reaksiyon denge sınırları ile sınırlı olan hidrojenasyon reaksiyon verimliliği düşüktür ve yan reaksiyonlar oluşmaya meyillidir, bu da hidrojen ürünlerinin zarar vermesiyle sonuçlanır. Ayrıca, yüksek sıcaklık koşullarında, hidrojenasyon katalizörünün gözenek yapısı kolayca yok edilir ve bu da, koküre ve devre dışı bırakma ile sonuçlanır.
4 Hidrojen sektörü altyapısı
Endüstriyel hidrojen taşımacılığının ana modu, yüksek basınçlı gaz veya sıvı hidrojen boru hattı taşımacılığıdır. Uzun mesafe boru hatları, boru hattı çeliği ve yüksek basınçlı hidrojen uyumluluğu konusunda temel araştırmalar yapmak ve uzun mesafe, yüksek basınç, büyük ölçekli hidrojen boru hattı inşaatına ulaşmak için boru hattı operasyonlarını ve yönetim yöntemlerini yenilik yapmak zorunda.
4.1 Boru hattı hidrojen taşımacılığı ilk aşamadır
Boru hattı hidrojen harmanlama ve hidrojen-petrol birlikte taşıma teknolojisi, uzun mesafe ve büyük ölçekli hidrojen taşımacılığına ulaşmada önemli bağlantılardır. Küresel boru hattı hidrojen taşımacılığı erken başlamış, ancak yavaş gelişmiştir. Avrupa, 80 yıldan uzun süredir hidrojen taşımacılığında uzun mesafe boru hattı ile faaliyet sürüyor. Şu anda toplam yaklaşık 1,500 km uzunluğunda hidrojen boru hattına sahip ve bunun yaklaşık 400 km uzunluğundaki Fransa-Belçika hidrojen boru hattı dünyanın en uzun boru hattı. ABD'deki mevcut hidrojen boru hattının uzunluğu 720 km'dir ve bu da doğal gaz boru hattının uzunluğundan çok daha kısadır (yaklaşık 55 × 10 4 km).
Ülkemizde, Sinopec Luoyang Rafining ve kimyasal Jiyuan-Luoyang hidrojen boru hattı gibi, toplam 25 km uzunluğunda ve yıllık 10.04 × 10 4 t gaz iletim kapasitesi olan birçok hidrojen boru hattı bulunmaktadır; Wuhai-Yinchuan kola fırını gaz boru hattı toplam 216.4 km uzunluğa ve çoğunlukla kola fırını ve hidrojen karışımı gazı taşımak için kullanılan yıllık gaz iletim kapasitesi 16.1 × 10 8 m 3'ye sahiptir.
4.2 Hidrojen-yağ bağlantısı yapısı, hidrojen yakıt dolum istasyonları
Hidrojen sanayi pazarının sürekli genişlemesiyle, hidrojen sanayi zinciri sürekli olarak iyileştirilmeye devam ediyor. Şu anda hidrojen yakıt araçları hızla gelişiyor, endüstriyel hidrojen talebi büyük ölçüde artmış ve hidrojen yakıt dolum istasyonlarının inşası da buna göre hızlanmıştır.
2017 yılı sonu itibariyle, Avrupa'da 139, Asya'da 119, Kuzey Amerika'da 68 ve Güney Amerika ve Avustralya'da 1 olmak üzere dünya çapında 328 hidrojen yakıt dolum istasyonu faaliyet içinde bulunuyordu.
"Çin hidrojen Enerji Endüstrisi altyapısının Gelişimi üzerine Mavi Kitap", ülkemin orta ve uzun vadeli hidrojen yakıt dolum istasyonu inşaat ve yakıt hücresi araçlarının geliştirme hedefleri için planlar yaptı. Ülkemin 100 yılına kadar 1,000 hidrojen yakıt ikmali istasyonu ve 2030 hidrojen ikmali istasyonu inşa etmesi bekleniyor. Şubat 2018 itibariyle Çin, 12'i çalışmış olan toplam 31 hidrojen yakıt istasyonu inşa ediyor ve bu istasyonların sayısını dolduruyor.
Hidrojen yakıt dolum istasyonunun ana tesisleri arasında hidrojen depolama cihazları, sıkıştırma ekipmanları, dolum ekipmanları ve istasyon kontrol sistemleri yer alır. Şu anda bir hidrojen yakıt istasyonunun global ortalama inşaat maliyeti 2 milyon ila 5 milyon ABD doları arasında ve bu maliyetlerin toplam maliyetinin yaklaşık %30'ini oluşturan kompresör maliyeti en yüksek maliyettir. Çin'deki hidrojen yakıt dolum istasyonlarının inşaat maliyeti nispeten düşüktür ve 2 milyon ila 2.5 milyon ABD doları (35 MPa hidrojenasyon kapasitesi) arasında değişmektedir. Bu nedenle, endüstriyel hidrojen kompresörlerin lokalizasyon sürecini hızlandırmak, hidrojen yakıt dolum istasyonlarının inşaat maliyetini azaltmak ve hidrojen endüstrisinin gelişimini desteklemek gerekir.
Küresel hidrojen dolum istasyonlarının hızlı bir gelişim aşamasına gireceğini ve 2025 yılında 1,000'den fazla istasyon olacağı tahmin ediliyor. Aynı zamanda, Almanya, Japonya ve diğer ülkeler tarafından kabul edilen ortak inşaat modeli gibi hidrojen yakıt istasyonları ve benzin istasyonlarının ortak inşası konusunda da fizibilite çalışması artırılacak, Ve Çin'in Yunfu, Guangdong, Gayrig'de yapılan birden fazla hidrojen yakıt istasyonu ve benzin istasyonunun ortak inşaat testleri. Gelecekte hidrojen yakıt istasyonları, benzin istasyonları, benzin istasyonları ve şarj istasyonlarının dört istasyonlu ortak inşaat modeli ortaya çıkabilir.
