Com apoio em larga escala e subsídios, acredita-se que o tempo comercial da energia de hidrogênio será mais cedo do que o esperado.
Em 23 de março, a administração nacional de energia e a Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma emitiram conjuntamente o plano de médio e longo prazo para o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio (20212035). Propõe-se claramente que a energia de hidrogênio é uma parte importante do futuro sistema energético nacional, dê pleno jogo às características limpas e de baixo carbono da energia de hidrogênio, realize a transformação verde e de baixo carbono e tome a indústria de energia de hidrogênio como uma indústria emergente estratégica e uma indústria chave no futuro.
Além disso, o plano apresenta os objetivos de várias etapas do desenvolvimento da indústria de energia de hidrogênio: até 2025, vamos basicamente dominar a tecnologia central e processo de fabricação, ter cerca de 50000 veículos de células de combustível, implantar e construir uma série de estações de abastecimento de hidrogênio, produzir 1 China Vanke Co.Ltd(000002) 00000 toneladas de hidrogênio a partir de energia renovável e reduzir as emissões de dióxido de carbono em 1-2 milhão de toneladas / ano.
Até 2030, um sistema de inovação tecnológica relativamente completo para a indústria de energia de hidrogênio e um sistema de produção e fornecimento de hidrogênio de energia limpa serão formados para apoiar efetivamente a realização da meta de pico de carbono. Até 2035, uma ecologia de aplicação diversificada da energia de hidrogênio será formada, e a proporção da produção de hidrogênio a partir de energia renovável no consumo de energia terminal aumentará significativamente.
Estimulado por esta boa notícia, as ações conceituais de energia hidrogênio iniciaram uma maré de negociação no mercado secundário.
Amigos que sabem algo sobre a indústria devem saber que, desde que a indústria de energia de hidrogênio foi incorporada à estratégia energética nacional em 2016, a indústria de energia de hidrogênio da China desenvolveu-se rapidamente, começou a tomar forma em todos os elos da cadeia industrial, completou o processo de 0-1 e está se movendo em direção à estrada de 1-n.
De acordo com a previsão da aliança de energia de hidrogênio da China, o valor de saída da indústria de energia de hidrogênio da China atingirá 1 trilhão de yuans de 2020 a 2025 e 5 trilhões de yuans de 2026 a 2035. Pode-se dizer que a perspectiva futura da energia hidrogênio é o mar de estrelas.
É claro que, nesta fase, ainda existem muitas tecnologias que precisam ser abordadas em vários elos técnicos da cadeia industrial, como armazenamento e transporte de hidrogênio líquido, garrafas de armazenamento de hidrogênio tipo IV, grandes estações de hidrogenação, custos de reatores elétricos, etc.
Além destes problemas, há um outro problema: se não for resolvido, é impossível promover a indústria energética do hidrogénio.
Este elo é a primeira porta importante para promover o processo da indústria de energia de hidrogênio – produção de hidrogênioP align = “center” 01 p align = “center” O hidrogênio verde é necessário para a remoção profunda do pneu
Com a popularização gradual do conhecimento da energia do hidrogênio, as pessoas geralmente aceitam as vantagens da combustão de alta eficiência e livre de carbono da energia do hidrogênio e entendem a cadeia industrial da energia do hidrogênio.
De fato, em termos de eficiência energética, o valor calorífico do hidrogênio é de cerca de 140mj / kg, o que é mais de três vezes o dos combustíveis tradicionais, como carvão e gasolina.
Em termos de reservas, o hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, representando cerca de 75% da massa do universo. Os ricos recursos hídricos da Terra contêm uma grande quantidade de energia hidrogênio que pode ser desenvolvida. No futuro, será uma das fontes de energia mais convenientes e de menor custo.
Pelo contrário, o custo de materiais metálicos de baterias de lítio, como lítio e cobalto, representa uma grande proporção do custo total das baterias, que é relativamente escasso e caro.
Um grande número de lítio, cobalto, níquel e outros materiais metálicos são usados no processo de produção de baterias. No processo de produção, a mineração, produção e processamento de materiais metálicos produzirá uma grande quantidade de consumo de energia e emissão de carbono, que pertence à indústria de fundição e química.
O produto da combustão direta de hidrogênio ou geração de energia através de células a combustível é a água, que pode atingir emissões reais zero de carbono e não causa nenhuma poluição ao meio ambiente. Portanto, a energia de hidrogênio é chamada de energia final.
