Inovace, popularizace a aplikace technologie výroby vodíkové energie -- případová studie společnosti Ally Hi-Tech
Původní odkaz:https://mp.weixin.qq.com/s/--dP1UU_LS4zg3ELdHr-Sw
Poznámka editora: Tento článek byl původně publikován na oficiálním účtu WeChatu: China Thinktank
Dne 23. března Národní komise pro rozvoj a reformy a Národní energetická správa Číny společně vydaly střednědobý a dlouhodobý plán rozvoje vodíkového energetického průmyslu (2021–2035) (dále jen „plán“), který definoval energetický atribut vodíku a navrhl, aby vodíková energie byla nedílnou součástí budoucího národního energetického systému a klíčovým směrem strategických nových průmyslových odvětví. Vozidla s palivovými články jsou přední oblastí využití vodíkové energie a průlomem v průmyslovém rozvoji Číny.
V roce 2021, v rámci národní politiky demonstrací a aplikací vozidel s palivovými články, bylo postupně spuštěno pět městských aglomerací Peking, Tchien-ťin, Che-pej, Šanghaj, Kuang-tung, Che-pej a Che-nan, začaly se rozsáhlé demonstrace a aplikace 10 000 vozidel s palivovými články a byl uveden do praxe rozvoj vodíkového energetického průmyslu poháněného demonstracemi a aplikacemi vozidel s palivovými články.
Zároveň došlo k průlomům v aplikaci a zkoumání vodíkové energie v oblastech mimo dopravu, jako je ocelářský, chemický průmysl a stavebnictví. V budoucnu přinese diverzifikované a multiscénární využití vodíkové energie velkou poptávku po vodíku. Podle předpovědi Čínské aliance pro vodíkovou energii dosáhne do roku 2030 poptávka po vodíku v Číně 35 milionů tun a vodíková energie bude tvořit nejméně 5 % čínského terminálního energetického systému. Do roku 2050 se poptávka po vodíku přiblíží 60 milionům tun, vodíková energie bude tvořit více než 10 % čínského terminálního energetického systému a roční produkce průmyslového řetězce dosáhne 12 bilionů juanů.
Z hlediska průmyslového rozvoje se čínský vodíkový energetický průmysl stále nachází v rané fázi vývoje. V procesu aplikace, demonstrace a propagace vodíkové energie představovaly nedostatečné dodávky a vysoké náklady na energetické využití vodíku vždy závažný problém omezující rozvoj čínského vodíkového energetického průmyslu. Jakožto klíčový článek dodávek vodíku jsou stále výrazné problémy s vysokou cenou vodíku z výroby a vysokými náklady na skladování a přepravu vodíku pro vozidla.
Čína proto naléhavě potřebuje urychlit inovace, popularizaci a aplikaci nízkonákladových technologií výroby vodíku, zlepšit ekonomiku demonstračních aplikací snížením nákladů na dodávky vodíkové energie, podpořit rozsáhlé demonstrační aplikace vozidel s palivovými články a následně podpořit rozvoj celého odvětví vodíkové energie.
Vysoká cena vodíku je významným problémem v rozvoji čínského vodíkového energetického průmyslu
Čína je velká země produkující vodík. Produkce vodíku je rozdělena do petrochemického, chemického, koksárenského a dalších průmyslových odvětví. Většina vyrobeného vodíku se používá jako meziprodukt pro rafinaci ropy, syntetický amoniak, methanol a další chemické produkty. Podle statistik Čínské aliance pro vodíkovou energii (China Hydrogen Energy Alliance) je současná produkce vodíku v Číně přibližně 33 milionů tun, a to především z uhlí, zemního plynu a dalších fosilních zdrojů energie a z průmyslového čištění plynů jako vedlejších produktů. Z toho produkce vodíku z uhlí činí 21,34 milionu tun, což představuje 63,5 %. Následuje produkce průmyslového vodíku jako vedlejších produktů a vodíku ze zemního plynu s produkcí 7,08 milionu tun, respektive 4,6 milionu tun. Produkce vodíku elektrolýzou vody je relativně malá, přibližně 500 000 tun.
