(1) แนวคิดและนิยามการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล
การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลนั้นหมายถึงการใช้ก๊าซซิฟิเคชันหรือการดีออกซิเจนด้วยจุลินทรีย์เพื่อผลิตก๊าซสังเคราะห์ที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักหลังจากที่ชีวมวลผ่านกระบวนการบำบัดเบื้องต้นที่แตกต่างกัน ทรัพยากรชีวมวลที่มีอยู่ต่อปีของจีนอยู่ที่ประมาณ 3,500 ล้านตัน ซึ่งแหล่งที่มาหลักคือพืชพลังงาน เศษเหลือจากการเกษตร เศษเหลือจากป่าไม้ และขยะมูลฝอยจากอุตสาหกรรมและในเมือง การใช้ชีวมวลดิบในการผลิตไฮโดรเจนเป็นวิธีการที่ปรับให้เข้ากับสภาพของประเทศจีนและมีเส้นทางเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนที่ดีพร้อมแนวโน้มการพัฒนาที่มีแนวโน้มดี เนื่องจากวัตถุดิบในบางสถานการณ์เป็นชีวมวลที่มีคาร์บอน เส้นทางนี้จึงถือเป็นเส้นทางการผลิตไฮโดรเจน "คาร์บอนลบ" และไฮโดรเจนที่ผลิตขึ้นโดยเส้นทางนี้เรียกอีกอย่างว่า "ไฮโดรเจนมรกต" หรือ "ไฮโดรเจนสีเขียวสุดยอด"
(2) เส้นทางเทคนิคการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล
เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลสามารถแบ่งได้เป็น 2 เส้นทางหลัก ได้แก่ การผลิตไฮโดรเจนทางเคมีความร้อนและการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ การผลิตไฮโดรเจนทางเคมีความร้อนสามารถแบ่งได้เป็น 3 เส้นทางทางเทคนิคที่แบ่งย่อยได้ ได้แก่ การระเหยด้วยไอน้ำ การระเหยของน้ำในสภาวะวิกฤต และการแตกร้าวและการปฏิรูปด้วยความร้อนจากชีวมวล การผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพเรียกอีกอย่างว่าวิธีการย่อยสลายจุลินทรีย์ และการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักชีวมวล รวมถึงการสลายตัวด้วยแสงโดยตรง/โดยอ้อม มีเส้นทางย่อยต่างๆ เช่น การสลายตัวด้วยแสง การหมักด้วยแสง การหมักแบบมืด การหมักแบบสว่าง-มืด การเปลี่ยนรูปเอนไซม์แบบปลอดเซลล์ เป็นต้น
เส้นทางเทคโนโลยี 1: วิธีการเทอร์โมเคมี
หมายถึงวิธีการแปลงชีวมวลให้เป็นก๊าซติดไฟที่มีไฮโดรเจนสูงผ่านกระบวนการเทอร์โมเคมี แล้วจึงได้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ผ่านการแยก วิธีการนี้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้โดยตรงจากวัตถุดิบชีวมวล หรือจากผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของการดีพอลิเมอไรเซชันของชีวมวล (เช่น เมทานอล เอทานอล) โดยสามารถแบ่งตามกระบวนการเฉพาะต่างๆ ได้เพิ่มเติมเป็นเทคโนโลยีการเปลี่ยนก๊าซเป็นไอน้ำ เทคโนโลยีการเปลี่ยนก๊าซเป็นน้ำเหนือวิกฤต และเทคโนโลยีการแปรรูปชีวมวลด้วยไพโรไลซิส:
เทคโนโลยีการผลิตก๊าซด้วยไอน้ำ:เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนด้วยไอน้ำเป็นก๊าซจะเลือกไอน้ำเป็นตัวการทำให้เป็นก๊าซ วัตถุประสงค์ของการบำบัดด้วยก๊าซของวัตถุดิบชีวมวลคือการกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ติดไฟ เช่น ไนโตรเจนและน้ำ เพื่อเพิ่มค่าความร้อนของเชื้อเพลิง ในเวลาเดียวกัน การกำจัดกำมะถันและไนโตรเจนสามารถป้องกันไม่ให้ผลิตภัณฑ์ของส่วนประกอบเหล่านี้เข้าสู่ชั้นบรรยากาศและลดอัตราส่วนมวลขององค์ประกอบไฮโดรคาร์บอน วิธีนี้สามารถให้ปริมาตรได้โดยทั่วไป ข้อเสียของการใช้ไฮโดรเจน 40% ถึง 60% และก๊าซสังเคราะห์ที่มีค่าความร้อนสูงคือทาร์ถูกผลิตเป็นผลพลอยได้ ดังนั้น การสำรวจตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุนเพื่อเพิ่มการผลิตไฮโดรเจน ลดอุณหภูมิของก๊าซ ส่งเสริมการแตกร้าวของทาร์ และพัฒนาเทคโนโลยีการบำบัดด้วยทาร์สีเขียว การปฏิรูปทาร์ให้เป็นก๊าซสังเคราะห์ที่มีค่าและระบบแยกไฮโดรเจนจึงเป็นการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ต่อไปในปัจจุบัน
