(1) Koncept in definicija proizvodnje vodika iz biomase
Proizvodnja vodika iz biomase se v glavnem nanaša na uporabo uplinjanja ali mikrobne katalitične deoksigenacije za proizvodnjo sinteznega plina, ki vsebuje vodik, potem ko je biomasa podvržena različni predobdelavi. Kitajski letni razpoložljivi viri biomase znašajo približno 3,5 milijarde ton, glavni viri pa so energetske rastline, ostanki kmetijskih odpadkov, ostanki gozdarskih odpadkov ter trdni industrijski in komunalni odpadki. Uporaba surovin iz biomase za proizvodnjo vodika je metoda, ki se prilagaja nacionalnim razmeram Kitajske in ima dobro tehnologijo za proizvodnjo vodika z obetajočimi razvojnimi možnostmi. Ker je surovina v nekaterih scenarijih biomasa, ki vsebuje ogljik, se ta pot obravnava tudi kot "ogljično negativna" pot proizvodnje vodika, vodik, proizveden po tej poti, pa se imenuje tudi "smaragdni vodik" ali "super zeleni vodik".
(2) Tehnična pot za proizvodnjo vodika iz biomase
Tehnologijo proizvodnje vodika iz biomase lahko v glavnem razdelimo na dve glavni poti: termokemično proizvodnjo vodika in biološko proizvodnjo vodika. Termokemično proizvodnjo vodika lahko razdelimo na tri razdeljene tehnične poti: uparjanje s paro, uparjanje superkritične vode ter termično krekiranje in reformiranje biomase; biološka proizvodnja vodika se imenuje tudi metoda mikrobne razgradnje in proizvodnja vodika s fermentacijo biomase, vključno z neposredno fotolizo/posredno. Obstajajo različne razdeljene poti, kot so fotoliza, svetlobna fermentacija, temna fermentacija, svetlo-temna sklopljena fermentacija, brezcelična encimska biotransformacija itd.
Tehnološka pot 1: Termokemična metoda
Nanaša se na metodo pretvorbe biomase v z vodikom bogat gorljiv plin s termokemično obdelavo in nato pridobivanje čistega vodika z ločevanjem. Ta metoda lahko proizvaja vodik neposredno iz surovin biomase ali iz vmesnih produktov depolimerizacije biomase (kot sta metanol, etanol). Glede na različne specifične postopke jo lahko nadalje razdelimo na tehnologijo uplinjanja s paro, tehnologijo uplinjanja superkritične vode in tehnologijo reformiranja pirolize biomase:
Tehnologija uplinjanja s paro: Tehnologija proizvodnje vodika za uplinjanje s paro izbere paro kot sredstvo za uplinjanje. Namen uplinjanja surovin iz biomase je odstraniti nevnetljive sestavine, kot sta dušik in voda, da se poveča kalorična vrednost goriva. Hkrati lahko odstranitev žvepla in dušika prepreči vstop njihovih produktov v ozračje in zmanjša masno razmerje ogljikovodikovih elementov; ta metoda lahko na splošno pridobi prostornino. Pomanjkljivost uporabe 40- do 60-odstotnega vodika in sinteznega plina z visoko kalorično vrednostjo je, da kot stranski produkt nastaja katran. Zato je trenutno nadaljnja uporaba te tehnologije raziskovanje stroškovno učinkovitih katalizatorjev za povečanje proizvodnje vodika, zmanjšanje temperature uplinjanja, spodbujanje krekinga katrana in razvoj tehnologije obdelave zelenega katrana, preoblikovanje katrana v dragocen sintezni plin in sisteme za ločevanje vodika.
Tehnologija termičnega krekinga reformiranja:Načelo te tehnologije je posredno segrevanje biomase na 350 do 600 stopinj ter izolacija zraka in kisika (ali omejenega kisika), tako da jo je mogoče pirolizirati in pretvoriti v biotar, koks in plin. Ogljikovodike nadalje katalitsko krekiramo, da dobimo plin, bogat z vodikom, in plin ločimo, da dobimo vodik. Pod predpostavko uporabe katalizatorja lahko volumski delež vodika v piroliznem plinu doseže 30 % do 50 %. Vendar bo katran, proizveden med postopkom pirolize, razjedel opremo in cevovode, kar bo povzročilo zmanjšanje učinkovitosti proizvodnje vodika. Naslednji ključni trenutni koraki so razvoj novih ekonomičnih katalizatorjev, raziskave in razvoj nizkocenovnih procesov odstranjevanja katrana, procesov ločevanja vodika itd.
Superkritično uparjanje vode: nanaša se na razgradnjo biomase v superkritični vodi za proizvodnjo H2, CO, CO2, CH4 in drugih plinov s pirolizo, hidrolizo, kondenzacijo in dehidrogenacijo. Tehnologija proizvodnje vodika s superkritičnim vodnim uparjanjem ima relativno visoko porabo energije. Velika, proizvodnja stranskih produktov katrana in druge težave. Čeprav je cena surovin za to tehnologijo nizka, so obratovalni stroški in začetna naložba v superkritični vodni sistem visoki in ni obsežnih predstavitvenih projektov, zato je ni mogoče kratkoročno promovirati za komercialno uporabo.
Tehnološka pot 2: Biološka metoda
Biološke metode lahko razdelimo na neposredno fotolizo, indirektno fotolizo, svetlo fermentacijo, temno fermentacijo, svetlo-temno povezano fermentacijo, brezcelično encimsko pretvorbo in druge razdeljene poti; različne tehnične poti imajo svoje prednosti in slabosti, med katerimi sta svetla in temna povezana fermentacija lahko ne le do določene mere zmanjša povpraševanje po svetlobni energiji, ampak tudi znatno poveča proizvodnjo vodika. To je trenutno glavna razvojna smer biološke proizvodnje vodika.
