(1) מושג והגדרה של ייצור מימן ביומסה
ייצור מימן ביומסה מתייחס בעיקר לשימוש בגזיפיקציה או דה-חמצן קטליטי מיקרוביאלי לייצור גז סינתזה המכיל מימן לאחר שביומסה עוברת טיפולים מקדימים שונים. משאבי הביומסה הזמינים השנתיים של סין הם כ-3.5 מיליארד טון, שמקורותיהם העיקריים הם גידולי אנרגיה, שאריות פסולת חקלאית, שאריות פסולת ייעור ופסולת מוצקה תעשייתית ועירונית. השימוש בחומרי גלם ביומסה להפקת מימן היא שיטה המתאימה לתנאים הלאומיים של סין ויש לה מסלול טכנולוגי לייצור מימן טוב עם סיכויי פיתוח מבטיחים. מכיוון שחומר הגלם בתרחישים מסוימים הוא ביומסה המכילה פחמן, נתיב זה נחשב גם כנתיב ייצור מימן "שלילי לפחמן", והמימן המיוצר בנתיב זה נקרא גם "מימן אמרלד" או "מימן סופר ירוק".
(2) נתיב טכני להפקת מימן מביומסה
ניתן לחלק בעיקר את טכנולוגיית ייצור המימן ביומסה לשני מסלולים עיקריים: ייצור מימן תרמוכימי וייצור מימן ביולוגי. ניתן לחלק ייצור מימן תרמוכימי לשלושה נתיבים טכניים מחולקים: אידוי קיטור, אידוי מים סופר קריטי, ופיצוח תרמי ביומסה ורפורמה; ייצור מימן ביולוגי נקרא גם שיטת פירוק מיקרוביאלית והפקת מימן תסיסה ביומסה, כולל פוטוליזה ישירה/עקיפה ישנם נתיבים מחולקים שונים כגון פוטוליזה, תסיסה בהירה, תסיסה כהה, תסיסה מצמדת אור-כהה, ביוטרנספורמציה של אנזים ללא תאים וכו'.
נתיב טכנולוגיה 1: שיטה תרמוכימית
הכוונה לשיטת המרת ביומסה לגז בעירה עשיר במימן באמצעות טיפול תרמוכימי ולאחר מכן קבלת מימן טהור באמצעות הפרדה. שיטה זו יכולה לייצר מימן ישירות מחומרי גלם ביומסה, או ממוצרי ביניים של דה-פולימריזציה ביומסה (כגון מתנול, אתנול). על פי תהליכים ספציפיים שונים, ניתן לחלק אותו עוד יותר לטכנולוגיית גיזוז קיטור, טכנולוגיית גיזוז מים סופר-קריטי וטכנולוגיית רפורמת פירוליזה של ביומסה:
טכנולוגיית גיזוז קיטור: טכנולוגיית הפקת מימן בקיטור בוחרת בקיטור כסוכן הגיזוז. מטרת הטיפול בגיזוז של חומרי גלם ביומסה היא להסיר רכיבים בלתי דליקים כגון חנקן ומים כדי להעלות את הערך הקלורי של הדלק. יחד עם זאת, הסרת גופרית וחנקן יכולה למנוע את כניסת המוצרים שלהם לאטמוספירה ולהפחית את יחס המסה של יסודות פחמימנים; שיטה זו יכולה בדרך כלל להשיג את הנפח החיסרון בשימוש ב-40% עד 60% מימן ובגז סינתזה בעל ערך קלורי גבוה הוא שהזפת מופקת כתוצר לוואי. לכן, חקר זרזים חסכוניים להגברת ייצור המימן, הפחתת טמפרטורת הגיזוז, קידום פיצוח זפת ופיתוח טכנולוגיית טיפול בזפת ירוקה, רפורמה של זפת לגז סינתזה יקרות ערך ומערכות הפרדת מימן הן כיום היישום הנוסף של טכנולוגיה זו.