De acordo com a ordem da cadeia industrial de cima para baixo, a cadeia industrial de energia de hidrogênio pode ser dividida em três seções: a montante é a produção e fornecimento de hidrogênio; O midstream é a célula de combustível e seus componentes principais, enquanto seu downstream é a aplicação de célula de combustível.
Actualmente, existem três vias técnicas maduras para a produção de hidrogénio: em primeiro lugar, a produção de hidrogénio através da reforma da energia fóssil representada pelo carvão e pelo gás natural, vulgarmente conhecido como hidrogénio azul; Em segundo lugar, a produção de hidrogénio a partir de gás subproduto industrial representado por gás de coque, gás de caudal alcalino clorado e desidrogenação de propano, comumente conhecido como hidrogénio cinzento; O terceiro é a produção de hidrogênio eletrolisando água, comumente conhecido como hidrogênio verde.
A produção de hidrogênio a partir de energia fóssil é a principal forma de produção de hidrogênio na China, enquanto a produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica baseada em energia renovável tem a menor emissão de carbono.
As duas primeiras tecnologias para a produção de hidrogênio não podem se livrar do consumo de energia tradicional, embora a tecnologia de captura e armazenamento de carbono (CCS) possa efetivamente reduzir as emissões de carbono geradas no processo de produção de hidrogênio a partir de energia fóssil. No entanto, a longo prazo, apenas o “hidrogênio verde” preparado a partir de energia renovável água eletrolítica pode alcançar emissão zero de carbono real.
A China é o maior produtor mundial de hidrogênio, com uma produção anual de hidrogênio de cerca de 33 milhões de toneladas, das quais cerca de 12 milhões de toneladas podem atender ao padrão de qualidade industrial de hidrogênio. A capacidade instalada de energia renovável ocupa o primeiro lugar do mundo e tem grande potencial no fornecimento de energia limpa e de baixo carbono com hidrogênio.
No futuro, a abundante energia renovável pode ser transformada em hidrogênio verde através da água eletrolítica, de modo a fornecer matérias-primas verdes limpas e ambientalmente amigáveis e combustíveis para departamentos de alta emissão, como construção, transporte e indústria, de modo a reduzir o uso de energia fóssil e efetivamente reduzir as emissões de carbono.
Portanto, a produção em larga escala de hidrogênio verde no futuro é a principal tarefa para a indústria de energia de hidrogênio alcançar descarbonização profunda.
No entanto, os progressos reais têm sido dificultados e prolongados. De acordo com o cálculo de Irena, apenas 4% do hidrogênio do mundo vem da água eletrolítica para produzir hidrogênio, e o resto vem do carvão, gás natural e refino de petróleo.
A razão para o fracasso da promoção em larga escala é o custo. O custo da produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica é muito maior do que o da energia fóssil.
No entanto, com a redução adicional de custos de energia fotovoltaica e eólica, até 2030, o custo por quilowatt-hora de algumas regiões vantajosas de recursos renováveis na China atingirá 0,1-0,15 yuan / kWh, e o custo do hidrogênio verde cairá gradualmente para cerca de 14 yuan / kg, realizando paridade com hidrogênio cinza.
O hidrogênio verde com propriedade de descarburização profunda é, sem dúvida, uma escolha melhor, e a expansão comercial em larga escala seguiráP align = “center” 02 p align = “center” PEM electrolytic water technology
O princípio básico da produção de água por eletrólise é que o hidrogênio pode ser separado da água sólida (AEE), membrana de troca aniônica (PEM) e água eletrolisada (água eletrolisada) por eletrólise, que pode ser dividido em quatro processos básicos: água eletrolisada (água eletrolisada), membrana de troca aniônica (água eletrolisada) e água eletrolisada (água eletrolisada).
Atualmente, o grau de industrialização da eletrólise alcalina da água e do PEM é relativamente alto.
A tecnologia de água eletrolítica alcalina é a mais madura, usando solução aquosa de hidróxido de potássio como eletrólito e amianto como diafragma para separar a água para produzir hidrogênio e oxigênio.
Porque é alcalino, eletrocatalisador de metal não nobre pode ser usado, então o custo da célula eletrolítica é baixo; No entanto, é difícil iniciar e mudar a carga rapidamente, e a velocidade de produção de hidrogênio não pode ser ajustada rapidamente, por isso tem baixa adaptabilidade à energia renovável.
Do ponto de vista técnico, a tecnologia de água eletrolítica PEM tem vantagens únicas. Muitos novos projetos começaram a escolher a tecnologia eletrolítica PEM, e começaram a ganhar mais participação de mercado nos últimos anos.
