Beth yw'r ffyrdd o gynhyrchu hydrogen?
Ar hyn o bryd, mae'r dulliau cynhyrchu hydrogen canlynol yn bennaf:
Cynhyrchu hydrogen o danwydd ffosil: yn bennaf yn cynnwys cynhyrchu hydrogen o nwy naturiol a chynhyrchu hydrogen o lo. Cynhyrchu hydrogen o nwy naturiol yw'r dull pwysicaf o gynhyrchu hydrogen ar hyn o bryd, gan ddefnyddio'r dull diwygio stêm methan yn bennaf. Er bod cost cynhyrchu hydrogen o lo yn isel, nid yw'n gyfeillgar i'r amgylchedd.
Cynhyrchu hydrogen sgil-gynnyrch diwydiannol:Gan ddefnyddio sgil-gynhyrchion a gynhyrchir yn y broses gynhyrchu ddiwydiannol i gynhyrchu hydrogen, mae'r gost yn isel. Mae'n bennaf yn cynnwys cynhyrchu hydrogen o nwy popty golosg a hydrogen a gynhyrchir gan ddiwydiant clor-alcali.
Cynhyrchu hydrogen trwy electrolysis dŵr:Cynhyrchir hydrogen trwy electrolysis dŵr. Mae gan y cynnyrch purdeb uchel a dim llygredd. Mae'n gyfeiriad allweddol ar gyfer datblygiad yn y dyfodol. Fodd bynnag, mae'r gost gyfredol yn gymharol uchel ac mae angen ei lleihau ymhellach.
Defnydd isel o ynni a gwell effeithlonrwydd.
Cynhyrchu hydrogen biomas:Gan ddefnyddio deunyddiau biomas i gynhyrchu hydrogen trwy brosesau biolegol neu thermocemegol, nid yw'r dechnoleg yn gwbl aeddfed eto.
Ffotolysis dŵr i gynhyrchu hydrogen:Gan ddefnyddio ynni'r haul i hollti dŵr yn uniongyrchol i gynhyrchu hydrogen, mae'r dechnoleg yn dal i fod yn y cam ymchwil a datblygu.
O safbwynt economeg ac aeddfedrwydd technolegol, mae cynhyrchu hydrogen o nwy naturiol a hydrogen sgil-gynnyrch diwydiannol yn dominyddu ar hyn o bryd. Ond yn y tymor hir, ystyrir bod cynhyrchu hydrogen trwy electrolysis dŵr yn gyfeiriad allweddol ar gyfer datblygiad yn y dyfodol oherwydd ei nodweddion glân ac ecogyfeillgar. Gyda datblygiad technolegol a lleihau costau, disgwylir i gynhyrchu hydrogen o electrolysis dŵr arwain at gyfleoedd datblygu pwysig yn ystod y 3-5 mlynedd nesaf.
Beth yw hydrogen gwyrdd, hydrogen glas, hydrogen llwyd?
Yn dibynnu ar y dull cynhyrchu hydrogen a lefel yr allyriadau carbon, gellir rhannu hydrogen yn dri math: hydrogen llwyd, hydrogen glas a hydrogen gwyrdd:
hydrogen llwyd:
Mae hydrogen llwyd yn hydrogen a gynhyrchir o danwydd ffosil (fel nwy naturiol, glo, petrolewm, ac ati). Ar hyn o bryd dyma'r dull pwysicaf o gynhyrchu hydrogen, sy'n cyfrif am tua 95% o gynhyrchu hydrogen byd-eang. Mae costau cynhyrchu hydrogen llwyd yn is, ond mae allyriadau carbon yn fawr ac yn cael mwy o effaith ar yr amgylchedd.
hydrogen glas:
Mae hydrogen glas hefyd yn cael ei gynhyrchu o danwydd ffosil (nwy naturiol yn bennaf), ond mae'n defnyddio technoleg dal a storio carbon (CCS) yn y broses gynhyrchu. Gall y dull hwn leihau allyriadau carbon yn sylweddol, ond mae'r gost dal yn uchel. Ystyrir hydrogen glas yn gynnyrch canolradd yn y trawsnewid o hydrogen llwyd i hydrogen gwyrdd.