טכנולוגיית רפורמת פיצוח תרמי:העיקרון של טכנולוגיה זו הוא לחמם בעקיפין ביומסה ב-350 עד 600 מעלות ולבודד אוויר וחמצן (או מוגבל חמצן), כך שניתן יהיה לבצע פירוליזה ולהמירה לביוטאר, קוק וגז. הפחמימנים נסדקים באופן קטליטי נוסף לקבלת גז עשיר במימן והגז מופרד לקבלת מימן. בהנחה של שימוש בזרז, חלק הנפח של מימן בגז הפירוליזה יכול להגיע ל-30% עד 50%. עם זאת, הזפת המופקת בתהליך הפירוליזה תאושש ציוד וצינורות, ויגרום לירידה ביעילות ייצור המימן. השלבים המרכזיים הבאים כיום הם פיתוח זרזים חסכוניים חדשים, מחקר ופיתוח של תהליכי הסרת זפת בעלות נמוכה, תהליכי הפרדת מימן וכו'.
אידוי מים סופר קריטי: מתייחס לפירוק של ביומסה במים סופר-קריטיים להפקת H2, CO, CO2, CH4 וגזים אחרים באמצעות פירוליזה, הידרוליזה, עיבוי והידרוגנציה. טכנולוגיית ייצור מימן לאידוי מים סופר-קריטי ביומסה היא בעלת צריכת אנרגיה גבוהה יחסית. גדול, ייצור תוצרי לוואי של זפת ובעיות אחרות. למרות שמחיר חומרי הגלם של טכנולוגיה זו נמוך, עלות התפעול וההשקעה הראשונית של מערכת המים העל-קריטית גבוהים, ואין פרויקטי הדגמה רחבי היקף, כך שלא ניתן לקדם אותה לשימוש מסחרי בטווח הקצר.
נתיב טכנולוגי 2: שיטה ביולוגית
ניתן לחלק שיטות ביולוגיות לפוטוליזה ישירה, פוטוליזה עקיפה, תסיסה בהירה, תסיסה כהה, תסיסה משולבת בהירה-כהה, המרת אנזימים ללא תאים ונתיבים מחולקים אחרים; לנתיבים טכניים שונים יש יתרונות וחסרונות משלהם, ביניהם תסיסה משולבת בהירה וכהה יכולה לא רק להפחית את הדרישה לאנרגיית אור במידה מסוימת, אלא גם להגדיל באופן משמעותי את ייצור המימן. זהו כיוון הפיתוח העיקרי של ייצור מימן ביולוגי כיום.
(3) התקדמות ייצור מימן ביומסה בבית ומחוץ
נציג חוץ - בריטניה:
בתחילת 2023 הודיעה המחלקה הבריטית לאסטרטגיה עסקית, אנרגיה ואסטרטגיה תעשייתית (BEIS) כי תשקיע 30 מיליון פאונד כדי לתמוך בחדשנות בטכנולוגיית ייצור מימן ביומסה. הנחיות מימון ספציפיות:
טיפול מוקדם בחומרי גלם: פיתוח טכנולוגיית טיפול מקדים לחומרי גלם בעלות נמוכה, חסכונית באנרגיה ויעילה כדי לייעל ביומסה וחומרי גלם פסולת. לרבות טכנולוגיית גרנולציה, טכנולוגיית מיון מכנית, טכנולוגיית טיפול בחום והסתייד וכו';
מחקר ופיתוח של טכנולוגיית גיזוז מתקדמת ומרכיביה: התמקדות בשיפור איכות הגז סינת ושיפור יעילות ייצור המימן. כולל טכנולוגיית ניטור בזמן אמת, טכנולוגיית הסרה פיזית, טכנולוגיית הסרה כימית, טכנולוגיה להסרת זפת קטליטית ותרמית, טכנולוגיית ספיחה בלחץ נדנוד גז סינתזה, טכנולוגיית אינטגרציה של גזים וכו';
טכנולוגיה חדשה לייצור מימן ביומסה: התמקדות בפיתוח טכנולוגיה חדשה לייצור מימן ביומסה שניתן לשלב עם לכידת פחמן. כולל טכנולוגיית ייצור מימן תסיסה אנאירובית, טכנולוגיית ייצור מימן פוטו-פרמנטציה, טכנולוגיית טיפול בשפכים, טכנולוגיית ייצור מימן רפורמת מתאן, טכנולוגיית פירוליזה וכו';
סִין:
ייצור מימן ביולוגי - זה היה בשלב המעבדה בעבר; בתחילת 2023, הושק פרויקט ייצור מימן ביולוגי ויצור חשמל המשולב הראשון במדינה בחרבין (באמצעות טכנולוגיית הפקת מימן של פסולת ביומסה, שימוש בקש פסולת חקלאית, פסולת גינון, פסולת מזון, שפכים אורגניים בריכוז גבוה וכו' משמשים בתור מצעי תסיסה, וזנים יעילים לייצור מימן אנאירובי משמשים ליצרני מימן לעיבוד פסולת תוך החזרת כמות גדולה של מימן אנרגיה נקייה.
