(1) Pojam i definicija proizvodnje vodika iz biomase
Proizvodnja vodika iz biomase uglavnom se odnosi na upotrebu rasplinjavanja ili mikrobne katalitičke deoksigenacije za proizvodnju sinteznog plina koji sadrži vodik nakon što se biomasa podvrgne različitim prethodnim obradama. Kineski raspoloživi resursi biomase iznose oko 3,5 milijardi tona godišnje, a glavni izvori su energetski usjevi, ostaci poljoprivrednog otpada, ostaci šumskog otpada te industrijski i urbani čvrsti otpad. Korištenje sirovina iz biomase za proizvodnju vodika je metoda koja se prilagođava kineskim nacionalnim uvjetima i ima dobru tehnologiju proizvodnje vodika s obećavajućim izgledima za razvoj. Budući da je sirovina u nekim scenarijima biomasa koja sadrži ugljik, ovaj se put također smatra "ugljično-negativnim" putem proizvodnje vodika, a vodik proizveden tim putem također se naziva "smaragdni vodik" ili "super zeleni vodik".
(2) Tehnički put za proizvodnju vodika iz biomase
Tehnologija proizvodnje vodika iz biomase može se uglavnom podijeliti u dva glavna pravca: termokemijska proizvodnja vodika i biološka proizvodnja vodika. Termokemijska proizvodnja vodika može se podijeliti u tri dodatno podijeljena tehnička puta: parna vaporizacija, superkritična vodena vaporizacija i toplinsko krekiranje i reformiranje biomase; biološka proizvodnja vodika naziva se i metoda mikrobne razgradnje, a proizvodnja vodika fermentacijom biomase, uključujući izravnu/indirektnu fotolizu. Postoje različiti putovi kao što su fotoliza, svjetlosna fermentacija, tamna fermentacija, spojena fermentacija svjetlo-tamno, biotransformacija enzima bez stanica itd.
Tehnološki put 1: Termokemijska metoda
Odnosi se na metodu pretvaranja biomase u zapaljivi plin bogat vodikom kroz termokemijsku obradu i zatim dobivanje čistog vodika putem odvajanja. Ovom metodom vodik se može proizvesti izravno iz sirovina biomase ili iz međuproizvoda depolimerizacije biomase (kao što su metanol, etanol). Prema različitim specifičnim procesima, može se dalje podijeliti na tehnologiju rasplinjavanja parom, tehnologiju rasplinjavanja superkritične vode i tehnologiju reformiranja pirolizom biomase:
Tehnologija rasplinjavanja parom: Tehnologija proizvodnje vodika za rasplinjavanje parom odabire paru kao sredstvo za rasplinjavanje. Svrha obrade rasplinjavanjem sirovina biomase je uklanjanje nezapaljivih komponenti kao što su dušik i voda kako bi se povećala kalorijska vrijednost goriva. Istodobno, uklanjanjem sumpora i dušika može se spriječiti ulazak njihovih proizvoda u atmosferu i smanjiti omjer mase ugljikovodičnih elemenata; ovom se metodom općenito može dobiti volumen. Nedostatak korištenja vodika od 40% do 60% i sinteznog plina visoke kalorične vrijednosti je da se katran proizvodi kao nusprodukt. Stoga, istraživanje troškovno učinkovitih katalizatora za povećanje proizvodnje vodika, smanjenje temperature rasplinjavanja, promicanje pucanja katrana i razvoj tehnologije obrade zelenog katrana, reformiranje katrana u vrijedan sintezni plin i sustavi za odvajanje vodika trenutačno su daljnja primjena ove tehnologije.
Tehnologija reformiranja toplinskog krekiranja:Princip ove tehnologije je neizravno zagrijavanje biomase na 350 do 600 stupnjeva i izolacija zraka i kisika (ili ograničenog kisika), tako da se može pirolizirati i pretvoriti u biotar, koks i plin. Ugljikovodici se dalje katalitički krekiraju kako bi se dobio plin bogat vodikom, a plin se odvaja kako bi se dobio vodik. Pod pretpostavkom korištenja katalizatora, volumni udio vodika u plinu pirolize može doseći 30% do 50%. Međutim, katran proizveden tijekom procesa pirolize nagrizat će opremu i cjevovode, uzrokujući smanjenje učinkovitosti proizvodnje vodika. Sljedeći ključni koraci trenutno su razvoj novih ekonomičnih katalizatora, istraživanje i razvoj jeftinih procesa uklanjanja katrana, procesa odvajanja vodika itd.
Superkritično isparavanje vode: odnosi se na razgradnju biomase u superkritičnoj vodi za proizvodnju H2, CO, CO2, CH4 i drugih plinova kroz pirolizu, hidrolizu, kondenzaciju i dehidrogenaciju. Tehnologija proizvodnje vodika s superkritičnim isparavanjem vode iz biomase ima relativno visoku potrošnju energije. Veliki, proizvodnja nusproizvoda katrana i drugi problemi. Iako je cijena sirovina za ovu tehnologiju niska, operativni troškovi i početna ulaganja u sustav superkritične vode su visoki, a ne postoje demonstracijski projekti velikih razmjera, tako da se ne može promovirati za komercijalnu upotrebu u kratkom roku.