hydrogen gwyrdd:
Mae hydrogen gwyrdd yn hydrogen a gynhyrchir gan electrolyzing dŵr gan ddefnyddio ffynonellau ynni adnewyddadwy (fel ynni solar, ynni gwynt, ac ati). Mae'r dull hwn yn cynhyrchu bron dim allyriadau carbon yn ystod y broses gynhyrchu gyfan a dyma'r ffordd lanaf i gynhyrchu hydrogen. Ar hyn o bryd, mae cost hydrogen gwyrdd yn gymharol uchel, ond wrth i gost ynni adnewyddadwy ostwng a thechnoleg electrolysis symud ymlaen, disgwylir i'w heconomeg barhau i wella.
Ar hyn o bryd, yn bennaf mae'r ffyrdd canlynol o gynhyrchu hydrogen trwy electrolysio dŵr:
Electrolysis dŵr alcalïaidd yw ALK
Electrolysis dŵr alcalïaidd yw ALK,a elwir yn aml hefyd AWE (Dŵr Alcalïaidd Electrolysis). Mae hon yn dechnoleg draddodiadol ac aeddfed ar gyfer electrolyzing dŵr i gynhyrchu hydrogen. Dyma brif nodweddion ALK/AWE:
egwyddor gweithio:
Mewn electrolyt alcalïaidd (fel arfer 20%-30% KOH neu hydoddiant NaOH), cynhyrchir hydrogen trwy leihau dŵr yn y catod trwy gerrynt uniongyrchol, a chynhyrchir ocsigen trwy ocsideiddio dŵr yn yr anod.
01
Cydrannau craidd:
Electrod: Fel arfer defnyddir aloion metel fel nicel a molybdenwm
Diaffram: Wedi'i wneud o ddeunyddiau mandyllog fel asbestos, cerameg, neilon, ac ati.
Electrolyte: hydoddiant alcalïaidd KOH neu NaOH
02
Amodau gwaith:
Tymheredd electrolysis: 70-90 gradd
Pwysedd electrolysis: 1-3 MPa
03
mantais:
Technoleg aeddfed, cynharaf i gyflawni cymhwysiad diwydiannol
Mae strwythur y system yn syml ac yn hawdd ei weithredu
Gofynion isel ar ansawdd dŵr deunydd crai
Oes offer hir, hyd at 10-20 o flynyddoedd neu fwy
Cost is ac economi dda
04
diffyg:
Mae'r dwysedd presennol yn gymharol isel
Ymateb deinamig gwael
Mae problem diaffram traws-nwy
Mae Lye yn gyrydol
05
Electrolysis pilen cyfnewid proton (PEM):
Gan ddefnyddio bilen electrolyt polymer solet, nid oes angen electrolyt hylif. Yn y catod, mae protonau (H+) yn cyfuno ag electronau i ffurfio nwy hydrogen; yn yr anod, mae dŵr yn dadelfennu i ffurfio ocsigen a phrotonau. Mae gan PEM fanteision dwysedd cyfredol uchel a chychwyn cyflym.
egwyddor gweithio:
Gan ddefnyddio bilen electrolyt polymer solet, nid oes angen electrolyt hylif. Yn y catod, mae protonau (H+) yn cyfuno ag electronau i ffurfio nwy hydrogen; yn yr anod, mae dŵr yn dadelfennu i ffurfio ocsigen a phrotonau. Mae protonau'n cael eu cludo drwy'r bilen i'r catod.
01
Cydrannau craidd:
Electrod: Fel arfer defnyddir catalyddion metel bonheddig, fel platinwm ac iridium
Pilen electrolyte: pilen asid perfflworosulfonig a ddefnyddir yn gyffredin (fel pilen Nafion)
Platiau deubegwn: a ddefnyddir i wahanu celloedd uned a dargludo cerrynt
02
Amodau gwaith:
Tymheredd:50-80 gradd
Pwysau: hyd at ddwsinau o atmosfferau
03
mantais:
Dwysedd cerrynt uchel, hyd at 2 A / cm² neu fwy
Yn dechrau'n gyflym ac yn ymateb yn gyflym
Mae'r system yn gryno ac yn meddiannu ardal fach
Mae purdeb hydrogen a gynhyrchir yn uchel, hyd at 99.999%
Yn gallu gweithredu o dan bwysau uchel i leihau costau cywasgu dilynol
04
diffyg:
Costau uwch, yn enwedig catalyddion metel gwerthfawr a philenni cyfnewid proton
Mae gofynion ansawdd dŵr uchel yn gofyn am ddefnyddio dŵr ultrapure
Mae hyd oes yn gymharol fyr, fel arfer 20,000-50,000 awr
05
tuedd datblygu:
Mae ffocws ymchwil yn cynnwys datblygu catalyddion cost isel, gwella perfformiad a gwydnwch y bilen, a gwneud y gorau o ddyluniad system i leihau costau.