Přestože je průmyslový proces výroby vodíku vyspělý, průmyslový řetězec je kompletní a jeho získávání je relativně snadné, dodávky energetického vodíku stále čelí velkým výzvám. Vyšší náklady na suroviny a přepravní náklady na výrobu vodíku vedou k vyšší koncové ceně vodíku. Pro dosažení rozsáhlé popularizace a aplikace vodíkové energetické technologie je klíčem k překonání úzkého hrdla v podobě vysokých nákladů na pořízení a přepravu vodíku. Mezi stávajícími metodami výroby vodíku jsou náklady na výrobu vodíku z uhlí nízké, ale úroveň emisí uhlíku je vysoká. Náklady na spotřebu energie na výrobu vodíku elektrolýzou vody ve velkých průmyslových odvětvích jsou vysoké.
I při nízkých nákladech na elektřinu jsou náklady na výrobu vodíku vyšší než 20 juanů/kg. Nízké náklady a nízká úroveň emisí uhlíku na výrobu vodíku z opuštění obnovitelných zdrojů energie jsou důležitým směrem pro získávání vodíku v budoucnu. V současné době je technologie postupně vyspělá, ale místa jejího získávání jsou relativně vzdálená, náklady na dopravu jsou velmi vysoké a neexistuje žádný scénář pro její propagaci a použití. Z hlediska složení nákladů na vodík tvoří 30 ~ 45 % ceny energetického vodíku náklady na jeho přepravu a plnění. Stávající technologie přepravy vodíku založená na vysokotlakém plynném vodíku má menší objem přepravy na jedno vozidlo, nízkou ekonomickou hodnotu přepravy na dlouhé vzdálenosti a technologie skladování a přepravy v pevné fázi a kapalného vodíku nejsou vyspělé. Outsourcing plynného vodíku v čerpacích stanicích vodíku je stále hlavní cestou.
V současné specifikaci řízení je vodík stále uveden jako systém řízení nebezpečných chemikálií. Velkoobjemová průmyslová výroba vodíku musí vstoupit do chemického průmyslu. Velkoobjemová výroba vodíku neodpovídá poptávce po vodíku pro decentralizovaná vozidla, což vede k vysokým cenám vodíku. Pro dosažení průlomu je naléhavě zapotřebí vysoce integrovaná technologie výroby a doplňování vodíku. Cenová hladina výroby vodíku ze zemního plynu je rozumná, což umožňuje realizovat rozsáhlé a stabilní dodávky. Proto v oblastech s relativně hojným množstvím zemního plynu představují integrované stanice pro výrobu a doplňování vodíku na bázi zemního plynu proveditelnou možnost dodávek vodíku a realistickou cestu k propagaci vodíkových čerpacích stanic, snižování nákladů a řešení složitého problému doplňování paliva v některých oblastech. V současné době existuje na světě přibližně 237 integrovaných stanic pro výrobu vodíku na platformě, což představuje asi 1/3 celkového počtu zahraničních vodíkových čerpacích stanic. Mezi nimi Japonsko, Evropa, Severní Amerika a další regiony široce přijímají provozní režim integrované stanice pro výrobu a doplňování vodíku v čerpací stanici. Pokud jde o domácí situaci, města Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou a další začala zkoumat pilotní výstavbu a provoz integrovaných stanic pro výrobu a doplňování vodíku. Lze předpovědět, že po průlomu v oblasti řízení vodíku a politik a předpisů pro jeho výrobu bude integrovaná stanice pro výrobu a doplňování vodíku realistickou volbou pro komerční provoz vodíkových čerpacích stanic.
