אנרגיה ביולוגית ומעבר ייצור מימן

מבוא: הקונפורנסיכות של Bio Energy ו-Green Hydrogen

מעבר האנרגיה הגלובלי דורש חלופות מדרגיות, פחמן נמוך לדלקים מאובנים.בין המסלולים המבטיחים ביותר הוא מימן ירוק - הידרוגן המיוצר באמצעות אלקטרוליטיזה המופעלת על ידי חשמל מתחדשים בלבד, אך חשמל מתחדשים בלבד לא תמיד יכול לספק את העומס או גמישות המזינים הנדרשת עבור הדור המתמן המתמשך, עלות-ידי אנרגיה מתחדשת, שם נכנס לתמונה, מציע מקור משלים, גמיש של כוח מתחדש, וגישה ישירות למימן באמצעות תהליכים ביולוגיים ומזגים, אנו יכולים באמת להשתמש בשרשרת אנרגיה ירוקה, כדי לשלב באמת, כדי ליצור בעיות אנרגיה מעגלית, ואקלים, ומזגת, ממש, ואווירה, ומזגת, אנו יכולים להשתמש בשרשרת ירוקה.

מאמר זה חוקר את יסודות האנרגיה הביולוגית, את המסלולים הטכניים להמיר ביומסה למימן, את היתרונות ואת המגבלות של גישות אלה, ואת התחזית עבור כלכלת מימן מופעלת בחלק על ידי משאבים אורגניים.עבור בהקשר נוסף על אסטרטגיות מימן גלובליות, לראות את ה-FLT:0IEA Global Hydrogen Review 202406FLT:1.

הבנה של Bio Energy: מקורות, טכנולוגיות ופוטנציאל

מה זה Bio Energy?

אנרגיה ביולוגית היא אנרגיה שמקורה בחומרים אורגניים הידועים באופן קולקטיבי כביומסה.זה כולל יבולי אנרגיה ייעודיים (למשל, מתגגראות, ערפל קנטנוס), שאריות חקלאיות (הנרים, סוכריות), שאריות יער (שבבים מעץ, צ'יפס), ממאירות בעלי חיים, פסולת מוצקה עירונית, ואצה.ה אנרגיה כימית מאוחסנים בביומסה מקורם מתמונות, מהסרטים, מהפיית, מהפיית, מהפייתות, מהמשכות את קצב ייצורו של חומר מתחדשים לא עולה על פני המים.

מהפכת טכנולוגיות

ניתן להמיר את הביומסה לאנרגיה שניתן להשתמש בה באמצעות מספר מסלולים:

• (ב) ,0) שריפת חשמל: 1 (ב) בוערת ישירה לייצר חום וחשמל (למשל, צמחי חשמל ביומסה, הכפלת פחם).
• (ב) ⁇ (ב"ג:0) ⁇ :0) ⁇ חלק בטמפרטורה גבוהה (-1700400 מעלות צלזיוס) לייצר סינגיה (CO + H2).
• (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) אנירובי העיכול: התמוטטות מיקרוביאלית של חומר אורגני בהיעדר חמצן לייצר ביוגז (CH4 + CO2).
• (ב) ⁇ :0 (ב) ,ב"ה, בפרשת סוכר (ב) , אִנְלוּ, אִנְלוּ, אִנְלוּלְתָּעָה (במדבר כ"ד).

לכל טכנולוגיה יש דרישות הזנה נפרדות, יעילות אנרגיה ותפוקה. עבור ייצור מימן ירוק, גזיפיק עיכול אנירובי הם רלוונטיים במיוחד, שכן הם מייצרים זרמי גז עשירים מימן או ביוגז שניתן לבצע רפורמה.

פוטנציאל ביולוגי עולמי

הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת (IRENA) מעריכה כי אנרגיה ביולוגית בת קיימא יכולה לעמוד עד 20% מהביקוש העולמי לאנרגיה ראשונית עד שנת 2050, עם אנרגיה ביולוגית מודרנית החשבונאית כיום כ-5%.עם זאת, חששות לגבי שימוש בקרקע, תחרות מזון, ומגוון ביולוגי חייב להיות מנוהל באמצעות קריטריונים נוקשים של קיימות.

תפקידה של Bio Energy בייצור ירוק מימן

Defining Green Hydrogen

מימן ירוק מיוצר על ידי פיצול מים (H2O) לתוך מימן (H2) וחמצן (O2) באמצעות אלקטרוליטיזה, מופעל אך ורק על ידי מקורות אנרגיה מתחדשת כגון השמש, רוח, כוח הידרואלקטרי, או ביו-אנרגיה.המימן המתקבל יש פליטות פחמן כמעט אפס אפס בנקודה של ייצור, מה שהופך אותו אבן הפינה של decarbonizing קשה-to-abate מגזרים כמו ייצור פלדה, תחבורה כבדה, וסינפט.

