(1) Concetto e definizione di produzione di idrogeno da biomassa
La produzione di idrogeno da biomassa si riferisce principalmente all'uso della gassificazione o della deossigenazione catalitica microbica per produrre gas di sintesi contenente idrogeno dopo che la biomassa è stata sottoposta a diversi pretrattamenti. Le risorse di biomassa disponibili annualmente in Cina ammontano a circa 3,5 miliardi di tonnellate, le cui fonti principali sono colture energetiche, residui di rifiuti agricoli, residui di rifiuti forestali e rifiuti solidi industriali e urbani. L'uso di materie prime di biomassa per produrre idrogeno è un metodo che si adatta alle condizioni nazionali della Cina e ha un buon percorso tecnologico di produzione di idrogeno con promettenti prospettive di sviluppo. Poiché la materia prima in alcuni scenari è biomassa contenente carbonio, questo percorso è anche considerato un percorso di produzione di idrogeno "carbon-negative" e l'idrogeno prodotto da questo percorso è anche chiamato "idrogeno smeraldo" o "idrogeno super verde".
(2) Percorso tecnico per la produzione di idrogeno da biomassa
La tecnologia di produzione di idrogeno da biomassa può essere principalmente suddivisa in due percorsi principali: produzione di idrogeno termochimico e produzione di idrogeno biologico. La produzione di idrogeno termochimico può essere suddivisa in tre percorsi tecnici suddivisi: vaporizzazione a vapore, vaporizzazione ad acqua supercritica e cracking e reforming termico della biomassa; la produzione di idrogeno biologico è anche chiamata metodo di degradazione microbica e produzione di idrogeno da fermentazione della biomassa, inclusa la fotolisi diretta/indiretta Esistono vari percorsi suddivisi come fotolisi, fermentazione leggera, fermentazione oscura, fermentazione accoppiata luce-oscurità, biotrasformazione enzimatica senza cellule, ecc.
Percorso tecnologico 1: Metodo termochimico
Si riferisce al metodo di conversione della biomassa in gas combustibile ricco di idrogeno tramite trattamento termochimico e quindi ottenimento di idrogeno puro tramite separazione. Questo metodo può produrre idrogeno direttamente da materie prime di biomassa o da prodotti intermedi di depolimerizzazione della biomassa (come metanolo, etanolo). In base a diversi processi specifici, può essere ulteriormente suddiviso in tecnologia di gassificazione a vapore, tecnologia di gassificazione ad acqua supercritica e tecnologia di reforming della pirolisi della biomassa:
Tecnologia di gassificazione a vapore: La tecnologia di produzione di idrogeno tramite gassificazione a vapore seleziona il vapore come agente di gassificazione. Lo scopo del trattamento di gassificazione delle materie prime di biomassa è quello di rimuovere componenti non infiammabili come azoto e acqua per aumentare il potere calorifico del combustibile. Allo stesso tempo, la rimozione di zolfo e azoto può impedire ai loro prodotti di entrare nell'atmosfera e ridurre il rapporto di massa degli elementi idrocarburici; questo metodo può generalmente ottenere il volume Lo svantaggio dell'utilizzo di idrogeno dal 40% al 60% e gas di sintesi ad alto potere calorifico è che il catrame viene prodotto come sottoprodotto. Pertanto, l'esplorazione di catalizzatori convenienti per aumentare la produzione di idrogeno, ridurre la temperatura di gassificazione, promuovere la rottura del catrame e sviluppare una tecnologia di trattamento del catrame verde, riformare il catrame in preziosi sistemi di separazione del gas di sintesi e dell'idrogeno sono attualmente le ulteriori applicazioni di questa tecnologia.
Tecnologia di reforming tramite cracking termico:Il principio di questa tecnologia è quello di riscaldare indirettamente la biomassa a 350-600 gradi e isolare aria e ossigeno (o ossigeno limitato), in modo che possa essere pirolizzata e convertita in biotar, coke e gas. Gli idrocarburi vengono ulteriormente craccati cataliticamente per ottenere gas ricco di idrogeno e il gas viene separato per ottenere idrogeno. Con la premessa di utilizzare un catalizzatore, la frazione di volume di idrogeno nel gas di pirolisi può raggiungere il 30%-50%. Tuttavia, il catrame prodotto durante il processo di pirolisi corroderà apparecchiature e condotte, causando una diminuzione dell'efficienza di produzione dell'idrogeno. I prossimi passaggi chiave al momento sono lo sviluppo di nuovi catalizzatori economici, la ricerca e lo sviluppo di processi di rimozione del catrame a basso costo, processi di separazione dell'idrogeno, ecc.
Vaporizzazione dell'acqua supercritica: si riferisce alla decomposizione della biomassa in acqua supercritica per produrre H2, CO, CO2, CH4 e altri gas tramite pirolisi, idrolisi, condensazione e deidrogenazione. La tecnologia di produzione di idrogeno mediante vaporizzazione di acqua supercritica da biomassa ha un consumo energetico relativamente elevato. Grande, la produzione di sottoprodotti di catrame e altri problemi. Sebbene il prezzo delle materie prime di questa tecnologia sia basso, il costo operativo e l'investimento iniziale del sistema di acqua supercritica sono elevati e non ci sono progetti dimostrativi su larga scala, quindi non può essere promosso per uso commerciale a breve termine.
Percorso tecnologico 2: Metodo biologico
I metodi biologici possono essere suddivisi in fotolisi diretta, fotolisi indiretta, fermentazione leggera, fermentazione scura, fermentazione accoppiata luce-scuro, conversione enzimatica senza cellule e altri percorsi suddivisi; diversi percorsi tecnici hanno i loro vantaggi e svantaggi, tra cui la fermentazione accoppiata luce-oscurità può non solo ridurre la domanda di energia luminosa in una certa misura, ma anche aumentare significativamente la produzione di idrogeno. È la principale direzione di sviluppo della produzione di idrogeno biologico al momento.
