Quali sono i modi per produrre idrogeno?
Attualmente, i metodi di produzione dell'idrogeno sono principalmente i seguenti:
Produzione di idrogeno da combustibili fossili: includendo principalmente la produzione di idrogeno dal gas naturale e la produzione di idrogeno dal carbone. La produzione di idrogeno dal gas naturale è attualmente il metodo più importante per la produzione di idrogeno, utilizzando principalmente il metodo di reforming a vapore del metano. Sebbene il costo di produzione di idrogeno dal carbone sia basso, non è ecologico.
Produzione industriale di idrogeno come sottoprodotto:Utilizzando sottoprodotti prodotti nel processo di produzione industriale per produrre idrogeno, il costo è basso. Include principalmente la produzione di idrogeno da gas di forno a coke e idrogeno prodotto dall'industria dei cloro-alcali.
Produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua:L'idrogeno viene prodotto tramite elettrolisi dell'acqua. Il prodotto ha un'elevata purezza e non inquina. È una direzione chiave per lo sviluppo futuro. Tuttavia, il costo attuale è relativamente alto e deve essere ulteriormente ridotto.
Basso consumo energetico e maggiore efficienza.
Produzione di idrogeno da biomassa:L'impiego di materiali di biomassa per produrre idrogeno attraverso processi biologici o termochimici non è ancora del tutto maturo.
Fotolisi dell'acqua per produrre idrogeno:La tecnologia che sfrutta l'energia solare per scindere direttamente l'acqua e produrre idrogeno è ancora in fase di ricerca e sviluppo.
Dal punto di vista economico e della maturità tecnologica, la produzione di idrogeno da gas naturale e idrogeno da sottoprodotto industriale attualmente domina. Ma a lungo termine, la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua è considerata una direzione chiave per lo sviluppo futuro grazie alle sue caratteristiche pulite e rispettose dell'ambiente. Con il progresso tecnologico e la riduzione dei costi, si prevede che la produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua inaugurerà importanti opportunità di sviluppo nei prossimi 3-5 anni.
Cosa sono l'idrogeno verde, l'idrogeno blu e l'idrogeno grigio?
A seconda del metodo di produzione dell'idrogeno e del grado di emissioni di carbonio, l'idrogeno può essere suddiviso in tre tipi: idrogeno grigio, idrogeno blu e idrogeno verde:
Idrogeno grigio:
L'idrogeno grigio è idrogeno prodotto da combustibili fossili (come gas naturale, carbone, petrolio, ecc.). Questo è attualmente il metodo più importante di produzione di idrogeno, rappresentando circa il 95% della produzione globale di idrogeno. I costi di produzione dell'idrogeno grigio sono inferiori, ma le emissioni di carbonio sono elevate e hanno un impatto maggiore sull'ambiente.
Idrogeno blu:
L'idrogeno blu è prodotto anche da combustibili fossili (principalmente gas naturale), ma utilizza la tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) nel processo di produzione. Questo metodo può ridurre significativamente le emissioni di carbonio, ma il costo di cattura è elevato. L'idrogeno blu è considerato un prodotto intermedio nella transizione dall'idrogeno grigio all'idrogeno verde.
Idrogeno verde:
L'idrogeno verde è idrogeno prodotto tramite elettrolisi dell'acqua utilizzando fonti di energia rinnovabili (come energia solare, energia eolica, ecc.). Questo metodo non produce quasi nessuna emissione di carbonio durante l'intero processo di produzione ed è il modo più pulito per produrre idrogeno. Attualmente, il costo dell'idrogeno verde è relativamente alto, ma con la diminuzione del costo dell'energia rinnovabile e l'avanzamento della tecnologia dell'elettrolisi, si prevede che la sua economia continuerà a migliorare.
Attualmente, i metodi per produrre idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua sono principalmente i seguenti:
ALK è l'elettrolisi dell'acqua alcalina
ALK è l'elettrolisi dell'acqua alcalina,spesso anche chiamata AWE (elettrolisi dell'acqua alcalina). Questa è una tecnologia tradizionale e matura per l'elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno. Le seguenti sono le caratteristiche principali di ALK/AWE:
principio di funzionamento:
In un elettrolita alcalino (solitamente una soluzione al 20%-30% di KOH o NaOH), l'idrogeno viene generato riducendo l'acqua al catodo tramite corrente continua, mentre l'ossigeno viene generato ossidando l'acqua all'anodo.