עם זאת, אלקטרוליצרים דורשים ניתוח של גורם בעצימות גבוהה להיות כלכלי - באופן אידיאלי מעל 50% - אשר מאתגר עם משתנים מתחדשים לבד. ביו-אנרגיה יכול למלא פער זה על ידי מתן חשמל מתחדשים יציב, על ידי הפעלתו כמזין מימן ישיר דרך נתיבים תרמוכימיים.

מסלול 1: Biomass Gasification with Reforming

במסלול זה, הביומסה מוגזמת לסנגז (תערובת של CO ו- H2). הסינגז לאחר מכן עובר תגובה של משמרת גז מים (CO + H2O) CO222O + H2) כדי להגדיל את התשואות מימן, ואחריו על ידי לחץ המודעות נדנדה (PSA) או membrane הפרדה כדי לטהר H2 ל >99.9%.

1. הכנת מזון (drying, Sizeduction).
2. גזציה ב 800-1000 מעלות C עם הזרקת חמצן / צוות מבוקר.
3. ניקוי הסייגס (removal of tars, חלקיקים, תרכובות sulfur).
4. כורים לשינוי גז מים (אחד או שני שלבים).
5. ניקוי מימן

צמחי מסחר קיימים (למשל, בשוודיה ובהולנד) להשגת יעילות של 50–70% (בסיס HHV).ה-CO2 המיוצר יכול להילכד ולחסן (BECCS) כדי להשיג פליטות שליליות, מה שהופך את המסלול הזה אטרקטיבי במיוחד למטרות אקלים.

מסלול 2: Biogas Reforming

ביוגז מ עיכול אנירובי (בדרך כלל 50–70% מתאן, 30–50% CO2) ניתן לשדרג ל- biomethane (>95% CH4) ולאחר מכן מפורשים אדים (CH4 + H2O 3H2 + CO) כדי לייצר מימן. לחלופין, רפורמה ישירה של ביוגז גולמי היא אפשרית אך דורשת ניקוי נוסף.

מסלול 3: מערכות ביואלקטרוניקה

תאי אלקטרוליטיזה מיקרוביאליים (MECs) משתמשים בחיידקים אלקטרואקטיביים כדי לחמצן חומר אורגני לייצר אלקטרונים, המשלבים עם פרוטונים בקטודה כדי ליצור מימן.בעוד עדיין בקנה מידה פיילוט, MECs יכול לפעול בטמפרטורות ממותג ולהפוך מגוון רחב של פסולת אורגנית (למשל, פסולת, מזון) למימן.

Integrated Systems with Renewable Power

אנרגיה ביולוגית יכולה גם לספק כוח גיבוי עבור אלקטרוליטים כאשר השמש או דור הרוח דיפס.מערכת היברידית עשויה לכלול תחנת כוח ביומסה-אש או מנוע ביוגז שפועל ברציפות או על הביקוש, להבטיח ניצול אלקטרוליטר גבוה.באזורים עם שפע של ביומסה אבל משאבי שמש / רוח עניים, ייצור מימן המופעל באופן מלא ביומסה יכול להיות האפשרות המעשית ביותר.

היתרונות של שימוש באנרגיה ביולוגית לייצור מימן

פחמן נייטרליות והשלכות שליליות

כאשר הביומסה היא מקורבת, CO2 שוחרר במהלך המרה הוא מאוזן תיאורטית על ידי CO2 נספג במהלך צמיחה צמחית, מה שהופך את מימן "פחמן-ניטראלי" אם לכידת פחמן ואחסון (CCS) מוחל על התהליך (BECCS), התוצאה נטו היא פליטות שליליות - ביעילות הסרת CO2 מהאווירה תוך הפקת דלק נקי.

בזבזנות

שאריות חקלאיות (שכבות, שיושטים), slash יער, פסולת אורגנית עירונית, ומניחה הם לעתים קרובות underutilized או אדמה מלא, מייצרת פליטות מתאן.

אנרגיה ואנרגיה מקומית

ביומסה זמינה ברוב המדינות, צמצום ההסתמכות על דלקים מאובנים מיובאים. ניתן לבנות צמחים ביו-hydrogen מעוקלים ליד מקורות המזינים, קיצור של שרשראות אספקה ומפעילים מתנודתיות מחירים גלובלית.זה מושך במיוחד לקהילות מרוחקות, איים ואזורים חקלאיים.