(3) Progressi nella produzione di idrogeno da biomassa in patria e all'estero
Rappresentante estero - Regno Unito:
All'inizio del 2023, il Dipartimento britannico per le imprese, l'energia e la strategia industriale (BEIS) ha annunciato che avrebbe investito 30 milioni di sterline per supportare l'innovazione nella tecnologia di produzione di idrogeno da biomassa. Indicazioni specifiche di finanziamento:
Pretrattamento delle materie prime: sviluppare una tecnologia di pretrattamento delle materie prime a basso costo, a risparmio energetico ed efficiente per ottimizzare la biomassa e le materie prime di scarto. Inclusa la tecnologia di granulazione, la tecnologia di selezione meccanica, la tecnologia di trattamento termico e calcinazione, ecc.;
Ricerca e sviluppo di tecnologie avanzate di gassificazione e dei suoi componenti: concentrarsi sul miglioramento della qualità del syngas e sul miglioramento dell'efficienza della produzione di idrogeno. Incluse tecnologie di monitoraggio in tempo reale, tecnologie di rimozione fisica, tecnologie di rimozione chimica, tecnologie di rimozione catalitica e termica del catrame, tecnologie di adsorbimento a pressione oscillante del gas di sintesi, tecnologie di integrazione del gassificatore, ecc.;
Nuova tecnologia di produzione di idrogeno da biomassa: concentrarsi sullo sviluppo di una nuova tecnologia di produzione di idrogeno da biomassa che possa essere combinata con la cattura del carbonio. Inclusa la tecnologia di produzione di idrogeno da fermentazione anaerobica, la tecnologia di produzione di idrogeno da fotofermentazione, la tecnologia di trattamento delle acque reflue, la tecnologia di produzione di idrogeno da reforming del metano, la tecnologia di pirolisi, ecc.;
Cina:
Produzione di idrogeno biologico - è già stata in fase di laboratorio; all'inizio del 2023, è stato lanciato ad Harbin il primo progetto integrato di produzione di idrogeno biologico e generazione di energia del paese (utilizzando la tecnologia di produzione di idrogeno dalla fermentazione di rifiuti di biomassa, utilizzando paglia di rifiuti agricoli, rifiuti di giardinaggio, rifiuti alimentari, acque reflue organiche altamente concentrate, ecc. vengono utilizzati come substrati di fermentazione e ceppi efficienti di produzione di idrogeno anaerobico vengono utilizzati come produttori di idrogeno per elaborare i rifiuti recuperando una grande quantità di idrogeno energetico pulito. La tecnologia proviene dal team dell'accademico Ren Nanqi dell'Harbin Institute of Technology).
Produzione di idrogeno termochimico - utilizzata principalmente per biomassa o rifiuti con basso contenuto di acqua, come rifiuti urbani e rifiuti solidi industriali contenenti più cartone, plastica e altre sostanze. Le aziende nazionali come Dongfang Boiler, Datang Group e altre aziende energetiche tradizionali stanno implementando la gassificazione per pirolisi per produrre idrogeno. Tuttavia, a causa della complessità del processo di trattamento del gas, attualmente non esiste in Cina un progetto operativo commerciale maturo in questa direzione. Jiman Technology, nata dall'Accademia cinese delle scienze, sta attualmente promuovendo la costruzione di progetti dimostrativi su piccola scala e su scala pilota.
(4) Principali punti di vista e conclusioni sulla produzione di idrogeno da biomassa:
La produzione di idrogeno da biomassa può utilizzare efficacemente rifiuti industriali, agricoli e urbani, ma il luogo di costruzione è limitato dall'area di fornitura delle materie prime ed è un percorso di produzione di idrogeno distribuito; il suo prodotto diretto è gas di sintesi contenente idrogeno, che conterrà impurità come CO, H2S e catrame. Il gas deve essere ulteriormente separato per ottenere idrogeno prima di poter essere utilizzato, il che è più adatto come combustibile o materia prima industriale.
Metodo termochimico: il tasso di conversione è rapido, ma richiede attrezzature, catalizzatori, ecc. di grandi dimensioni e la separazione del gas è difficile; possiamo concentrarci su direzioni di innovazione chiave come nuovi catalizzatori, reforming e utilizzo del catrame e processi e attrezzature per la separazione del gas.
Metodo biologico: alta resa, basso costo, ma molte impurità; tra queste, la produzione di idrogeno tramite fermentazione accoppiata luce-oscurità ha l'efficienza di produzione di idrogeno più rapida e il più alto tasso di utilizzo del substrato e si prevede che diventerà la tecnologia applicativa principale della produzione di idrogeno biologico in futuro.
In sintesi, la produzione di idrogeno da biomassa è generalmente ancora nelle sue fasi iniziali e alcune dimostrazioni commerciali sono ancora concentrate nelle fasi su piccola scala e pilota. I suoi scenari applicativi sono principalmente come materie prime per combustibili industriali. Questo campo può concentrarsi su: produzione di idrogeno da fermentazione biologica. I collegamenti chiave includono la coltivazione, la trasformazione e la preparazione di batteri produttori di idrogeno ad alte prestazioni, il metodo di produzione di idrogeno da fermentazione accoppiata luce-buio, il pretrattamento delle materie prime per la produzione di idrogeno biologico e le apparecchiature per il processo di separazione dell'idrogeno.
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