เทคโนโลยีการปฏิรูปการแตกร้าวด้วยความร้อน:หลักการของเทคโนโลยีนี้คือการให้ความร้อนทางอ้อมกับชีวมวลที่อุณหภูมิ 350 ถึง 600 องศา และแยกอากาศและออกซิเจน (หรือออกซิเจนที่จำกัด) เพื่อให้สามารถไพโรไลซิสและแปลงเป็นไบโอทาร์ โค้ก และก๊าซได้ ไฮโดรคาร์บอนจะถูกแยกออกด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ก๊าซที่มีไฮโดรเจนสูง และก๊าซจะถูกแยกออกเพื่อให้ได้ไฮโดรเจน ภายใต้สมมติฐานของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เศษส่วนปริมาตรของไฮโดรเจนในก๊าซไพโรไลซิสสามารถสูงถึง 30% ถึง 50% อย่างไรก็ตาม ทาร์ที่ผลิตขึ้นระหว่างกระบวนการไพโรไลซิสจะกัดกร่อนอุปกรณ์และท่อ ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจนลดลง ขั้นตอนสำคัญต่อไปในปัจจุบันคือการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาราคาประหยัดใหม่ การวิจัยและพัฒนากระบวนการกำจัดทาร์ต้นทุนต่ำ กระบวนการแยกไฮโดรเจน เป็นต้น
การระเหยของน้ำเหนือวิกฤต: หมายถึงการสลายตัวของชีวมวลในน้ำเหนือวิกฤตเพื่อผลิต H2, CO, CO2, CH4 และก๊าซอื่น ๆ ผ่านกระบวนการไพโรไลซิส ไฮโดรไลซิส ควบแน่น และการกำจัดไฮโดรเจน เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนด้วยการระเหยน้ำเหนือวิกฤตของชีวมวลมีการใช้พลังงานค่อนข้างสูง การผลิตผลิตภัณฑ์จากน้ำมันดินและปัญหาอื่น ๆ เป็นจำนวนมาก แม้ว่าราคาวัตถุดิบของเทคโนโลยีนี้จะต่ำ แต่ต้นทุนการดำเนินงานและการลงทุนเริ่มต้นของระบบน้ำเหนือวิกฤตนั้นสูง และไม่มีโครงการสาธิตขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงไม่สามารถส่งเสริมให้ใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ในระยะสั้น
เส้นทางเทคโนโลยี 2: วิธีทางชีวภาพ
วิธีการทางชีวภาพสามารถแบ่งย่อยได้เป็นการสลายตัวด้วยแสงโดยตรง การสลายตัวด้วยแสงโดยอ้อม การหมักด้วยแสง การหมักแบบมืด การหมักแบบจับคู่แสง-มืด การแปลงเอนไซม์แบบปลอดเซลล์ และเส้นทางย่อยอื่นๆ เส้นทางทางเทคนิคที่แตกต่างกันมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ซึ่งการหมักแบบจับคู่แสงและแบบมืดไม่เพียงแต่ลดความต้องการพลังงานแสงได้ในระดับหนึ่งเท่านั้น แต่ยังเพิ่มการผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมากอีกด้วย นี่คือทิศทางการพัฒนาหลักของการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพในปัจจุบัน
(3) ความก้าวหน้าการผลิตไฮโดรเจนชีวมวลในและต่างประเทศ
ผู้แทนต่างประเทศ - สหราชอาณาจักร:
เมื่อต้นปี 2023 กรมธุรกิจ พลังงาน และกลยุทธ์อุตสาหกรรมของอังกฤษ (BEIS) ประกาศว่าจะลงทุน 30 ล้านปอนด์เพื่อสนับสนุนนวัตกรรมในเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล ทิศทางการจัดหาเงินทุนโดยเฉพาะ:
การบำบัดวัตถุดิบเบื้องต้น: พัฒนาเทคโนโลยีการบำบัดวัตถุดิบเบื้องต้นที่มีต้นทุนต่ำ ประหยัดพลังงาน และมีประสิทธิภาพ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ชีวมวลและวัตถุดิบเหลือทิ้ง รวมถึงเทคโนโลยีการอัดเม็ด เทคโนโลยีการคัดแยกทางกล เทคโนโลยีการอบด้วยความร้อนและการเผา เป็นต้น
วิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตก๊าซขั้นสูงและส่วนประกอบต่างๆ: มุ่งเน้นการปรับปรุงคุณภาพของก๊าซสังเคราะห์และการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน รวมถึงเทคโนโลยีการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ เทคโนโลยีการกำจัดทางกายภาพ เทคโนโลยีการกำจัดสารเคมี เทคโนโลยีการกำจัดทาร์ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาและความร้อน เทคโนโลยีการดูดซับแกว่งแรงดันของก๊าซสังเคราะห์ เทคโนโลยีการรวมก๊าซซิไฟเออร์ ฯลฯ
เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลแบบใหม่: มุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลแบบใหม่ที่สามารถผสมผสานกับการดักจับคาร์บอนได้ รวมถึงเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจน เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักด้วยแสง เทคโนโลยีการบำบัดน้ำเสีย เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากการปฏิรูปมีเทน เทคโนโลยีการไพโรไลซิส เป็นต้น
