Produksi Hidrogen Biomassa: Analisis Biaya Teknologi dan Skenario Aplikasi

Produksi hidrogen biomassa terutama mengacu pada penggunaan gasifikasi atau deoksigenasi katalitik mikroba untuk menghasilkan gas sintesis yang mengandung hidrogen setelah biomassa menjalani berbagai praperlakuan. Sumber daya biomassa tahunan yang tersedia di Tiongkok sekitar 3,5 miliar ton, yang sumber utamanya adalah tanaman energi, residu limbah pertanian, residu limbah kehutanan, dan limbah padat industri dan perkotaan. Penggunaan bahan baku biomassa untuk menghasilkan hidrogen merupakan metode yang beradaptasi dengan kondisi nasional Tiongkok dan memiliki rute teknologi produksi Hidrogen yang baik dengan prospek pengembangan yang menjanjikan. Karena bahan baku dalam beberapa skenario adalah biomassa yang mengandung karbon, jalur ini juga dianggap sebagai jalur produksi hidrogen "karbon-negatif", dan hidrogen yang diproduksi oleh jalur ini juga disebut "hidrogen zamrud" atau "hidrogen hijau super".

Teknologi produksi hidrogen biomassa dapat dibagi menjadi dua jalur utama: produksi hidrogen termokimia dan produksi hidrogen biologis. Produksi hidrogen termokimia dapat dibagi menjadi tiga jalur teknis yang dibagi lagi: penguapan uap, penguapan air superkritis, dan perengkahan termal serta pembentukan ulang biomassa; produksi hidrogen biologis juga disebut metode degradasi mikroba dan produksi hidrogen fermentasi biomassa, termasuk fotolisis langsung/tidak langsung. Ada berbagai jalur yang dibagi lagi seperti fotolisis, fermentasi cahaya, fermentasi gelap, fermentasi terang-gelap, biotransformasi enzim bebas sel, dll.

Mengacu pada metode mengubah biomassa menjadi gas mudah terbakar yang kaya hidrogen melalui perlakuan termokimia dan kemudian memperoleh hidrogen murni melalui pemisahan. Metode ini dapat menghasilkan hidrogen secara langsung dari bahan baku biomassa, atau dari produk antara depolimerisasi biomassa (seperti metanol, etanol). Menurut berbagai proses spesifik, metode ini dapat dibagi lagi menjadi teknologi gasifikasi uap, teknologi gasifikasi air superkritis, dan teknologi reformasi pirolisis biomassa:

Teknologi gasifikasi uap: Teknologi produksi hidrogen gasifikasi uap memilih uap sebagai agen gasifikasi. Tujuan dari pengolahan gasifikasi bahan baku biomassa adalah untuk menghilangkan komponen yang tidak mudah terbakar seperti nitrogen dan air untuk meningkatkan nilai kalor bahan bakar. Pada saat yang sama, menghilangkan sulfur dan nitrogen dapat mencegah produk mereka memasuki atmosfer dan mengurangi rasio massa unsur hidrokarbon; metode ini umumnya dapat memperoleh volume Kerugian menggunakan hidrogen 40% hingga 60% dan gas sintesis bernilai kalor tinggi adalah tar diproduksi sebagai produk sampingan. Oleh karena itu, mengeksplorasi katalis yang hemat biaya untuk meningkatkan produksi hidrogen, mengurangi suhu gasifikasi, mendorong perengkahan tar dan mengembangkan teknologi pengolahan tar hijau, mereformasi tar menjadi gas sintesis yang berharga dan sistem pemisahan hidrogen saat ini merupakan aplikasi lebih lanjut dari teknologi ini.

Teknologi pembentukan retak termal:Prinsip teknologi ini adalah memanaskan biomassa secara tidak langsung pada suhu 350 hingga 600 derajat dan mengisolasi udara dan oksigen (atau oksigen terbatas), sehingga dapat dipirolisis dan diubah menjadi biotar, kokas, dan gas. Hidrokarbon selanjutnya dipecah secara katalitik untuk memperoleh gas kaya hidrogen dan gas tersebut dipisahkan untuk memperoleh hidrogen. Dengan menggunakan katalis, fraksi volume hidrogen dalam gas pirolisis dapat mencapai 30% hingga 50%. Namun, tar yang dihasilkan selama proses pirolisis akan menimbulkan korosi pada peralatan dan jaringan pipa, yang menyebabkan penurunan efisiensi produksi hidrogen. Langkah-langkah kunci berikutnya saat ini adalah pengembangan katalis ekonomis baru, penelitian dan pengembangan proses penghilangan tar berbiaya rendah, proses pemisahan hidrogen, dll.

Penguapan air superkritis: mengacu pada dekomposisi biomassa dalam air superkritis untuk menghasilkan H2, CO, CO2, CH4 dan gas lainnya melalui pirolisis, hidrolisis, kondensasi dan dehidrogenasi. Teknologi produksi hidrogen penguapan air superkritis biomassa memiliki konsumsi energi yang relatif tinggi. Besar, produksi produk sampingan tar dan masalah lainnya. Meskipun harga bahan baku teknologi ini rendah, biaya operasi dan investasi awal sistem air superkritis tinggi, dan tidak ada proyek demonstrasi skala besar, sehingga tidak dapat dipromosikan untuk penggunaan komersial dalam jangka pendek.

