Vodorod ishlab chiqarishning qanday usullari mavjud?
Hozirgi vaqtda vodorod ishlab chiqarishning asosan quyidagi usullari mavjud:
Fotoalbom yoqilg'ilardan vodorod ishlab chiqarish: asosan tabiiy gazdan vodorod ishlab chiqarish va ko'mirdan vodorod ishlab chiqarishni o'z ichiga oladi. Tabiiy gazdan vodorod ishlab chiqarish hozirgi vaqtda vodorod ishlab chiqarishning eng muhim usuli bo'lib, asosan metan bug'ini isloh qilish usulidan foydalanadi. Ko'mirdan vodorod ishlab chiqarish narxi past bo'lsa-da, u ekologik jihatdan qulay emas.
Sanoatning qo'shimcha mahsuloti vodorod ishlab chiqarish:Vodorod ishlab chiqarish uchun sanoat ishlab chiqarish jarayonida ishlab chiqarilgan qo'shimcha mahsulotlardan foydalanish, xarajat past. U asosan koks gazidan vodorod ishlab chiqarishni va xlor-ishqor sanoati tomonidan ishlab chiqarilgan vodorodni o'z ichiga oladi.
Suvni elektroliz qilish orqali vodorod ishlab chiqarish:Vodorod suvni elektroliz qilish natijasida hosil bo'ladi. Mahsulot yuqori tozalikka ega va ifloslanish yo'q. Bu kelajakdagi rivojlanishning asosiy yo'nalishi. Biroq, joriy xarajat nisbatan yuqori va uni yanada kamaytirish kerak.
Kam energiya iste'moli va samaradorlikni oshirish.
Biomassa vodorod ishlab chiqarish:Biologik yoki termokimyoviy jarayonlar orqali vodorod ishlab chiqarish uchun biomassa materiallaridan foydalanish texnologiya hali to'liq etuk emas.
Vodorod hosil qilish uchun suvning fotolizi:Vodorod ishlab chiqarish uchun suvni to'g'ridan-to'g'ri ajratish uchun quyosh energiyasidan foydalangan holda, texnologiya hali ham tadqiqot va ishlab chiqish bosqichida.
Iqtisodiyot va texnologik etuklik nuqtai nazaridan, hozirgi vaqtda tabiiy gazdan vodorod ishlab chiqarish va sanoat qo'shimcha mahsuloti vodorod ustunlik qiladi. Ammo uzoq muddatda suvni elektroliz qilish yo'li bilan vodorod ishlab chiqarish uning toza va ekologik toza xususiyatlari tufayli kelajakdagi rivojlanishning asosiy yo'nalishi hisoblanadi. Texnologik taraqqiyot va xarajatlarni pasaytirish bilan suv elektrolizidan vodorod ishlab chiqarish keyingi 3-5 yil ichida muhim rivojlanish imkoniyatlarini ochishi kutilmoqda.
Yashil vodorod, ko'k vodorod, kulrang vodorod nima?
Vodorod ishlab chiqarish usuliga va uglerod chiqindilarining darajasiga qarab, vodorodni uch turga bo'lish mumkin: kulrang vodorod, ko'k vodorod va yashil vodorod:
Kulrang vodorod:
Kulrang vodorod - qazib olinadigan yoqilg'ilardan (masalan, tabiiy gaz, ko'mir, neft va boshqalar) hosil bo'lgan vodorod. Hozirgi vaqtda bu vodorod ishlab chiqarishning eng muhim usuli bo'lib, global vodorod ishlab chiqarishning taxminan 95% ni tashkil qiladi. Kulrang vodorod ishlab chiqarish xarajatlari pastroq, ammo uglerod chiqindilari katta va atrof-muhitga ko'proq ta'sir qiladi.
Moviy vodorod:
Moviy vodorod ham qazib olinadigan yoqilg'idan (asosan tabiiy gaz) ishlab chiqariladi, lekin ishlab chiqarish jarayonida uglerodni ushlab turish va saqlash (CCS) texnologiyasidan foydalanadi. Bu usul uglerod emissiyasini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin, ammo ushlash narxi yuqori. Moviy vodorod kulrang vodoroddan yashil vodorodga o'tishda oraliq mahsulot hisoblanadi.