Zkušenosti s inovacemi, popularizací a aplikací technologie výroby vodíku od společnosti Ally Hi-Tech
Společnost Ally Hi-Tech, přední podnik v oblasti výroby vodíku v Číně, se od svého založení již více než 20 let zaměřuje na výzkum a vývoj nových energetických řešení a pokročilých technologií výroby vodíku. V oblasti technologie výroby vodíku ze zemního plynu v malém měřítku, technologie výroby vodíku katalytickou oxidací methanolu, technologie výroby vodíku elektrolýzou vody za vysokých teplot, technologie výroby vodíku rozkladem amoniaku, technologie syntetického amoniaku v malém měřítku, velkokapacitního konvertoru methanolu, integrovaného systému výroby a hydrogenace vodíku a technologie směrového čištění vodíku ve vozidlech bylo dosaženo mnoha průlomů v nejmodernějších technických oblastech, jako jsou uvedeny výše.
Pokračovat v podpoře technologických inovací ve výrobě vodíku.
Společnost Ally Hi-Tech vždy bere výrobu vodíku jako jádro svého podnikání a neustále zavádí technologické inovace v oblasti výroby vodíku, jako je konverze methanolu, reforming zemního plynu a směrové čištění vodíku metodou PSA. Mezi nimi má jedna sada zařízení na výrobu vodíku s konverzí methanolu, nezávisle vyvinutá a navržená společností, kapacitu výroby vodíku 20 000 Nm³/h. Maximální tlak dosahuje 3,3 MPa, což odpovídá mezinárodní pokročilé úrovni, s výhodami nízké spotřeby energie, bezpečnosti a spolehlivosti, jednoduchého procesu, bezobslužnosti atd. Společnost dosáhla průlomu v technologii výroby vodíku reformingem zemního plynu (metoda SMR).
Byla použita technologie reformování výměnou tepla a výrobní kapacita vodíku jedné sady zařízení je až 30 000 Nm³/h. Maximální tlak může dosáhnout 3,0 MPa, investiční náklady jsou výrazně sníženy a spotřeba energie zemního plynu je snížena o 33 %. Pokud jde o technologii směrového čištění vodíku adsorpcí s kolísáním tlaku (PSA), společnost vyvinula řadu kompletních sad technologií čištění vodíku a výrobní kapacita vodíku jedné sady zařízení je 100 000 Nm³/h. Maximální tlak je 5,0 MPa. Vyznačuje se vysokým stupněm automatizace, jednoduchým ovládáním, dobrým prostředím a dlouhou životností. Byla široce používána v oblasti průmyslové separace plynů.
Obrázek 1: Sada zařízení pro výrobu H2 od společnosti Ally Hi-Tech
Pozornost věnována vývoji a propagaci produktů řady vodíkové energie.
Při provádění inovací v oblasti technologií výroby vodíku a vývoje produktů se společnost Ally Hi-Tech zaměřuje na rozšiřování vývoje produktů v oblasti následných vodíkových palivových článků, aktivně podporuje výzkum, vývoj a aplikaci katalyzátorů, adsorbentů, regulačních ventilů, modulárních malých zařízení na výrobu vodíku a systémů napájení palivovými články s dlouhou životností a energicky propaguje technologie a zařízení integrované stanice pro výrobu vodíku a hydrogenaci. Pokud jde o propagaci produktů, profesionální kvalifikace inženýrského designu společnosti Ally Hi-Tech je komplexní. Společnost se zavázala poskytovat komplexní produkty a služby v oblasti vodíkové energie a její aplikace na trhu se rychle prosazuje.
V aplikaci zařízení pro výrobu vodíku došlo k průlomům.
V současné době společnost Ally Hi-Tech postavila více než 620 sad zařízení na výrobu a čištění vodíku. Z nich Ally Hi-Tech dodala více než 300 sad zařízení na výrobu vodíku z methanolu, více než 100 sad zařízení na výrobu vodíku ze zemního plynu a více než 130 sad zařízení pro velké projekty PSA a realizovala řadu projektů výroby vodíku s celostátní tematikou.