Comparado com a tecnologia eletrolítica alcalina da água, a eletrólise PEM adota a eletrólise pura da água, que não tem poluição e corrosão; Em segundo lugar, a membrana de troca de prótons tem maior condutividade de prótons, e a corrente de trabalho da célula eletrolítica pode ser significativamente melhorada, de modo a melhorar a eficiência eletrolítica.
Ao mesmo tempo, a tecnologia de água eletrolisada PEM pode fornecer uma faixa de carga mais ampla e um tempo de partida de resposta mais curto.
Nos últimos anos, a promoção da tecnologia de água eletrolítica PEM foi gradualmente acelerada.
Em 2015, a Siemens e a Linde gás construíram a maior planta de eletrólise PEM do mundo no parque energético de Mainz, Alemanha, com uma potência instalada nominal de 6 MW. Desde então, o número e a escala instalada de projetos de eletrólise PEM também têm aumentado. Em 2020, a Air France concluiu a construção do projeto de água eletrolítica PEM de 20 MW em becancour, Canadá.
Na China, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences e 718 Research Institute of China grupo da indústria de construção naval estão realizando a pesquisa e fabricação de equipamentos de produção de hidrogênio de água pura PEM.
Sinopec, Sany, Longji e Sungrow Power Supply Co.Ltd(300274) e outros novos concorrentes chineses prestam mais atenção à eletrólise de água PEM para a produção de hidrogênio.
Em 4 de março de 2021, Shanghai Electric Group Company Limited(601727) grupo de usina de energia e Dalian Institute of Chemical Physics, Academia Chinesa de Ciências assinaram oficialmente o “acordo de cooperação em megawatts modular e de alta eficiência PEM eletrolítico de água equipamentos de produção e projeto de desenvolvimento de sistemas”.
Em 18 de março de 2021, Sungrow Power Supply Co.Ltd(300274) heavyweight lançou “sep50” PEM electrolyzer. Entende-se que a potência de célula única deste produto é 250KW, que é a célula eletrolítica PEM com a maior potência de célula única na China atualmente, e é também a primeira célula eletrolítica PEM quadrada padrão 50 produzida em massa na China.
Cummins ganhou o lance para China Petroleum & Chemical Corporation(600028) o primeiro projeto de 2.5mwpem.
Em 15 de janeiro de 2022, Longpan empresa de energia de hidrogênio, uma subsidiária integral de Jiangsu Lopal Tech.Co.Ltd(603906) ( Jiangsu Lopal Tech.Co.Ltd(603906) SH), e Dalian Institute of Chemical Physics, Academia Chinesa de Ciências lançaram conjuntamente o projeto de P & D do catalisador de produção de hidrogênio PEM para água eletrolítica.
Pode-se ver que a escala do projeto de eletrólise PEM na China é pequena, e a maioria dos equipamentos entregues e aplicados na China são pequenas células eletrolíticas. Quais fatores restringem a promoção da produção de hidrogênio eletrolítico PEM? Para rastrear a fonte um por um, precisamos voltar à estrutura da célula eletrolítica PEMP align = “center” 03 p align = “center” gargalos que afetam a promoção da produção de hidrogênio PEM por eletrólise de água
Os componentes principais do eletrolisador de água PEM são membrana de troca de prótons, camada catalítica de ânodo e cátodo, camada de difusão de gás ânodo e cátodo, placa de ânodo e cátodo, etc.
Entre eles, a camada de difusão, a camada catalítica e a membrana de troca de prótons constituem o eletrodo de membrana, que é o principal local para a transmissão de material e reação eletroquímica de toda a célula de eletrólise de água.As características e estrutura do eletrodo de membrana afetam diretamente o desempenho e a vida útil da célula de eletrólise de água PEMP align = “centro” fonte: PEM: a tecnologia de produção de hidrogênio mais potencial a partir de água eletrolítica
Em termos de custo de investimento, o custo da célula eletrolítica diminuiu 40% nos últimos cinco anos, mas atualmente, o custo da eletrólise PEM ainda é pelo menos duas vezes o da água eletrolítica alcalina. Investimento e custo de operação ainda são os principais problemas a serem resolvidos na produção de hidrogênio de eletrólise de água PEM.
Célula eletrolítica é a parte central do sistema de produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica. Em termos de composição de custos, a proporção de célula eletrolítica no custo total do sistema de produção de hidrogênio é de cerca de 40% – 50%.