Yashil vodorod:
Yashil vodorod - qayta tiklanadigan energiya manbalari (masalan, quyosh energiyasi, shamol energiyasi va boshqalar) yordamida suvni elektroliz qilish natijasida hosil bo'lgan vodorod. Bu usul butun ishlab chiqarish jarayonida uglerod chiqindilarini deyarli chiqarmaydi va vodorod ishlab chiqarishning eng toza usuli hisoblanadi. Hozirgi vaqtda yashil vodorodning narxi nisbatan yuqori, ammo qayta tiklanadigan energiya narxining pasayishi va elektroliz texnologiyasining rivojlanishi bilan uning iqtisodiyoti yaxshilanishda davom etishi kutilmoqda.
Hozirgi vaqtda suvni elektroliz qilish orqali vodorod olishning asosan quyidagi usullari mavjud:
ALK ishqoriy suv elektrolizidir
ALK gidroksidi suv elektrolizidir,ko'pincha AWE (ishqoriy suv elektrolizi) deb ham ataladi. Bu vodorod ishlab chiqarish uchun suvni elektroliz qilish uchun an'anaviy va etuk texnologiya. ALK/AWE ning asosiy xususiyatlari quyidagilardir:
ish printsipi:
Ishqoriy elektrolitda (odatda 20%-30% KOH yoki NaOH eritmasi) vodorod katoddagi suvni toʻgʻridan-toʻgʻri tok orqali, kislorod esa anoddagi oksidlovchi suv orqali hosil boʻladi.
01
Asosiy komponentlar:
Elektrod: Odatda nikel va molibden kabi metall qotishmalari ishlatiladi
Diafragma: asbest, keramika, neylon va boshqalar kabi gözenekli materiallardan tayyorlangan.
Elektrolit: KOH yoki NaOH ishqoriy eritmasi
02
Ish sharoitlari:
Elektroliz harorati: 70-90 daraja
Elektroliz bosimi: 1-3 MPa
03
afzalligi:
Yetuk texnologiya, sanoatda qo'llash uchun eng erta
Tizimning tuzilishi oddiy va ishlatish uchun qulay
Xom ashyoning suv sifatiga past talablar
Uskunaning uzoq xizmat qilish muddati, 10-20 yil yoki undan koʻproq
Kam xarajat va yaxshi iqtisod
04
kamchilik:
Oqim zichligi nisbatan past
Yomon dinamik javob
Diafragma o'zaro gaz muammosi mavjud
Lye korroziydir
05
Proton almashinuvi membrana elektrolizi (PEM):
Qattiq polimer elektrolitlar membranasidan foydalanib, suyuqlik elektrolitlari talab qilinmaydi. Katodda protonlar (H+) elektronlar bilan birikib, vodorod gazini hosil qiladi; anodda suv kislorod va protonlarni hosil qilish uchun parchalanadi. PEM yuqori oqim zichligi va tez ishga tushirish afzalliklariga ega.
ish printsipi:
Qattiq polimer elektrolitlar membranasidan foydalanib, suyuqlik elektrolitlari talab qilinmaydi. Katodda protonlar (H+) elektronlar bilan birikib, vodorod gazini hosil qiladi; anodda suv kislorod va protonlarni hosil qilish uchun parchalanadi. Protonlar membrana orqali katodga o'tkaziladi.
01
Asosiy komponentlar:
Elektrod: Odatda platina va iridiy kabi qimmatbaho metall katalizatorlar ishlatiladi
Elektrolit membranasi: tez-tez ishlatiladigan perfluorosulfonik kislota membranasi (masalan, Nafion membranasi)
Bipolyar plitalar: birlik hujayralarini ajratish va oqim o'tkazish uchun ishlatiladi
02
Ish sharoitlari:
Harorat:50-80 daraja
Bosim: o'nlab atmosferaga qadar
03
afzalligi:
Yuqori oqim zichligi, 2 A/sm² yoki undan ko'p
Tez boshlanadi va tez javob beradi
Tizim ixcham va kichik maydonni egallaydi
Ishlab chiqarilgan vodorodning tozaligi yuqori, 99,999% gacha
Keyingi siqish xarajatlarini kamaytirish uchun yuqori bosim ostida ishlashi mumkin
04
kamchilik:
Yuqori xarajatlar, ayniqsa qimmatbaho metallar katalizatorlari va proton almashinuvi membranalari
Suv sifatiga yuqori talablar ultra toza suvdan foydalanishni talab qiladi
Foydalanish muddati nisbatan qisqa, odatda 20,000-50,000 soat
05
rivojlanish tendentsiyasi:
Tadqiqot yo'nalishlari arzon narxlardagi katalizatorlarni ishlab chiqish, membrana ishlashi va chidamliligini yaxshilash va xarajatlarni kamaytirish uchun tizim dizaynini optimallashtirishni o'z ichiga oladi.