Společnost Ally Hi-Tech spolupracuje se známými společnostmi doma i v zahraničí, jako jsou Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan, BP a další. Je jedním z nejkomplexnějších poskytovatelů služeb v oblasti zařízení s největší nabídkou v oblasti malých a středních zařízení pro výrobu vodíku na světě. V současné době bylo zařízení pro výrobu vodíku od společnosti Ally Hi-Tech exportováno do 16 zemí a regionů, jako jsou Spojené státy, Japonsko, Jižní Korea, Indie, Malajsie, Filipíny, Pákistán, Myanmar, Thajsko a Jižní Afrika. V roce 2019 bylo integrované zařízení pro výrobu vodíku ze zemního plynu třetí generace od společnosti Ally Hi-Tech exportováno společnosti American Plug Power Inc., které bylo navrženo a vyrobeno plně v souladu s americkými standardy, čímž se vytvořil precedens pro export čínských zařízení pro výrobu vodíku ze zemního plynu do Spojených států.
Obrázek 2. Integrované zařízení pro výrobu a hydrogenaci vodíku vyvážené společností Ally Hi-Tech do Spojených států
Výstavba první várky integrované stanice pro výrobu a hydrogenaci vodíku.
Vzhledem k praktickým problémům nestabilních zdrojů a vysokých cen vodíku pro energii se společnost Ally High-Tech zavázala k podpoře aplikace vysoce integrované technologie výroby vodíku a k využití stávajícího vyspělého systému zásobování methanolem, sítě plynovodů pro zemní plyn a čerpacích stanic CNG a LNG k rekonstrukci a rozšíření integrované stanice pro výrobu a doplňování vodíku. V září 2021 byla v hydrogenační stanici Nanzhuang ve Foshanu uvedena do provozu první tuzemská integrovaná stanice pro výrobu a hydrogenaci vodíku ze zemního plynu.
Stanice je navržena s jednou sadou jednotek na výrobu vodíku reformingem zemního plynu s kapacitou 1000 kg/den a jednou sadou jednotek na výrobu vodíku elektrolýzou vody s kapacitou 100 kg/den s externí hydrogenační kapacitou 1000 kg/den. Jedná se o typickou integrovanou hydrogenační stanici typu „výroba vodíku + komprese + skladování + plnění“. Zaujímá vedoucí postavení v oblasti používání ekologicky šetrné technologie katalyzátoru s širokým rozsahem teplotních změn a směrového ko-purifikačního zařízení v průmyslu, což zvyšuje účinnost výroby vodíku o 3 % a účinně snižuje spotřebu energie při výrobě vodíku. Stanice se vyznačuje vysokou integrací, malou podlahovou plochou a vysoce integrovaným zařízením na výrobu vodíku.
Produkce vodíku ve stanici snižuje náklady na přepravu vodíku a náklady na skladování a přepravu vodíku, což přímo snižuje náklady na spotřebu vodíku. Stanice má vyhrazeno externí rozhraní, které může plnit dlouhé trubkové návěsy a sloužit jako mateřská stanice pro zásobování okolními hydrogenačními stanicemi, čímž vzniká regionální hydrogenační podmaterská integrovaná stanice. Kromě toho lze tuto integrovanou stanici pro výrobu a hydrogenaci vodíku rekonstruovat a rozšiřovat na základě stávajícího systému distribuce methanolu, sítě plynovodů zemního plynu a dalších zařízení, jakož i čerpacích stanic a čerpacích stanic CNG a LNG, což je snadné propagovat a implementovat.
Obrázek 3 Integrovaná stanice pro výrobu a hydrogenaci vodíku v Nanzhuangu, Foshan, Guangdong
Aktivně vede inovace v průmyslu, propagaci a aplikace a mezinárodní výměny a spolupráci.