จีน:
การผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ - เคยอยู่ในขั้นตอนการทดลองในห้องปฏิบัติการมาก่อน ในช่วงต้นปี 2023 โครงการผลิตและผลิตพลังงานไฮโดรเจนทางชีวภาพแบบบูรณาการแห่งแรกของประเทศได้เปิดตัวในฮาร์บิน (โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักขยะชีวมวล การใช้ฟางขยะทางการเกษตร ขยะจากการจัดสวน ขยะอาหาร น้ำเสียอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูง ฯลฯ ใช้เป็นสารตั้งต้นในการหมัก และใช้สายพันธุ์ที่ผลิตไฮโดรเจนแบบไม่ใช้ออกซิเจนที่มีประสิทธิภาพในการผลิตไฮโดรเจนเพื่อประมวลผลขยะในขณะที่กู้คืนไฮโดรเจนพลังงานสะอาดจำนวนมาก เทคโนโลยีนี้มาจากทีมของ Ren Nanqi นักวิชาการจากสถาบันเทคโนโลยีฮาร์บิน)
การผลิตไฮโดรเจนแบบเทอร์โมเคมี - ส่วนใหญ่ใช้สำหรับชีวมวลหรือของเสียที่มีปริมาณน้ำต่ำ เช่น ขยะเทศบาลและขยะมูลฝอยจากอุตสาหกรรมที่มีกระดาษแข็ง พลาสติก และสารอื่นๆ มากขึ้น บริษัทในประเทศ เช่น Dongfang Boiler, Datang Group และบริษัทพลังงานแบบดั้งเดิมอื่นๆ กำลังปรับใช้การแปรสภาพเป็นก๊าซไพโรไลซิสเพื่อผลิตไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการบำบัดก๊าซมีความซับซ้อน ปัจจุบันจึงไม่มีโครงการดำเนินการเชิงพาณิชย์ที่ครบถ้วนสมบูรณ์ในจีนภายใต้เส้นทางนี้ Jiman Technology ซึ่งถือกำเนิดจาก Chinese Academy of Sciences กำลังส่งเสริมการก่อสร้างโครงการสาธิตขนาดเล็กและระดับนำร่องอยู่ในขณะนี้
(4) มุมมองหลักและข้อสรุปเกี่ยวกับการผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวล:
การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลสามารถใช้ของเสียจากอุตสาหกรรม เกษตรกรรม และในเมืองได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่สถานที่ก่อสร้างถูกจำกัดด้วยพื้นที่จัดหาวัตถุดิบ และเป็นเส้นทางการผลิตไฮโดรเจนแบบกระจาย ผลิตภัณฑ์โดยตรงคือก๊าซสังเคราะห์ที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ ซึ่งจะมีสิ่งเจือปน เช่น CO, H2S และน้ำมันดิน จำเป็นต้องแยกก๊าซเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ไฮโดรเจนก่อนจึงจะนำไปใช้ได้ ซึ่งเหมาะสมกว่าที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงหรือวัตถุดิบในอุตสาหกรรม
วิธีการเทอร์โมเคมี: อัตราการแปลงเร็ว แต่ต้องใช้อุปกรณ์ ตัวเร่งปฏิกิริยา ฯลฯ จำนวนมาก และการแยกก๊าซทำได้ยาก เราสามารถเน้นที่ทิศทางการพัฒนาที่สำคัญ เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ การปฏิรูปและการใช้ประโยชน์ทาร์ และกระบวนการและอุปกรณ์แยกก๊าซ
วิธีทางชีวภาพ: ผลผลิตสูง ต้นทุนต่ำ แต่มีสิ่งเจือปนมาก โดยการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักแบบผสมแสงและมืดมีประสิทธิภาพในการผลิตไฮโดรเจนที่เร็วที่สุดและอัตราการใช้สารตั้งต้นสูงที่สุด และคาดว่าจะกลายเป็นเทคโนโลยีการประยุกต์ใช้หลักของการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพในอนาคต
โดยสรุป การผลิตไฮโดรเจนจากชีวมวลโดยทั่วไปยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และการสาธิตเชิงพาณิชย์บางส่วนยังคงกระจุกตัวอยู่ในขั้นตอนขนาดเล็กและขั้นตอนนำร่อง สถานการณ์การใช้งานส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงสำหรับอุตสาหกรรม สาขานี้สามารถเน้นที่: การผลิตไฮโดรเจนจากการหมักทางชีวภาพ การเชื่อมโยงที่สำคัญ ได้แก่ การเพาะเลี้ยง การแปลงสภาพ และการเตรียมแบคทีเรียที่ผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพสูง วิธีการผลิตไฮโดรเจนจากการหมักแบบควบคู่แสงและมืด การบำบัดเบื้องต้นของวัตถุดิบในการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ และอุปกรณ์กระบวนการแยกไฮโดรเจน
สินค้าที่เกี่ยวข้องในเอฮิเซ็น