Tehnološki put 2: Biološka metoda
Biološke metode mogu se dalje podijeliti na izravnu fotolizu, neizravnu fotolizu, svjetlosnu fermentaciju, tamnu fermentaciju, spojenu svjetlo-tamno fermentaciju, pretvorbu enzima bez stanica i druge dalje podijeljene puteve; različiti tehnički putovi imaju svoje prednosti i nedostatke, među kojima su svijetla i tamna spojena fermentacija ne samo da može u određenoj mjeri smanjiti potražnju za svjetlosnom energijom, već i značajno povećati proizvodnju vodika. To je trenutačno glavni smjer razvoja biološke proizvodnje vodika.
(3) Napredak proizvodnje vodika iz biomase u zemlji i inozemstvu
Inozemni predstavnik - Ujedinjeno Kraljevstvo:
Početkom 2023. britanski Odjel za poslovnu, energetsku i industrijsku strategiju (BEIS) najavio je da će uložiti 30 milijuna funti za potporu inovacijama u tehnologiji proizvodnje vodika iz biomase. Posebni pravci financiranja:
Predobrada sirovina: razvijte jeftinu, energetski štedljivu i učinkovitu tehnologiju predobrade sirovina za optimizaciju biomase i otpadnih sirovina. Uključujući tehnologiju granulacije, tehnologiju mehaničkog sortiranja, tehnologiju toplinske obrade i kalcinacije itd.;
Istraživanje i razvoj napredne tehnologije rasplinjavanja i njezinih komponenti: fokus na poboljšanje kvalitete sintetičkog plina i poboljšanje učinkovitosti proizvodnje vodika. Uključujući tehnologiju praćenja u stvarnom vremenu, tehnologiju fizičkog uklanjanja, tehnologiju kemijskog uklanjanja, katalitičku i toplinsku tehnologiju uklanjanja katrana, tehnologiju adsorpcije promjenjivog tlaka sinteznog plina, tehnologiju integracije rasplinjača itd.;
Nova tehnologija proizvodnje vodika iz biomase: Usredotočite se na razvoj nove tehnologije proizvodnje vodika iz biomase koja se može kombinirati s hvatanjem ugljika. Uključujući tehnologiju proizvodnje vodika anaerobnom fermentacijom, tehnologiju proizvodnje vodika fotofermentacijom, tehnologiju pročišćavanja otpadnih voda, tehnologiju proizvodnje vodika reformiranjem metana, tehnologiju pirolize itd.;
Kina:
Biološka proizvodnja vodika - prije je bila u laboratorijskoj fazi; početkom 2023. u Harbinu je pokrenut prvi integrirani projekt proizvodnje biološkog vodika i proizvodnje električne energije u zemlji (upotrebom tehnologije proizvodnje vodika fermentacijom biomase-otpada, korištenjem slame poljoprivrednog otpada, otpada od uređenja okoliša, otpada od hrane, visoko koncentrirane organske otpadne vode itd. fermentacijskih supstrata, a učinkoviti anaerobni sojevi koji proizvode vodik koriste se kao proizvođači vodika za preradu velike količine vodika čiste energije dolazi od tima akademika Ren Nanqija s Instituta za tehnologiju Harbin.
Termokemijska proizvodnja vodika - uglavnom se koristi za biomasu ili otpad s niskim sadržajem vode, kao što je komunalni otpad i industrijski čvrsti otpad koji sadrži više kartona, plastike i drugih tvari. Domaća poduzeća kao što su Dongfang Boiler, Datang Group i druga tradicionalna energetska poduzeća koriste pirolizu za rasplinjavanje za proizvodnju vodika. Međutim, zbog složenosti procesa obrade plina, trenutno ne postoji zreo komercijalni operativni projekt u Kini na ovoj ruti. Jiman Technology, koja je nastala iz Kineske akademije znanosti, trenutno promiče izgradnju malih i pilot-demonstracijskih projekata.
(4) Glavna stajališta i zaključci o proizvodnji vodika iz biomase:
Proizvodnja vodika iz biomase može učinkovito iskoristiti industrijski, poljoprivredni i urbani otpad, ali je lokacija izgradnje ograničena područjem opskrbe sirovinama i distribuirani je put proizvodnje vodika; njegov izravni proizvod je sintezni plin koji sadrži vodik, a koji će sadržavati nečistoće kao što su CO, H2S i katran. Prije upotrebe plin je potrebno dodatno odvojiti kako bi se dobio vodik, koji je prikladniji kao gorivo ili industrijska sirovina.
Termokemijska metoda: Stopa pretvorbe je brza, ali zahtijeva visoku opremu, katalizatore itd., a odvajanje plina je teško; možemo se usredotočiti na ključne pravce proboja kao što su novi katalizatori, reformiranje i korištenje katrana te procesi i oprema za odvajanje plina.
Biološka metoda: visok prinos, niska cijena, ali mnogo nečistoća; među njima, proizvodnja vodika povezanom fermentacijom svijetlo-tamno ima najbržu učinkovitost proizvodnje vodika i najveću stopu iskorištenja supstrata, a očekuje se da će u budućnosti postati glavna tehnologija primjene biološke proizvodnje vodika.
Ukratko, proizvodnja vodika iz biomase općenito je još uvijek u ranim fazama, a neke komercijalne demonstracije još uvijek su koncentrirane na male i pilot faze. Njegovi scenariji primjene uglavnom su kao industrijske sirovine za gorivo. Ovo polje može se usredotočiti na: proizvodnju vodika biološkom fermentacijom. Ključne poveznice uključuju uzgoj, transformaciju i pripremu visokoučinkovitih bakterija za proizvodnju vodika, metodu proizvodnje vodika fermentacije svijetlo-tamno, predtretman sirovina za proizvodnju biološkog vodika i procesnu opremu za odvajanje vodika.
srodni proizvodi u ehisen