01
Componenti principali:
Elettrodo: Solitamente vengono utilizzate leghe metalliche come nichel e molibdeno
Diaframma: realizzato in materiali porosi come amianto, ceramica, nylon, ecc.
Elettrolita: soluzione alcalina di KOH o NaOH
02
Condizioni di lavoro:
Temperatura di elettrolisi: 70-90 gradi
Pressione di elettrolisi: 1-3 MPa
03
vantaggio:
Tecnologia matura, la prima a raggiungere l'applicazione industriale
La struttura del sistema è semplice e facile da usare
Bassi requisiti sulla qualità dell'acqua delle materie prime
Lunga durata dell'attrezzatura, fino a 10-20 anni o più
Costi più bassi e buona economia
04
difetto:
La densità di corrente è relativamente bassa
Scarsa risposta dinamica
C'è un problema di gas incrociato nel diaframma
La liscivia è corrosiva
05
Elettrolisi a membrana a scambio protonico (PEM):
Utilizzando una membrana elettrolitica polimerica solida, non è richiesto alcun elettrolita liquido. Al catodo, i protoni (H+) si combinano con gli elettroni per formare gas idrogeno; all'anodo, l'acqua si decompone per formare ossigeno e protoni. PEM ha i vantaggi di un'elevata densità di corrente e di un avvio rapido.
principio di funzionamento:
Utilizzando una membrana elettrolitica polimerica solida, non è richiesto alcun elettrolita liquido. Al catodo, i protoni (H+) si combinano con gli elettroni per formare gas idrogeno; all'anodo, l'acqua si decompone per formare ossigeno e protoni. I protoni vengono trasportati attraverso la membrana al catodo.
01
Componenti principali:
Elettrodo: Solitamente vengono utilizzati catalizzatori di metalli nobili, come platino e iridio
Membrana elettrolitica: membrana di acido perfluorosolfonico comunemente utilizzata (come la membrana Nafion)
Piastre bipolari: utilizzate per separare le celle unitarie e condurre la corrente
02
Condizioni di lavoro:
Temperatura: 50-80 grado
Pressione: fino a decine di atmosfere
03
vantaggio:
Elevata densità di corrente, fino a 2 A/cm² o più
Si avvia rapidamente e risponde rapidamente
Il sistema è compatto e occupa una piccola area
La purezza dell'idrogeno prodotto è elevata, fino al 99,999%
Può funzionare ad alta pressione per ridurre i costi di compressione successivi
04
difetto:
Costi più elevati, in particolare per i catalizzatori di metalli preziosi e le membrane a scambio protonico
Gli elevati requisiti di qualità dell'acqua richiedono l'uso di acqua ultrapura
La durata della vita è relativamente breve, solitamente 20,000-50,000 ore
05
tendenza di sviluppo:
Gli obiettivi della ricerca includono lo sviluppo di catalizzatori a basso costo, il miglioramento delle prestazioni e della durata delle membrane e l'ottimizzazione della progettazione del sistema per ridurre i costi.
La tecnologia PEM è particolarmente adatta all'uso con fonti di energia rinnovabili ad alta volatilità grazie alla sua elevata efficienza e alla risposta rapida. Con il progresso tecnologico e la riduzione dei costi, si prevede che la PEM sarà utilizzata più ampiamente nei prossimi 5-10 anni, specialmente nei settori della produzione di idrogeno distribuito e della produzione di idrogeno da energia rinnovabile.
Elettrolisi a membrana a scambio anionico (AEM):
La struttura è simile al PEM, ma utilizza una membrana a scambio anionico. Il vantaggio è che possono essere utilizzati catalizzatori non metallici nobili, il che dovrebbe ridurre i costi. La tecnologia è ancora in fase di ricerca e sviluppo.
principio di funzionamento:
Utilizzando una membrana a scambio anionico come elettrolita, gli ioni OH- vengono trasportati dal catodo attraverso la membrana all'anodo. Al catodo, l'acqua si decompone per produrre idrogeno e OH-; all'anodo, OH- viene ossidato per produrre ossigeno e acqua.
