(1) Konzept und Definition der Wasserstofferzeugung aus Biomasse
Die Produktion von Wasserstoff aus Biomasse bezieht sich hauptsächlich auf die Verwendung von Vergasung oder mikrobieller katalytischer Sauerstoffentfernung zur Herstellung von wasserstoffhaltigem Synthesegas, nachdem Biomasse verschiedenen Vorbehandlungen unterzogen wurde. Chinas jährlich verfügbare Biomasseressourcen betragen etwa 3,5 Milliarden Tonnen, wobei die Hauptquellen Energiepflanzen, landwirtschaftliche Abfallrückstände, forstwirtschaftliche Abfallrückstände sowie industrielle und städtische Feststoffe sind. Die Verwendung von Biomasserohstoffen zur Herstellung von Wasserstoff ist eine Methode, die sich an die nationalen Bedingungen Chinas anpasst und einen guten technologischen Weg zur Wasserstoffproduktion mit vielversprechenden Entwicklungsaussichten bietet. Da der Rohstoff in einigen Szenarien kohlenstoffhaltige Biomasse ist, wird dieser Weg auch als „kohlenstoffnegativer“ Wasserstoffproduktionsweg angesehen, und der auf diesem Weg erzeugte Wasserstoff wird auch als „Smaragdwasserstoff“ oder „supergrüner Wasserstoff“ bezeichnet.
(2) Technischer Pfad zur Wasserstofferzeugung aus Biomasse
Die Technologie zur Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse kann im Wesentlichen in zwei Hauptwege unterteilt werden: thermochemische Wasserstoffherstellung und biologische Wasserstoffherstellung. Die thermochemische Wasserstoffherstellung kann in drei technische Unterwege unterteilt werden: Dampfverdampfung, überkritische Wasserverdampfung und thermisches Cracken und Reformieren von Biomasse; die biologische Wasserstoffherstellung wird auch als mikrobielle Abbaumethode bezeichnet und die Wasserstoffherstellung durch Biomassefermentation umfasst verschiedene Unterwege wie direkte Photolyse/indirekte Photolyse, Lichtfermentation, Dunkelfermentation, gekoppelte Licht-Dunkel-Fermentation, zellfreie enzymatische Biotransformation usw.
Technologiepfad 1: Thermochemische Methode
Bezieht sich auf die Methode, Biomasse durch thermochemische Behandlung in wasserstoffreiches brennbares Gas umzuwandeln und dann durch Trennung reinen Wasserstoff zu gewinnen. Mit dieser Methode kann Wasserstoff direkt aus Biomasserohstoffen oder aus Zwischenprodukten der Biomassedepolymerisation (wie Methanol, Ethanol) erzeugt werden. Je nach spezifischen Verfahren kann es weiter in Dampfvergasungstechnologie, überkritische Wasservergasungstechnologie und Biomassepyrolysereformierungstechnologie unterteilt werden:
Wasserdampfvergasungstechnologie: Bei der Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Dampfvergasung wird Dampf als Vergasungsmittel verwendet. Der Zweck der Vergasungsbehandlung von Biomasserohstoffen besteht darin, nicht brennbare Bestandteile wie Stickstoff und Wasser zu entfernen, um den Heizwert des Brennstoffs zu erhöhen. Gleichzeitig kann durch die Entfernung von Schwefel und Stickstoff verhindert werden, dass ihre Produkte in die Atmosphäre gelangen, und der Massenanteil der Kohlenwasserstoffelemente verringert werden. Mit dieser Methode kann im Allgemeinen das Volumen erhalten werden. Der Nachteil der Verwendung von 40 % bis 60 % Wasserstoff und Synthesegas mit hohem Heizwert besteht darin, dass Teer als Nebenprodukt entsteht. Daher werden derzeit kostengünstige Katalysatoren erforscht, um die Wasserstoffproduktion zu steigern, die Vergasungstemperatur zu senken, das Teercracken zu fördern und grüne Teerbehandlungstechnologien zu entwickeln, Teer in wertvolles Synthesegas umzuwandeln und Wasserstofftrennsysteme zu entwickeln.