PEM texnologiyasi yuqori samaradorlik va tezkor javob tufayli yuqori o'zgaruvchanlikka ega qayta tiklanadigan energiya manbalari bilan foydalanish uchun ayniqsa mos keladi. Texnologik taraqqiyot va xarajatlarni kamaytirish bilan PEM keyingi 5-10 yillarda, ayniqsa, taqsimlangan vodorod ishlab chiqarish va qayta tiklanadigan energiya manbalaridan vodorod ishlab chiqarish sohalarida yanada keng qo'llanilishi kutilmoqda.
Anion almashinadigan membran elektroliz (AEM):
Tuzilishi PEM ga o'xshaydi, ammo anion almashinuvi membranasidan foydalanadi. Afzallik shundaki, noaniq metall katalizatorlardan foydalanish mumkin, bu esa xarajatlarni kamaytirishi kutilmoqda. Texnologiya hali tadqiqot va ishlab chiqish bosqichida.
ish printsipi:
Elektrolit sifatida anion almashinadigan membranadan foydalanib, OH-ionlari katoddan membrana orqali anodga o'tkaziladi. Katodda suv vodorod va OH- hosil qilish uchun parchalanadi; anodda OH- kislorod va suv hosil qilish uchun oksidlanadi.
01
Asosiy komponentlar:
Elektrod: nikel va kobalt asosidagi materiallar kabi noaniq metall katalizatorlardan foydalanish mumkin
Elektrolit membranasi: anion almashinadigan membrana, odatda polimer magistral va musbat zaryadlangan funktsional guruhlardan iborat.
Elektrolit: toza suv yoki zaif gidroksidi eritma
02
Ish sharoitlari:
Harorat: Odatda 50-70 daraja oralig'ida
Bosim: Oddiy bosimda yoki ozgina bosim ostida ishlashi mumkin
03
afzalligi:
Xarajatlarni kamaytirish uchun qimmatbaho metallar katalizatorlaridan foydalanish mumkin
Joriy zichlik yuqoriroq, AWE va PEM o'rtasida
Oddiy tizim, murakkab suv tozalash tizimi talab qilinmaydi
Ekologik toza, toza suv yoki zaif gidroksidi eritmadan foydalaning
04
kamchilik:
Texnologiya nisbatan yangi va hali keng miqyosda tijoratlashtirilmagan
Anion almashinadigan membranalarning barqarorligi va chidamliligini yanada yaxshilash kerak
Ion o'tkazuvchanligi nisbatan past
05
rivojlanish tendentsiyasi:
Tadqiqot yo'nalishlari yuqori samarali, yuqori barqarorlikdagi anion almashinadigan membranalarni va mos keladigan samarali katalizatorlarni ishlab chiqishni o'z ichiga oladi.
Yuqori haroratli qattiq oksidli elektroliz (SOE):
Yuqori haroratlarda (700-900 daraja) elektrolizni bajarish elektroliz uchun zarur bo'lgan elektr energiyasini kamaytirishi mumkin. Biroq, bu texnologiya hali namoyish bosqichida va hali keng ko'lamli tijoratlashtirishga erishmagan.
ish printsipi:
Yuqori haroratlarda (700-900 daraja) suv bug'i vodorod va kislorod ionlarini hosil qilish uchun katodda kamayadi. Kislorod ionlari qattiq oksid elektrolitlari orqali anodga o'tkaziladi va u erda kislorod hosil qilish uchun oksidlanadi.
01
Asosiy komponentlar:
Elektrodlar: odatda katod sifatida nikel asosidagi materiallar va anod sifatida kobalt yoki lantan stronsiy marganets oksidi ishlatiladi.