01
Componenti principali:
Elettrodo: possono essere utilizzati catalizzatori di metalli non nobili, come materiali a base di nichel e cobalto
Membrana elettrolitica: membrana a scambio anionico, solitamente composta da uno scheletro polimerico e gruppi funzionali caricati positivamente
Elettrolita: acqua pura o soluzione alcalina debole
02
Condizioni di lavoro:
Temperatura: in genere nell'intervallo 50-70 gradi
Pressione: può funzionare a pressione normale o leggermente pressurizzata
03
vantaggio:
I catalizzatori di metalli non preziosi possono essere utilizzati per ridurre i costi
La densità di corrente è più alta, tra AWE e PEM
Sistema semplice, non richiede un complesso sistema di trattamento dell'acqua
Rispettoso dell'ambiente, utilizzare acqua pura o una soluzione debolmente alcalina
04
difetto:
La tecnologia è relativamente nuova e non è ancora stata commercializzata su larga scala
La stabilità e la durata delle membrane a scambio anionico devono essere ulteriormente migliorate
La conduttività ionica è relativamente bassa
05
tendenza di sviluppo:
Gli obiettivi della ricerca includono lo sviluppo di membrane a scambio anionico ad alte prestazioni e alta stabilità e di catalizzatori efficienti.
Elettrolisi di ossido solido ad alta temperatura (SOE):
Eseguire l'elettrolisi ad alte temperature (700-900 gradi) può ridurre l'energia elettrica richiesta per l'elettrolisi. Tuttavia, questa tecnologia è ancora in fase di dimostrazione e non ha ancora raggiunto una commercializzazione su larga scala.
principio di funzionamento:
Ad alte temperature (700-900 gradi), il vapore acqueo viene ridotto al catodo per generare ioni idrogeno e ossigeno. Gli ioni ossigeno vengono trasportati attraverso l'elettrolita di ossido solido all'anodo, dove vengono ossidati per generare ossigeno.
01
Componenti principali:
Elettrodi: di solito utilizzano materiali a base di nichel come catodo e ossido di manganese e stronzio a base di cobalto o lantanio come anodo
Elettrolita: materiale ceramico di ossido solido, come zirconia drogata con ittrio (YSZ)
Scheda di interconnessione: solitamente utilizzando materiali in lega resistenti alle alte temperature
02
Condizioni di lavoro:
Temperatura: 700-900 grado
Pressione: può funzionare in condizioni di pressione normale o pressurizzata
03
vantaggio:
Elevata efficienza di elettrolisi, l'efficienza teorica può raggiungere il 100%
Fonti di calore ad alta temperatura come il calore di scarto industriale o l'energia nucleare possono essere utilizzate per ridurre il consumo di elettricità
Funzionamento reversibile, può produrre idrogeno e generare elettricità (modalità cella a combustibile a ossidi solidi)
Non sono necessari catalizzatori di metalli preziosi, riducendo i costi
04
difetto:
Il funzionamento ad alta temperatura impone requisiti elevati ai materiali e si verificano problemi di cicli termici e stress termico.
Tempo di avviamento lungo, non adatto per partenze e arresti frequenti
La tecnologia non è ancora completamente matura ed è ancora in fase di dimostrazione
05
tendenza di sviluppo:
Gli obiettivi della ricerca includono lo sviluppo di materiali per elettrodi ed elettroliti resistenti alle alte temperature e di lunga durata, nonché l'ottimizzazione della progettazione del sistema per migliorare l'efficienza e ridurre i costi.
La tecnologia SOE è considerata una promettente tecnologia di produzione di idrogeno grazie alla sua elevata efficienza e all'utilizzo di fonti di calore ad alta temperatura. È particolarmente adatta per l'uso in combinazione con fonti di calore ad alta temperatura come l'energia nucleare e la generazione di energia solare termica. Con l'avanzamento della scienza dei materiali e della tecnologia di integrazione dei sistemi, si prevede che SOE raggiungerà un'applicazione commerciale nei prossimi 10-15 anni, offrendo nuove possibilità per la produzione di idrogeno verde su larga scala e ad alta efficienza.
Tra questi metodi, AWE e PEM sono attualmente le due tecnologie più ampiamente utilizzate. AWE occupa una posizione dominante grazie al suo basso costo e alla tecnologia matura, ed è particolarmente adatta per la produzione di idrogeno su larga scala. PEM è più adatta per l'uso con fonti di energia rinnovabile con maggiore volatilità grazie alla sua elevata efficienza e alla risposta rapida. Con il progresso tecnologico, si prevede che PEM sarà più ampiamente utilizzata nei prossimi 5-10 anni.
Il costo dei diversi metodi di produzione dell'idrogeno
I diversi metodi di preparazione dell'idrogeno verde si riferiscono principalmente all'uso di energia rinnovabile per elettrolizzare l'acqua per produrre idrogeno. Il costo è il seguente:
Produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore alcalino:
Il costo è di circa US$3-6/kg. Questa è attualmente la tecnologia di produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua più matura e ampiamente utilizzata.
Produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore a membrana a scambio protonico (PEM):
Il costo è di circa US$4-8/kg. Rispetto agli elettrolizzatori alcalini, gli elettrolizzatori PEM sono più efficienti, ma il costo è anche leggermente più alto.
Produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore ad ossido solido (SOEC):
Il costo è di circa US$5-9/kg. La tecnologia SOEC è ancora in fase di sviluppo e attualmente ha costi relativamente elevati.
Con il progresso tecnologico e l'espansione della scala, si prevede che il costo della preparazione dell'idrogeno verde sarà ulteriormente ridotto. Si prevede che il costo della produzione di idrogeno dall'elettrolisi dell'acqua da energia rinnovabile scenderà a circa US$2-3/kg in futuro, rendendolo competitivo in termini di costi con la produzione di idrogeno da combustibili fossili.
È opportuno notare che il costo specifico dell'idrogeno verde è influenzato anche da fattori quali i costi dell'energia rinnovabile e l'utilizzo delle apparecchiature, e può variare a seconda delle regioni e degli scenari applicativi.
|
Processo di preparazione dell'idrogeno |
materie prime |
Maturità tecnologica |
Efficienza di conversione energetica (%) |
Costo (yuan/kg) |
Emissioni di CO2 (per chilogrammo di idrogeno) |
|
|
Produzione di idrogeno da energia fossile |
Gassificazione del carbone per produrre idrogeno |
carbone |
Maturo |
47 |
6-10 |
11-25 |
|
Gassificazione del carbone + CCS |
carbone |
Completati i test su scala pilota |
- |
12-16 |
2-7 |
|
|
Gassificazione dell'acqua supercritica del carbone |
carbone, acqua |
Completati i test su scala pilota |
60 |
8 |
0 |
|
|
Reforming a vapore del CH4 (SMR) |
Metano |
Maturo |
- |
9-18 |
8-16 |
|
|
Produzione di idrogeno da sottoprodotto industriale |
sottoprodotti industriali |
Maturo |
- |
10-16 |
- |
|
|
Elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno |
Energia tradizionale elettrolisi acqua AEL |
acqua |
Maturo |
circa 25 |
30-40 |
45 |
|
Acqua elettrolizzata da energia rinnovabile AEL |
acqua |
Maturo |
circa 25 |
18-23 |
1-3 |
|
|
Energia rinnovabile acqua elettrolizzata PEMEL |
acqua |
Relativamente maturo e prossimo all'industrializzazione |
circa 35 |
<62 |
1-3 |
|
|
Energia rinnovabile acqua elettrolizzata SOEL |
acqua |
Progetto dimostrativo |
52-59 |
- |
1-3 |
|
|
Energia rinnovabile rifiuti elettricità elettrolisi acqua |
acqua |
Progetto dimostrativo |
- |
10 |
1-3 |
|
|
Altre nuove tecnologie |
Produzione di idrogeno tramite fotolisi solare |
acqua |
fase di laboratorio |
<10 |
- |
0 |
|
Fermentazione della biomassa per produrre idrogeno |
biomass |
Progetto dimostrativo |
10-40 |
- |
0 |
|
|
Conversione termochimica della biomassa in idrogeno |
biomass |
Maturo |
35-50 |
16 |
0.4-5.6 |
|
|
Produzione di idrogeno tramite ciclo termochimico |
acqua |
fase di laboratorio |
Circa38 |
18 |
0.3-0.86 |
|
L'energia dell'idrogeno avrà un ruolo chiave nella futura struttura energetica. Con lo sviluppo della tecnologia di produzione di idrogeno elettrolitico e la riduzione dei costi, l'energia dell'idrogeno sarà combinata con l'energia rinnovabile per migliorare la stabilità e l'affidabilità del sistema energetico, promuovere la trasformazione energetica nei trasporti, nell'industria, nella produzione di energia e in altri campi e raggiungere uno sviluppo sostenibile. Per la gente comune, la diffusione dell'energia dell'idrogeno può non solo ridurre l'inquinamento e migliorare la qualità dell'aria, ma anche fornire energia domestica stabile e pulita e portare nuove opportunità di lavoro e punti di crescita economica, migliorando così il benessere generale della società e creando un futuro migliore per il mondo.