Thermische Crack-Reformierungstechnologie:Das Prinzip dieser Technologie besteht darin, Biomasse indirekt auf 350 bis 600 Grad zu erhitzen und Luft und Sauerstoff (oder Sauerstoffmangel) zu isolieren, sodass sie pyrolysiert und in Bioteer, Koks und Gas umgewandelt werden kann. Die Kohlenwasserstoffe werden anschließend katalytisch gespalten, um wasserstoffreiches Gas zu erhalten, und das Gas wird getrennt, um Wasserstoff zu erhalten. Unter der Voraussetzung, dass ein Katalysator verwendet wird, kann der Volumenanteil von Wasserstoff im Pyrolysegas 30 bis 50 % erreichen. Der während des Pyrolyseprozesses entstehende Teer korrodiert jedoch Geräte und Rohrleitungen, was zu einer Verringerung der Effizienz der Wasserstoffproduktion führt. Die nächsten wichtigen Schritte sind derzeit die Entwicklung neuer wirtschaftlicher Katalysatoren, die Erforschung und Entwicklung kostengünstiger Teerentfernungsverfahren, Wasserstofftrennungsverfahren usw.
Überkritische Wasserverdampfung: bezieht sich auf die Zersetzung von Biomasse in überkritischem Wasser zur Erzeugung von H2, CO, CO2, CH4 und anderen Gasen durch Pyrolyse, Hydrolyse, Kondensation und Dehydrierung. Die Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Verdampfung von überkritischem Wasser aus Biomasse hat einen relativ hohen Energieverbrauch. Große Probleme, die Produktion von Teernebenprodukten und andere. Obwohl der Rohstoffpreis dieser Technologie niedrig ist, sind die Betriebskosten und die Anfangsinvestition des überkritischen Wassersystems hoch, und es gibt keine groß angelegten Demonstrationsprojekte, sodass sie kurzfristig nicht für den kommerziellen Einsatz gefördert werden kann.
Technologiepfad 2: Biologische Methode
Biologische Methoden können in direkte Photolyse, indirekte Photolyse, Lichtfermentation, Dunkelfermentation, Licht-Dunkel-gekoppelte Fermentation, zellfreie Enzymumwandlung und andere Unterteilungswege unterteilt werden. Verschiedene technische Wege haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, wobei die Licht-Dunkel-gekoppelte Fermentation nicht nur den Bedarf an Lichtenergie bis zu einem gewissen Grad reduzieren, sondern auch die Wasserstoffproduktion deutlich steigern kann. Dies ist derzeit die Hauptentwicklungsrichtung der biologischen Wasserstoffproduktion.
(3) Fortschritt der Biomasse-Wasserstoffproduktion im In- und Ausland
Auslandsvertretung - Vereinigtes Königreich:
Anfang 2023 kündigte das britische Ministerium für Wirtschaft, Energie und Industriestrategie (BEIS) an, 30 Millionen Pfund in die Förderung von Innovationen im Bereich der Biomasse-Wasserstoffproduktionstechnologie zu investieren. Konkrete Förderrichtungen:
Rohstoffvorbehandlung: Entwicklung kostengünstiger, energiesparender und effizienter Rohstoffvorbehandlungstechnologien zur Optimierung von Biomasse und Abfallrohstoffen. Einschließlich Granulierungstechnologie, mechanischer Sortiertechnologie, Wärmebehandlungs- und Kalzinierungstechnologie usw.;
Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Vergasungstechnologie und ihrer Komponenten: Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Synthesegasqualität und der Verbesserung der Effizienz der Wasserstoffproduktion. Einschließlich Echtzeitüberwachungstechnologie, physikalischer Entfernungstechnologie, chemischer Entfernungstechnologie, katalytischer und thermischer Teerentfernungstechnologie, Druckwechseladsorptionstechnologie für Synthesegas, Vergaserintegrationstechnologie usw.;
Neue Technologie zur Wasserstofferzeugung aus Biomasse: Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Technologien zur Wasserstofferzeugung aus Biomasse, die mit der Kohlenstoffabscheidung kombiniert werden können. Einschließlich Technologie zur Wasserstofferzeugung durch anaerobe Fermentation, Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Photofermentation, Technologie zur Abwasserbehandlung, Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Methanreformierung, Pyrolysetechnologie usw.;
China:
Biologische Wasserstoffproduktion – sie befand sich bereits zuvor im Laborstadium; Anfang 2023 wurde in Harbin das landesweit erste integrierte Projekt zur biologischen Wasserstoffproduktion und Stromerzeugung gestartet (unter Verwendung einer Technologie zur Wasserstoffproduktion durch Fermentation von Biomasseabfällen, bei der landwirtschaftliches Stroh, Landschaftsabfälle, Lebensmittelabfälle, hochkonzentriertes organisches Abwasser usw. als Fermentationssubstrate verwendet werden und effiziente anaerobe wasserstoffproduzierende Stämme als Wasserstoffproduzenten verwendet werden, um Abfälle zu verarbeiten und dabei eine große Menge an sauberem Wasserstoff für Energie zurückzugewinnen. Die Technologie stammt vom Team des Akademikers Ren Nanqi vom Harbin Institute of Technology).