A membrana de troca de prótons é a parte central da célula eletrolítica. Ela não só conduz prótons e isola hidrogênio e oxigênio, mas também fornece suporte para o catalisador. Seu desempenho determina diretamente o desempenho e a vida útil da célula eletrolítica de água, por isso é muito importante em todo o equipamento.
Diferente da produção alcalina de hidrogênio de eletrólise de água, a produção de hidrogênio de eletrólise de água PEM seleciona membrana de troca de prótons de ácido perfluorosulfônico com boa estabilidade química, condutividade de prótons e separação de gás como eletrólito sólido para substituir membrana de amianto, que pode efetivamente impedir a transferência de elétrons e melhorar a segurança da célula eletrolítica.
A preparação da membrana de troca de prótons tem sido monopolizada por alguns fabricantes nos Estados Unidos e Japão, como DuPont e gore. Atualmente, DuPont nafion-711 e 511 séries são usadas principalmente. Esta série é feita principalmente da resina perfluorada do ácido sulfônico, e a espessura da membrana é 10-15 vezes a da membrana comum da troca da pilha de combustível, assim que o custo total é muito alto.
A primeira fase da linha de produção de membrana de troca de prótons de 1,5 milhão de metros quadrados da Dongyue foi colocada em operação, e o projeto de membrana de troca de prótons de 1 milhão de metros quadrados da Kerun também foi iniciado. Com o avanço contínuo da tecnologia chinesa, há um espaço enorme para a membrana doméstica da troca do protão realizar a substituição da importação.
Em termos de catalisadores de metais nobres, platina e irídio são usados principalmente como ânodo e cátodo do eletrodo de membrana PEM.
No entanto, em termos de distribuição de recursos a montante, as reservas desses dois metais preciosos na China são muito pequenas, principalmente distribuídas na África do Sul, Rússia, América do Sul e outras regiões. Uma vez que a produção de hidrogênio PEM é usada em grande escala, a indústria da China enfrentará o risco da cadeia de suprimentos de depender fortemente das importações estrangeiras de matérias-primas.
Ao mesmo tempo, o processo de fabricação e a capacidade de produção destes dois catalisadores na China não são comparáveis com marcas estrangeiras, como Johnson Matthey. A demanda por catalisadores de platina e irídio importados por empresas chinesas de equipamentos PEM ainda é óbvia.
Em termos de materiais de camada de difusão, atualmente, feltro sinterizado, feltro de titânio e feltro de carbono são usados principalmente na indústria.O feltro de titânio é o ânodo mais eficaz e o feltro de carbono é o principal cátodo.A fim de alcançar a melhor cooperação entre materiais e seus próprios processos, materiais de enchimento de camada de difusão basicamente precisam ser personalizados, que também é um dos elos principais refletindo o nível de processo de cada empresa.
Embora muitas empresas chinesas estejam enviando amostras de produtos semelhantes para testes, ainda há uma grande lacuna entre o efeito geral e contrapartes estrangeiras.
Além do material de enchimento do ânodo da camada de difusão, a placa bipolar, a placa final e outras peças são feitas de liga de titânio para evitar a fragilização do hidrogênio e melhorar a segurança geral do equipamento. Liga de titânio é difícil de processar, o que também apresenta requisitos muito altos para o nível de precisão de processamento de empresas domésticas.
Em geral, a produção de hidrogênio PEM está em ascensão na China, que precisa superar muitos elos técnicos e realizar a comercialização em larga escala.
No entanto, no futuro cenário energético, a energia hidrogênio é, sem dúvida, um quebra-cabeça importante.Com a promoção ativa do estado e a intervenção do capital, a perspectiva de realizar a localização e substituição é mais otimistaP align = “center” 04 p align = “center” conclusão
No contexto da neutralidade de carbono, é uma tendência inevitável de desenvolvimento histórico para que novas energias substituam a energia tradicional.
A importância da energia para um país é evidente. A concorrência entre países mudou gradualmente da concorrência pela energia tradicional para a competição pela construção de novas energias.
Governos de todos os países estão apoiando vigorosamente a I & D e o layout industrial da tecnologia de energia de hidrogênio, e se esforçando para o primeiro passo através da introdução de políticas de apoio intensivo.
Com apoio e subsídios governamentais em larga escala, acredita-se que o tempo comercial da energia de hidrogênio será mais cedo do que o esperado.
Nesta fase, a primeira coisa a fazer é abrir a primeira porta da indústria de energia de hidrogênio, que é a localização e substituição da tecnologia de água eletrolítica PEM.