Metode biologis dapat dibagi lagi menjadi fotolisis langsung, fotolisis tidak langsung, fermentasi cahaya, fermentasi gelap, fermentasi gabungan terang-gelap, konversi enzim bebas sel dan jalur-jalur lainnya; jalur teknis yang berbeda memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri, di antaranya fermentasi gabungan terang dan gelap tidak hanya dapat mengurangi permintaan energi cahaya sampai batas tertentu, tetapi juga secara signifikan meningkatkan produksi hidrogen. Ini adalah arah pengembangan utama produksi hidrogen biologis saat ini.

Perwakilan Asing - Inggris Raya:

Pada awal tahun 2023, Departemen Bisnis, Energi, dan Strategi Industri Inggris (BEIS) mengumumkan akan menginvestasikan 30 juta pound untuk mendukung inovasi dalam teknologi produksi hidrogen biomassa. Arah pendanaan khusus:

Pra-perlakuan bahan baku: mengembangkan teknologi pra-perlakuan bahan baku yang hemat biaya, hemat energi, dan efisien untuk mengoptimalkan biomassa dan bahan baku limbah. Termasuk teknologi granulasi, teknologi penyortiran mekanis, teknologi perlakuan panas dan kalsinasi, dll.;

Penelitian dan pengembangan teknologi gasifikasi canggih dan komponen-komponennya: fokus pada peningkatan kualitas syngas dan peningkatan efisiensi produksi hidrogen. Termasuk teknologi pemantauan waktu nyata, teknologi penghilangan fisik, teknologi penghilangan kimia, teknologi penghilangan tar katalitik dan termal, teknologi adsorpsi ayunan tekanan gas sintesis, teknologi integrasi gasifier, dll.;

Teknologi produksi hidrogen biomassa baru: Fokus pada pengembangan teknologi produksi hidrogen biomassa baru yang dapat dikombinasikan dengan penangkapan karbon. Termasuk teknologi produksi hidrogen fermentasi anaerobik, teknologi produksi hidrogen fotofermentasi, teknologi pengolahan air limbah, teknologi produksi hidrogen reformasi metana, teknologi pirolisis, dll.;

Cina:

Produksi hidrogen biologis - sebelumnya telah berada pada tahap laboratorium; pada awal tahun 2023, proyek produksi dan pembangkit listrik hidrogen biologis terpadu pertama di negara ini diluncurkan di Harbin (menggunakan teknologi produksi hidrogen fermentasi limbah biomassa, menggunakan jerami limbah pertanian, limbah lanskap, limbah makanan, air limbah organik yang sangat pekat, dll. digunakan sebagai substrat fermentasi, dan strain penghasil hidrogen anaerobik yang efisien digunakan sebagai produsen hidrogen untuk memproses limbah sambil memulihkan sejumlah besar hidrogen energi bersih. Teknologi ini berasal dari tim Akademisi Ren Nanqi dari Institut Teknologi Harbin).

Produksi hidrogen termokimia - terutama digunakan untuk biomassa atau limbah dengan kadar air rendah, seperti limbah kota dan limbah padat industri yang mengandung lebih banyak kardus, plastik, dan zat lainnya. Perusahaan domestik seperti Dongfang Boiler, Datang Group, dan perusahaan energi tradisional lainnya menerapkan gasifikasi pirolisis untuk menghasilkan hidrogen. Namun, karena kompleksitas proses pengolahan gas, saat ini belum ada proyek operasi komersial yang matang di Tiongkok melalui rute ini. Jiman Technology, yang lahir dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, saat ini sedang mempromosikan pembangunan proyek demonstrasi skala kecil dan skala percontohan.

Produksi hidrogen biomassa dapat secara efektif memanfaatkan limbah industri, pertanian, dan perkotaan, tetapi lokasi konstruksi dibatasi oleh area pasokan bahan baku dan merupakan jalur produksi hidrogen terdistribusi; produk langsungnya adalah gas sintesis yang mengandung hidrogen, yang akan mengandung pengotor seperti CO, H2S, dan tar. Gas tersebut perlu dipisahkan lebih lanjut untuk mendapatkan hidrogen sebelum dapat digunakan, yang lebih cocok sebagai bahan bakar atau bahan baku industri.

Metode termokimia: Laju konversinya cepat, tetapi memerlukan peralatan tinggi, katalis, dll., dan pemisahan gas sulit; kita dapat fokus pada arah terobosan utama seperti katalis baru, pembentukan dan pemanfaatan tar, serta proses dan peralatan pemisahan gas.

Metode biologis: hasil tinggi, biaya rendah, tetapi banyak kotoran; di antaranya, produksi hidrogen fermentasi kopling terang-gelap memiliki efisiensi produksi hidrogen tercepat dan tingkat pemanfaatan substrat tertinggi, dan diharapkan menjadi teknologi aplikasi utama produksi hidrogen biologis di masa depan.

Singkatnya, produksi hidrogen biomassa umumnya masih dalam tahap awal, dan beberapa demonstrasi komersial masih terkonsentrasi pada tahap skala kecil dan percontohan. Skenario penerapannya terutama sebagai bahan baku bahan bakar industri. Bidang ini dapat difokuskan pada: produksi hidrogen fermentasi biologis. Kaitan utama meliputi pembudidayaan, transformasi, dan penyiapan bakteri penghasil hidrogen berkinerja tinggi, metode produksi hidrogen fermentasi terang-gelap, praperlakuan bahan baku produksi hidrogen biologis, dan peralatan proses pemisahan hidrogen.

Busa Nikel Berlapis Platinum

Elektroda Jaring Pt/Ti