Thermochemische Wasserstoffproduktion – wird hauptsächlich für Biomasse oder Abfall mit geringem Wassergehalt verwendet, wie z. B. Hausmüll und Industrieabfälle, die mehr Karton, Kunststoff und andere Stoffe enthalten. Inländische Unternehmen wie Dongfang Boiler, Datang Group und andere traditionelle Energieunternehmen setzen Pyrolysevergasung zur Wasserstoffproduktion ein. Aufgrund der Komplexität des Gasaufbereitungsprozesses gibt es derzeit in China jedoch kein ausgereiftes kommerzielles Betriebsprojekt auf diesem Weg. Jiman Technology, ein Unternehmen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, fördert derzeit den Bau von Demonstrationsprojekten im kleinen und Pilotmaßstab.
(4) Wichtigste Gesichtspunkte und Schlussfolgerungen zur Wasserstoffproduktion aus Biomasse:
Die Produktion von Wasserstoff aus Biomasse kann Abfälle aus Industrie, Landwirtschaft und Städten effektiv nutzen, aber der Standort des Bauvorhabens ist durch die Rohstoffversorgungsregion begrenzt und stellt einen verteilten Wasserstoffproduktionsweg dar. Das direkte Produkt ist wasserstoffhaltiges Synthesegas, das Verunreinigungen wie CO, H2S und Teer enthält. Das Gas muss weiter getrennt werden, um Wasserstoff zu erhalten, bevor es verwendet werden kann, der sich besser als Kraftstoff oder Industrierohstoff eignet.
Thermochemische Methode: Die Umwandlungsrate ist hoch, erfordert jedoch einen hohen Aufwand an Ausrüstung, Katalysatoren usw. und die Gastrennung ist schwierig; wir können uns auf wichtige Durchbruchsrichtungen wie neue Katalysatoren, Teerreformierung und -nutzung sowie Prozesse und Ausrüstung zur Gastrennung konzentrieren.
Biologische Methode: Hohe Ausbeute, niedrige Kosten, aber viele Verunreinigungen; darunter weist die Wasserstoffproduktion durch gekoppelte Licht-Dunkel-Fermentation die schnellste Wasserstoffproduktionseffizienz und die höchste Substratausnutzungsrate auf und dürfte in Zukunft die gängige Anwendungstechnologie der biologischen Wasserstoffproduktion werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Produktion von Wasserstoff aus Biomasse im Allgemeinen noch in einem frühen Stadium befindet und einige kommerzielle Demonstrationen noch auf die Klein- und Pilotphase konzentriert sind. Die Anwendungsszenarien sind hauptsächlich als Rohstoffe für industrielle Brennstoffe. Dieser Bereich kann sich auf die Produktion von Wasserstoff durch biologische Fermentation konzentrieren. Zu den wichtigsten Verbindungen gehören die Kultivierung, Umwandlung und Herstellung von Hochleistungsbakterien zur Wasserstoffproduktion, die Methode der gekoppelten Licht-Dunkel-Fermentation zur Wasserstoffproduktion, die Vorbehandlung von Rohstoffen zur biologischen Wasserstoffproduktion und die Ausrüstung zur Wasserstofftrennung.
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