(3) Napredek proizvodnje vodika iz biomase doma in v tujini
Tuji predstavnik - Združeno kraljestvo:
V začetku leta 2023 je britansko ministrstvo za poslovno, energetsko in industrijsko strategijo (BEIS) objavilo, da bo vložilo 30 milijonov funtov v podporo inovacijam v tehnologiji proizvodnje vodika iz biomase. Posebne usmeritve financiranja:
Predobdelava surovin: razvijte poceni, energetsko varčno in učinkovito tehnologijo predobdelave surovin za optimizacijo biomase in odpadnih surovin. Vključno s tehnologijo granulacije, tehnologijo mehanskega sortiranja, tehnologijo toplotne obdelave in kalcinacije itd.;
Raziskave in razvoj napredne tehnologije uplinjanja in njenih komponent: osredotočite se na izboljšanje kakovosti sintetičnega plina in izboljšanje učinkovitosti proizvodnje vodika. Vključno s tehnologijo spremljanja v realnem času, tehnologijo fizičnega odstranjevanja, tehnologijo kemičnega odstranjevanja, tehnologijo katalitičnega in termičnega odstranjevanja katrana, tehnologijo adsorpcije z nihanjem tlaka sinteznega plina, tehnologijo integracije uplinjevalnika itd.;
Nova tehnologija za proizvodnjo vodika iz biomase: Osredotočite se na razvoj nove tehnologije za proizvodnjo vodika iz biomase, ki jo je mogoče kombinirati z zajemanjem ogljika. Vključno s tehnologijo za proizvodnjo vodika z anaerobno fermentacijo, tehnologijo za proizvodnjo vodika s fotofermentacijo, tehnologijo za čiščenje odpadne vode, tehnologijo za proizvodnjo vodika z reformiranjem metana, tehnologijo za pirolizo itd.;
Kitajska:
Biološka proizvodnja vodika - prej je bila v laboratorijski fazi; v začetku leta 2023 je bil v Harbinu uveden prvi integrirani projekt biološke proizvodnje vodika in proizvodnje električne energije (z uporabo tehnologije za proizvodnjo vodika s fermentacijo biomase in odpadkov, z uporabo slame kmetijskih odpadkov, odpadkov iz krajine, živilskih odpadkov, visoko koncentrirane organske odpadne vode itd. fermentacijski substrati in učinkoviti anaerobni sevi, ki proizvajajo vodik, se uporabljajo kot proizvajalci vodika za predelavo velikih količin čiste energije.
Termokemična proizvodnja vodika – uporablja se predvsem za biomaso ali odpadke z nizko vsebnostjo vode, kot so komunalni odpadki in trdni industrijski odpadki, ki vsebujejo več kartona, plastike in drugih snovi. Domača podjetja, kot so Dongfang Boiler, Datang Group in druga tradicionalna energetska podjetja, uporabljajo pirolizno uplinjanje za proizvodnjo vodika. Vendar pa zaradi zapletenosti postopka obdelave plina trenutno na Kitajskem po tej poti ni zrelega komercialnega projekta. Jiman Technology, ki je nastala iz Kitajske akademije znanosti, trenutno spodbuja gradnjo majhnih in pilotnih predstavitvenih projektov.
(4) Glavna stališča in zaključki o proizvodnji vodika iz biomase:
Proizvodnja vodika iz biomase lahko učinkovito izkorišča industrijske, kmetijske in komunalne odpadke, vendar je lokacija gradnje omejena z območjem oskrbe s surovinami in je porazdeljena pot proizvodnje vodika; njegov neposredni produkt je sintezni plin, ki vsebuje vodik in bo vseboval nečistoče, kot so CO, H2S in katran. Plin je treba pred uporabo dodatno ločiti, da dobimo vodik, ki je primernejši kot gorivo ali industrijska surovina.
Termokemična metoda: stopnja pretvorbe je hitra, vendar zahteva visoko opremo, katalizatorje itd., ločevanje plinov pa je težko; lahko se osredotočimo na ključne prebojne smeri, kot so novi katalizatorji, reformiranje in uporaba katrana ter postopki in oprema za ločevanje plinov.
Biološka metoda: visok donos, nizki stroški, vendar veliko nečistoč; med njimi ima proizvodnja vodika s fermentacijo svetlo-temno sklopljeno najhitrejšo učinkovitost proizvodnje vodika in najvišjo stopnjo izkoriščenosti substrata in pričakuje se, da bo v prihodnosti postala glavna tehnologija uporabe biološke proizvodnje vodika.
Če povzamemo, je proizvodnja vodika iz biomase na splošno še vedno v zgodnjih fazah, nekatere komercialne predstavitve pa so še vedno osredotočene na majhne in pilotne faze. Njegovi scenariji uporabe so predvsem kot industrijske surovine za gorivo. To področje se lahko osredotoči na: proizvodnjo vodika z biološko fermentacijo. Ključne povezave vključujejo gojenje, transformacijo in pripravo visoko zmogljivih bakterij, ki proizvajajo vodik, metodo proizvodnje vodika s sklopljeno fermentacijo svetlo-temno, predobdelavo surovin za proizvodnjo biološkega vodika in procesno opremo za ločevanje vodika.
sorodni izdelki v ehisen