Jako klíčový high-tech podnik národního programu Torch, demonstrační podnik nové ekonomiky v provincii S'-čchuan a specializovaný a speciální nový podnik v provincii S'-čchuan, Ally Hi-Tech aktivně vede inovace v průmyslu a podporuje mezinárodní výměny a spolupráci. Od roku 2005 Ally Hi-Tech postupně poskytuje technologie a zařízení pro výrobu vodíku v rámci hlavních národních projektů palivových článků 863 - vodíkové čerpací stanice Shanghai Anting, vodíkové čerpací stanice Pekingské olympijské čerpací stanice a vodíkové čerpací stanice Světové výstavy v Šanghaji a poskytuje veškeré projekty vodíkových výrobních stanic v čínském kosmickém středisku s vysokým standardem.
Jako člen Národního výboru pro normalizaci vodíkové energie se společnost Ally Hi-Tech aktivně podílela na budování systému standardů pro vodíkovou energii doma i v zahraničí, vedla návrh jednoho národního standardu pro vodíkovou energii a podílela se na formulaci sedmi národních a jednoho mezinárodního standardu. Zároveň společnost Ally Hi-Tech aktivně podporovala mezinárodní výměny a spolupráci, založila v Japonsku společnost Chengchuan Technology Co., Ltd., vyvinula novou generaci technologií pro výrobu vodíku, kogenerační technologii SOFC a související produkty a spolupracovala se společnostmi ve Spojených státech, Německu a Japonsku v oblasti nových technologií pro výrobu vodíku elektrolýzou vody a technologií syntetického amoniaku v malém měřítku. Společnost Ally Hi-Tech je typickým technologicky zaměřeným a exportně orientovaným podnikem se 45 patenty z Číny, Spojených států a Evropské unie.
Návrh zásad
Podle výše uvedené analýzy, založené na inovacích technologií výroby vodíku, dosáhla společnost Ally Hi-Tech průlomů ve vývoji zařízení pro výrobu vodíku, propagaci a aplikaci zařízení pro výrobu vodíku, výstavbě a provozu integrované stanice pro výrobu a doplňování vodíku, což má velký význam pro nezávislou technologickou inovaci Číny v oblasti vodíkové energie a snižování nákladů na energii spojenou se spotřebou vodíku. Aby bylo zajištěno a zlepšeno zásobování vodíkovou energií, urychlena výstavba bezpečné, stabilní a efektivní sítě pro dodávky vodíkové energie a vybudován čistý, nízkouhlíkový a nízkonákladový diverzifikovaný systém výroby vodíku, musí Čína posílit inovace v oblasti technologií výroby vodíku a vývoj produktů, prolomit omezení politik a předpisů a podpořit vyzkoušení nových zařízení a modelů s tržním potenciálem. Dalším zlepšováním podpůrných politik a optimalizací průmyslového prostředí pomůžeme čínskému průmyslu vodíkové energie rozvíjet se s vysokou kvalitou a silně podpoříme zelenou transformaci energie.
Zlepšit systém politik v odvětví vodíkové energie.
V současné době byly vydány „strategické pozice a podpůrné politiky vodíkového energetického průmyslu“, ale konkrétní směr rozvoje vodíkového energetického průmyslu nebyl specifikován. Aby se překonaly institucionální překážky a politická úzká místa průmyslového rozvoje, Čína musí posílit politické inovace, formulovat dokonalé normy pro řízení vodíkové energie, vyjasnit procesy řízení a instituce pro řízení přípravy, skladování, přepravy a plnění a implementovat odpovědnosti odpovědného oddělení bezpečnostního dohledu. Dodržovat model demonstračních aplikací, které pohánějí průmyslový rozvoj, a komplexně podporovat diverzifikovaný demonstrační rozvoj vodíkové energie v dopravě, skladování energie, distribuované energii atd.
Vybudujte systém zásobování vodíkovou energií dle místních podmínek.