Mae technoleg PEM yn arbennig o addas i'w ddefnyddio gyda ffynonellau ynni adnewyddadwy gydag anweddolrwydd uchel oherwydd ei effeithlonrwydd uchel ac ymateb cyflym. Gyda datblygiad technolegol a lleihau costau, disgwylir i PEM gael ei ddefnyddio'n ehangach yn ystod y 5-10 mlynedd nesaf, yn enwedig ym meysydd cynhyrchu hydrogen dosranedig a chynhyrchu hydrogen ynni adnewyddadwy.
Electrolysis bilen cyfnewid anion (AEM):
Mae'r strwythur yn debyg i PEM, ond mae'n defnyddio pilen cyfnewid anion. Y fantais yw y gellir defnyddio catalyddion metel nad ydynt yn fonheddig, y disgwylir iddo leihau costau. Mae'r dechnoleg yn dal i fod yn y cyfnod ymchwil a datblygu.
egwyddor gweithio:
Gan ddefnyddio pilen cyfnewid anion fel yr electrolyte, mae ïonau OH- yn cael eu cludo o'r catod drwy'r bilen i'r anod. Yn y catod, mae dŵr yn dadelfennu i gynhyrchu hydrogen ac OH-; yn yr anod, mae OH- yn cael ei ocsidio i gynhyrchu ocsigen a dŵr.
01
Cydrannau craidd:
Electrod: gellir defnyddio catalyddion metel nad ydynt yn fonheddig, fel deunyddiau sy'n seiliedig ar nicel a chobalt
Pilen electrolyte: pilen cyfnewid anion, sydd fel arfer yn cynnwys asgwrn cefn polymer a grwpiau swyddogaethol â gwefr bositif
Electrolyte: dŵr pur neu hydoddiant alcalïaidd gwan
02
Amodau gwaith:
Tymheredd: Yn nodweddiadol yn yr ystod 50-70 gradd
Pwysedd: Gall weithredu ar bwysau arferol neu ychydig o bwysau
03
mantais:
Gellir defnyddio catalyddion metel anwerthfawr i leihau costau
Mae'r dwysedd presennol yn uwch, rhwng AWE a PEM
System syml, nid oes angen system trin dŵr cymhleth
Yn gyfeillgar i'r amgylchedd, defnyddiwch ddŵr pur neu doddiant gwan alcalïaidd
04
diffyg:
Mae'r dechnoleg yn gymharol newydd ac nid yw wedi'i masnacheiddio ar raddfa fawr eto
Mae angen gwella sefydlogrwydd a gwydnwch pilenni cyfnewid anion ymhellach
Dargludedd ïonig yn gymharol isel
05
tuedd datblygu:
Mae ffocws ymchwil yn cynnwys datblygu pilenni cyfnewid anion perfformiad uchel, sefydlog a chatalyddion effeithlon cyfatebol.
Electrolysis Ocsid Solid Tymheredd Uchel (SOE):
Gall perfformio electrolysis ar dymheredd uchel (700-900 gradd ) leihau'r egni trydanol sydd ei angen ar gyfer electrolysis. Fodd bynnag, mae'r dechnoleg hon yn dal i fod yn y cam arddangos ac nid yw eto wedi cyflawni masnacheiddio ar raddfa fawr.
egwyddor gweithio:
Ar dymheredd uchel (700-900 gradd ), mae anwedd dŵr yn cael ei leihau yn y catod i gynhyrchu ïonau hydrogen ac ocsigen. Mae ïonau ocsigen yn cael eu cludo trwy'r electrolyt solid ocsid i'r anod, lle cânt eu hocsidio i gynhyrchu ocsigen.