ייצור מימן תרמי - משמש בעיקר לביומסה או פסולת עם תכולת מים נמוכה, כגון פסולת עירונית ופסולת מוצקה תעשייתית המכילה יותר קרטון, פלסטיק וחומרים נוספים. ארגונים מקומיים כמו Dongfang Boiler, Datang Group ומפעלי אנרגיה מסורתיים אחרים פורסים גיזה פירוליזה להפקת מימן. עם זאת, בשל המורכבות של תהליך הטיפול בגז, אין כיום פרויקט תפעול מסחרי בוגר בסין במסלול זה. ג'ימאן טכנולוגיה, שנולדה מהאקדמיה הסינית למדעים, מקדמת בימים אלה בניית פרויקטים להדגמה בקנה מידה קטן ובקנה מידה פיילוט.
(4) נקודות מבט ומסקנות עיקריות על ייצור מימן ביומסה:
ייצור מימן ביומסה יכול לנצל ביעילות פסולת תעשייתית, חקלאית ועירונית, אך מיקום הבנייה מוגבל על ידי אזור אספקת חומרי הגלם והוא נתיב ייצור מימן מבוזר; המוצר הישיר שלו הוא גז סינתזה המכיל מימן, שיכיל זיהומים כמו CO, H2S וזפת. יש להפריד עוד יותר את הגז כדי להשיג מימן לפני שניתן להשתמש בו, שמתאים יותר כדלק או חומר גלם תעשייתי.
שיטה תרמוכימית: קצב ההמרה מהיר, אך הוא דורש ציוד גבוה, זרזים וכו', והפרדת הגזים קשה; אנו יכולים להתמקד בכיווני פריצת דרך מרכזיים כגון זרזים חדשים, חידוש זפת וניצול, ותהליכי הפרדת גזים וציוד.
שיטה ביולוגית: תשואה גבוהה, עלות נמוכה, אבל הרבה זיהומים; ביניהם, לייצור מימן תסיסה משולבת בהירה-כהה יש את יעילות ייצור המימן המהירה ביותר וקצב ניצול המצע הגבוה ביותר, והוא צפוי להפוך לטכנולוגיית היישום המרכזית של ייצור מימן ביולוגי בעתיד.
לסיכום, ייצור מימן ביומסה נמצא בדרך כלל בשלביו הראשונים, וכמה הדגמות מסחריות עדיין מרוכזות בשלבים בקנה מידה קטן ובשלבי פיילוט. תרחישי היישום שלו הם בעיקר כחומרי גלם לדלק תעשייתי. תחום זה יכול להתמקד ב: תסיסה ביולוגית ייצור מימן. קישורים מרכזיים כוללים גידול, טרנספורמציה והכנה של חיידקים מייצרי מימן בעלי ביצועים גבוהים, שיטת ייצור מימן משולבת תסיסה כהה-אור, טיפול מקדים של חומרי גלם לייצור מימן ביולוגיים וציוד תהליך הפרדת מימן.
מוצרים קשורים ב-ehisen