Elektrolit: qattiq oksidli keramik material, masalan, itriy qo'shilgan tsirkoniya (YSZ)
Interconnect taxtasi: odatda yuqori haroratga chidamli qotishma materiallardan foydalanadi
02
Ish sharoitlari:
Harorat:700-900 daraja
Bosim: Oddiy bosim yoki bosim ostida ishlashi mumkin
03
afzalligi:
Yuqori elektroliz samaradorligi, nazariy samaradorlik 100% ga yetishi mumkin
Elektr iste'molini kamaytirish uchun sanoat chiqindilari issiqlik yoki yadro energiyasi kabi yuqori haroratli issiqlik manbalaridan foydalanish mumkin.
Qaytariladigan operatsiya, vodorod ishlab chiqarishi va elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkin (qattiq oksidli yoqilg'i xujayrasi rejimi)
Qimmatbaho metall katalizatorlari talab qilinmaydi, bu esa xarajatlarni kamaytiradi
04
kamchilik:
Yuqori haroratda ishlash materiallarga yuqori talablarni qo'yadi va termal tsikl va termal stress bilan bog'liq muammolar mavjud.
Uzoq ishga tushirish vaqti, tez-tez ishga tushirish va to'xtash uchun mos emas
Texnologiya hali to'liq etuk emas va hali namoyish bosqichida
05
rivojlanish tendentsiyasi:
Tadqiqot yo'nalishlari yuqori haroratga chidamli, uzoq umr elektrod va elektrolit materiallarini ishlab chiqish, samaradorlikni oshirish va xarajatlarni kamaytirish uchun tizim dizaynini optimallashtirishni o'z ichiga oladi.
SOE texnologiyasi yuqori samaradorlik va yuqori haroratli issiqlik manbalaridan foydalanish tufayli vodorod ishlab chiqarishning istiqbolli texnologiyasi hisoblanadi. Bu, ayniqsa, atom energiyasi va quyosh issiqlik energiyasini ishlab chiqarish kabi yuqori haroratli issiqlik manbalari bilan birgalikda foydalanish uchun javob beradi. Materialshunoslik va tizim integratsiyasi texnologiyasining rivojlanishi bilan SOE keyingi 10-15 yil ichida keng ko'lamli, yuqori samarali yashil vodorod ishlab chiqarish uchun yangi imkoniyatlarni taqdim etib, tijorat maqsadlarida qo'llanilishi kutilmoqda.
Ushbu usullar orasida AWE va PEM hozirda eng ko'p qo'llaniladigan ikkita texnologiyadir. AWE arzon narxlardagi va etuk texnologiya tufayli dominant o'rinni egallaydi va ayniqsa keng ko'lamli vodorod ishlab chiqarish uchun javob beradi. PEM yuqori samaradorlik va tezkor javob tufayli katta o'zgaruvchanlikka ega qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalanish uchun ko'proq mos keladi. Texnologik taraqqiyot bilan PEM keyingi 5-10 yillarda yanada kengroq qo‘llanilishi kutilmoqda.
Turli xil vodorod ishlab chiqarish usullarining narxi
Yashil vodorodni tayyorlashning turli usullari asosan vodorod ishlab chiqarish uchun suvni elektroliz qilish uchun qayta tiklanadigan energiyadan foydalanishni nazarda tutadi. Narxi quyidagicha:
Ishqoriy elektrolizator vodorod ishlab chiqarish:
Narxi taxminan AQSH$3-6/kg. Bu hozirgi vaqtda eng etuk va keng qo'llaniladigan suv elektrolizi vodorod ishlab chiqarish texnologiyasidir.
Proton almashinuv membranasi (PEM) elektrolizatori vodorod ishlab chiqarish:
Narxi taxminan AQSH$4-8/kg. Ishqoriy elektrolizatorlar bilan solishtirganda, PEM elektrolizatorlari samaraliroq, ammo narxi ham biroz yuqoriroq.
Qattiq oksidli elektrolizator (SOEC) vodorod ishlab chiqarish:
Narxi taxminan AQSH$5-9/kg. SOEC texnologiyasi hali rivojlanish bosqichida va hozirda nisbatan yuqori narxga ega.