01
Cydrannau craidd:
Electrodau: fel arfer yn defnyddio deunyddiau sy'n seiliedig ar nicel fel y catod a cobalt-seiliedig neu lanthanum strontium manganîs ocsid fel yr anod
Electrolyte: Deunydd cerameg solid ocsid, fel zirconia doped yttrium (YSZ)
Bwrdd rhyng-gysylltu: fel arfer yn defnyddio deunyddiau aloi gwrthsefyll tymheredd uchel
02
Amodau gwaith:
Tymheredd:700-900 gradd
Pwysedd: Gall weithredu o dan bwysau arferol neu amodau dan bwysau
03
mantais:
Effeithlonrwydd electrolysis uchel, gall yr effeithlonrwydd damcaniaethol gyrraedd 100%
Gellir defnyddio ffynonellau gwres tymheredd uchel fel gwres gwastraff diwydiannol neu ynni niwclear i leihau'r defnydd o drydan
Gweithrediad cildroadwy, yn gallu cynhyrchu hydrogen a chynhyrchu trydan (modd cell tanwydd ocsid solet)
Nid oes angen unrhyw gatalyddion metel gwerthfawr, gan leihau costau
04
diffyg:
Mae gweithrediad tymheredd uchel yn gosod gofynion uchel ar ddeunyddiau, ac mae problemau gyda seiclo thermol a straen thermol.
Amser cychwyn hir, ddim yn addas ar gyfer cychwyn a stopio'n aml
Nid yw'r dechnoleg yn gwbl aeddfed eto ac mae'n dal i fod yn y cam arddangos
05
tuedd datblygu:
Mae ffocws yr ymchwil yn cynnwys datblygu deunyddiau electrod ac electrolyt hir-oes sy'n gwrthsefyll tymheredd uchel, ac optimeiddio dyluniad system i wella effeithlonrwydd a lleihau costau.
Mae technoleg SOE yn cael ei ystyried yn dechnoleg cynhyrchu hydrogen addawol oherwydd ei effeithlonrwydd uchel a'i ddefnydd o ffynonellau gwres tymheredd uchel. Mae'n arbennig o addas i'w ddefnyddio mewn cyfuniad â ffynonellau gwres tymheredd uchel fel ynni niwclear a chynhyrchu pŵer thermol solar. Gyda datblygiad gwyddoniaeth deunyddiau a thechnoleg integreiddio systemau, disgwylir i SOE gyflawni cymhwysiad masnachol yn y 10-15 mlynedd nesaf, gan ddarparu posibiliadau newydd ar gyfer cynhyrchu hydrogen gwyrdd effeithlonrwydd uchel ar raddfa fawr.
Ymhlith y dulliau hyn, AWE a PEM yw'r ddwy dechnoleg a ddefnyddir amlaf. Mae AWE mewn safle amlwg oherwydd ei dechnoleg cost isel ac aeddfed, ac mae'n arbennig o addas ar gyfer cynhyrchu hydrogen ar raddfa fawr. Mae PEM yn fwy addas i'w ddefnyddio gyda ffynonellau ynni adnewyddadwy gyda mwy o anweddolrwydd oherwydd ei effeithlonrwydd uchel a'i ymateb cyflym. Gyda datblygiad technolegol, disgwylir i PEM gael ei ddefnyddio'n ehangach yn ystod y 5-10 mlynedd nesaf.
Cost gwahanol ddulliau cynhyrchu hydrogen
Mae'r gwahanol ddulliau paratoi hydrogen gwyrdd yn cyfeirio'n bennaf at y defnydd o ynni adnewyddadwy i electrolyze dŵr i gynhyrchu hydrogen. Mae'r gost fel a ganlyn:
Cynhyrchu hydrogen electrolyzer alcalïaidd:
Mae'r gost tua US$3-6/kg. Ar hyn o bryd dyma'r dechnoleg cynhyrchu hydrogen electrolysis dŵr mwyaf aeddfed a ddefnyddir yn eang.