Místní samosprávy by měly komplexně zvážit kapacitu dodávek vodíkové energie, průmyslovou základnu a tržní prostor v regionu na základě výhod stávajících a potenciálních zdrojů, zvolit vhodné metody výroby vodíku podle místních podmínek, provést výstavbu garantovaných kapacit dodávek vodíkové energie, upřednostnit využití průmyslového vodíku jako vedlejšího produktu a zaměřit se na rozvoj výroby vodíku z obnovitelných zdrojů energie. Povzbuzovat kvalifikované regiony ke spolupráci prostřednictvím více kanálů na vybudování nízkouhlíkového, bezpečného, stabilního a ekonomického místního systému dodávek vodíkové energie, který by uspokojil poptávku po velkých zdrojích vodíku.
Zvýšit technologickou inovaci zařízení na výrobu vodíku.
Zaměřit se na podporu výzkumu a vývoje, výroby a průmyslového využití klíčových zařízení pro čištění a výrobu vodíku a vybudovat vysoce kvalitní technologický systém pro vývoj produktů pro vodíková energetická zařízení s využitím výhodných podniků v průmyslovém řetězci. Podporovat přední podniky v oblasti výroby vodíku, aby se ujaly vedení, budovat inovační platformy, jako jsou centra průmyslových inovací, centra inženýrského výzkumu, centra technologických inovací a centra výrobních inovací, řešit klíčové problémy zařízení pro výrobu vodíku, podporovat „specializované a speciální nové“ malé a střední podniky v účasti na výzkumu a vývoji běžných technologií zařízení pro výrobu vodíku a kultivovat řadu samostatných šampionů se silnou nezávislostí v oblasti klíčových technologií.
Posílit politickou podporu pro integrovanou výrobu vodíku a hydrogenační stanice.
Plán zdůrazňuje, že pro prozkoumání nových modelů, jako jsou vodíkové stanice integrující výrobu, skladování a hydrogenaci vodíku, je třeba od základu prolomit politická omezení výstavby integrovaných stanic. Co nejdříve zavést národní energetický zákon, který bude od vyšší úrovně určovat energetický atribut vodíku. Prolomit omezení výstavby integrovaných stanic, podporovat integrované stanice na výrobu a hydrogenaci vodíku a provést pilotní demonstraci výstavby a provozu integrovaných stanic v ekonomicky rozvinutých oblastech s bohatými zdroji zemního plynu. Poskytnout finanční dotace na výstavbu a provoz integrovaných stanic, které splňují požadavky cenové ekonomiky a norem pro emise uhlíku, podpořit příslušné přední podniky v podávání žádostí o národní „specializované a speciální nové“ podniky a zlepšit bezpečnostní technické specifikace a normy integrovaných stanic na výrobu a hydrogenaci vodíku.
Aktivně provádět demonstrace a propagaci nových obchodních modelů.
Podporovat inovace obchodních modelů ve formě integrované výroby vodíku ve stanicích, komplexních stanic pro zásobování ropou, vodíkem a elektřinou energií a koordinovaného provozu „vodíku, vozidel a stanic“. V oblastech s velkým počtem vozidel s palivovými články a vysokým tlakem na dodávky vodíku budeme zkoumat integrované stanice pro výrobu vodíku a hydrogenaci ze zemního plynu a budeme podporovat oblasti s rozumnými cenami zemního plynu a demonstrační provoz vozidel s palivovými články. V oblastech s bohatými zdroji větrné a vodní energie a scénáři využití vodíkové energie budeme budovat integrované stanice pro výrobu a hydrogenaci vodíku s využitím obnovitelných zdrojů energie, postupně rozšiřovat demonstrační rozsah, vytvářet replikovatelné a popularizované zkušenosti a urychlovat snižování emisí uhlíku a nákladů na energii z vodíku.
(Autor: tým pro výzkum budoucího průmyslu z Pekingského informačního poradenského centra Yiwei Zhiyuan)
Čas zveřejnění: 29. září 2022