Texnologik taraqqiyot va miqyosning kengayishi bilan yashil vodorod tayyorlash narxi yanada kamayishi kutilmoqda. Qayta tiklanadigan energiya manbalaridan suv elektrolizidan vodorod ishlab chiqarish qiymati kelajakda taxminan AQSH$2-3/kg gacha tushishi kutilmoqda, bu esa qazib olinadigan yoqilg‘i vodorod ishlab chiqarish bilan raqobatbardosh bo‘lishiga olib keladi.
Shuni ta'kidlash kerakki, yashil vodorodning o'ziga xos narxi qayta tiklanadigan energiya quvvati xarajatlari va uskunalardan foydalanish kabi omillarga ham ta'sir qiladi va turli mintaqalarda va dastur stsenariylarida farq qilishi mumkin.
|
Vodorodni tayyorlash jarayoni |
xomashyo |
Texnologiyaning etukligi |
Energiyani aylantirish samaradorligi (%) |
Narxi (yuan/kg) |
CO2 emissiyasi (bir kilogramm vodorod uchun) |
|
|
Qazilma energiyasidan vodorod ishlab chiqarish |
Vodorod ishlab chiqarish uchun ko'mirni gazlashtirish |
ko'mir |
Yetuk |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Ko'mirni gazlashtirish + CCS |
ko'mir |
Tugallangan uchuvchi miqyosdagi sinov |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Ko'mirni superkritik suvni gazlashtirish |
ko'mir, suv |
Tugallangan uchuvchi miqyosdagi sinov |
60 |
8 |
0 |
|
|
CH4 bug 'islohoti (SMR) |
Metan |
Yetuk |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Sanoatning qo'shimcha mahsuloti vodorod ishlab chiqarish |
sanoat qo'shimcha mahsulotlar |
Yetuk |
- |
10-16 |
- |
|
|
Vodorod hosil qilish uchun suvni elektroliz qilish |
An'anaviy energiya quvvati elektroliz suvi AEL |
suv |
Yetuk |
taxminan 25 |
30-40 |
45 |
|
Qayta tiklanadigan energiya elektrolizlangan suv AEL |
suv |
Yetuk |
taxminan 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Qayta tiklanadigan energiya elektrolizlangan suv PEMEL |
suv |
Nisbatan etuk va sanoatlashtirishga yaqin |
taxminan 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Qayta tiklanadigan energiya elektrolizlangan suv SOEL |
suv |
Namoyish loyihasi |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Qayta tiklanadigan energiya chiqindilari elektr energiyasi elektroliz suvi |
suv |
Namoyish loyihasi |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Boshqa yangi texnologiyalar |
Quyosh fotolizi vodorod ishlab chiqarish |
suv |
laboratoriya bosqichi |
<10 |
- |
0 |
|
Vodorod ishlab chiqarish uchun biomassa fermentatsiyasi |
biomassa |
Namoyish loyihasi |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Biomassaning vodorodga termokimyoviy aylanishi |
biomassa |
Yetuk |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Vodorod ishlab chiqarishning termokimyoviy aylanishi |
suv |
laboratoriya bosqichi |
38 haqida |
18 |
0.3-0.86 |
|
Vodorod energiyasi kelajakdagi energiya tuzilishida asosiy rol o'ynaydi. Elektrolitik suv vodorod ishlab chiqarish texnologiyasini ishlab chiqish va xarajatlarni kamaytirish bilan vodorod energiyasi energiya tizimining barqarorligi va ishonchliligini oshirish, transport, sanoat, energiya ishlab chiqarish va boshqa sohalarda energiya transformatsiyasini rag'batlantirish uchun qayta tiklanadigan energiya bilan birlashtiriladi. barqaror rivojlanish. Oddiy odamlar uchun vodorod energiyasini ommalashtirish nafaqat ifloslanishni kamaytirish va havo sifatini yaxshilash, balki barqaror va toza maishiy energiya bilan ta'minlash, yangi ish o'rinlari va iqtisodiy o'sish nuqtalarini olib kelishi mumkin, shu bilan jamiyatning umumiy farovonligini oshiradi va yaxshi dunyoni yaratadi. . ning kelajagi.