Cynhyrchu hydrogen electrolyzer pilen cyfnewid proton (PEM):
Mae'r gost tua US$4-8/kg. O'i gymharu ag electrolyzers alcalïaidd, mae electrolyzers PEM yn fwy effeithlon, ond mae'r gost hefyd ychydig yn uwch.
Cynhyrchu hydrogen electrolyzer solid ocsid (SOEC):
Mae'r gost tua US$5-9/kg. Mae technoleg SOEC yn dal i fod yn y cyfnod datblygu ac ar hyn o bryd mae'n costio'n gymharol uchel.
Gyda datblygiad technolegol ac ehangu graddfa, disgwylir i gost paratoi hydrogen gwyrdd gael ei leihau ymhellach. Disgwylir i gost cynhyrchu hydrogen o electrolysis dŵr ynni adnewyddadwy ostwng i tua US$2-3/kg yn y dyfodol, gan ei wneud yn gost-gystadleuol gyda chynhyrchu hydrogen tanwydd ffosil.
Dylid nodi bod ffactorau megis costau ynni adnewyddadwy a defnyddio offer hefyd yn effeithio ar gost benodol hydrogen gwyrdd, a gall fod yn wahanol mewn gwahanol ranbarthau a senarios cymhwyso.
|
Proses paratoi hydrogen |
deunyddiau crai |
Aeddfedrwydd technoleg |
Effeithlonrwydd trosi ynni (%) |
Cost (yuan% 2fkg) |
Allyriadau Co2 (fesul cilogram o hydrogen) |
|
|
Cynhyrchu hydrogen o ynni ffosil |
Nwyeiddio glo i gynhyrchu hydrogen |
glo |
Aeddfed |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Nwyeiddio glo+CCS |
glo |
Cwblhau profion ar raddfa beilot |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Nwyeiddio dŵr supercritigol glo |
glo, dwr |
Cwblhau profion ar raddfa beilot |
60 |
8 |
0 |
|
|
Diwygio stêm CH4 (SMR) |
Methan |
Aeddfed |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Cynhyrchu hydrogen sgil-gynnyrch diwydiannol |
sgil-gynhyrchion diwydiannol |
Aeddfed |
- |
10-16 |
- |
|
|
Electrolysis dŵr i gynhyrchu hydrogen |
Traddodiadol ynni pŵer electrolysis dŵr AEL |
dwr |
Aeddfed |
tua 25 |
30-40 |
45 |
|
Ynni adnewyddadwy dŵr electrolyzed AEL |
dwr |
Aeddfed |
tua 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
PEMEL dŵr electrolyzed ynni adnewyddadwy |
dwr |
Cymharol aeddfed ac yn agos at ddiwydiannu |
tua 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
SOEL dŵr electrolyzed ynni adnewyddadwy |
dwr |
Prosiect arddangos |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Ynni adnewyddadwy gwastraff trydan dŵr electrolysis |
dwr |
Prosiect arddangos |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Technolegau newydd eraill |
Cynhyrchu hydrogen ffotolysis solar |
dwr |
cam labordy |
<10 |
- |
0 |
|
Eplesu biomas i gynhyrchu hydrogen |
biomas |
Prosiect arddangos |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Trosi biomas yn thermocemegol i hydrogen |
biomas |
Aeddfed |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Cylchred thermocemegol cynhyrchu hydrogen |
dwr |
cam labordy |
Tua38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
Bydd ynni hydrogen yn chwarae rhan allweddol yn y strwythur ynni yn y dyfodol. Gyda datblygiad technoleg cynhyrchu hydrogen dŵr electrolytig a lleihau costau, bydd ynni hydrogen yn cael ei gyfuno ag ynni adnewyddadwy i wella sefydlogrwydd a dibynadwyedd y system ynni, hyrwyddo trawsnewid ynni mewn cludiant, diwydiant, cynhyrchu pŵer a meysydd eraill, a chyflawni datblygu cynaliadwy. Ar gyfer pobl gyffredin, gall poblogeiddio ynni hydrogen nid yn unig leihau llygredd a gwella ansawdd aer, ond hefyd ddarparu ynni cartref sefydlog a glân, a dod â chyfleoedd swyddi newydd a phwyntiau twf economaidd, gan wella lles cyffredinol cymdeithas a chreu byd gwell. . s dyfodol.