אפשרויות ורשתות

בניגוד לשמש ורוח, צמחי כוח מבוססי ביומסה יכולים לפעול 24/7 או על הביקוש.כאשר משולבים עם אלקטרוליטיזה, זה מבטיח תפוקה מימן עקבית ללא תנאי מזג אוויר.בנוסף, תחנות כוח ביומסה יכולות לספק שירותי יציבות רשת (תגובה ⁇ , מילואים מסתובב), שיפור נוסף הערך של המערכת הכוללת.

אפשרויות ל-Co-F

ייצור ביו-hydrogen יכול להניב מוצרים משותפים יקר ערך כגון ביושר (תיקון אדמה וסוכנת פליטת פחמן), חום (עבור חימום מחוזי או תהליכים תעשייתיים), ו- CO2 טהור (עבור תעשיות מזון ומשקאות או שחזור שמן משופר) מוצרים משותפים אלה לשפר את הפרויקט הכולל ולהפחית את הפסולת.

אתגרים וגדרות לסקר ביו-אנרגיה המבוססת על הידרוגן ירוק

זמינות מזון וקיימות

למרות ביומסה בשפע, תחרות על אדמה ומים עם יבולים מזון, יער, ואזורי שימור היא דאגה רצינית. יבול בלתי ניתן להשגה יכול להוביל לדהרה, הידרדרות הקרקע, ואובדן המגוון הביולוגי. תוכניות הסמכה ריגאורנית (למשל, האיחוד האירופי חידוש קריטריונים קיימות אנרגיה) הם הכרחיים כדי להבטיח כי ביומסה בשימוש עבור מימן הוא באמת נמוך פחמן-פחמן גורם שינוי קרקעי (כלומר, קריטריונים חסכונית).

מורכבות טכנולוגית ויציבות

גימונים גזיפיק וניקוי הסינפט עדיין מאתגרים מבחינה טכנית, במיוחד עבור מזון גבוה או גבוה-אש. היווצרות טאר, קורוזיה, והרעלת זרז הם נושאים מתמידים (ביומאס למימן) טווחים בדרך כלל מ 50–70%, נמוך יותר מ אלקטרוליטיזה (70–80% ללא חשבונאות עבור אובדן גזים משופרים, פיתוח זרזים חזקים, ושילוב אזורי מחקר פעילים.

עלויות הון והפעלה

צמחי ביו-hydrogen דורשים השקעה גבוהה בממריצים, רפורמים, יחידות טיהור, ועלויות טיפול להאכיל של מזון.הפעלה כוללים לוגיית הזיקה (התחבורה, תחבורה, אחסון), עבודה ותחזוקה. ללא תמחור פחמן או סובסידיות, ביו-hydrogen הוא לעתים קרובות יקר יותר מאשר מאובנים מבוססי מימן ( ⁇ %-2 / kg אנרגיה H2) ואפילו ירוק מ מימן / סולמותרפיסטציה של 20 / 1 / 02 / 1 / 2kg) ל-H2 / 2kg מטרות נוחות של HLT (H2).

גודל ותשתית

רוב הפרויקטים ביו-hydrogen הקיימים נמצאים בקנה מידה פיילוט או הדגמה (כמה טונות ליום) Scaling עד צמחים מסחריים (100+ טון / יום) דורש שרשראות אספקה אמין של מזון, אשר מורכבים לארגן.משלוחי מימן תשתיות אחסון חסרים גם באזורים רבים, הדורשות השקעה נוספת צינורות, דחיסה, או מתקני ליקפוזה.

מדיניות ושפלים רגולטוריים

במדינות רבות יש אסטרטגיות מימן, אך רק מעטים מתייחסים ספציפית ביו-יוירוגן.חוסר בהגדרות ברורות, תקני הסמכה ותמריצים פיננסיים (למשל, פרמיות מימן ירוקות, זיכויי פחמן עבור BECCS) יוצר חוסר ודאות עבור משקיעים.טיפול עקבי של פליטות CO2 ביוגניות תחת חוקי חשבונאות פחמן מסבך עוד יותר את הפרויקט.

דוגמאות ל-Case Studies and Real-World

הפקה: Bio Energy Hydrogen הפקה בשוודיה

בגטבורג, שוודיה, צמח GoBiGas (כיום סגור) הדגים את ההגזמות הביומסה מתקדמות לייצור ביומטראן. לאחרונה, יוזמת GoBiGas:0) ,0 (Södra) של ®GateFLT:1 בוחנת מתקן מימן מתקדם של 20MW באמצעות שאריות יער ואלקטרוליטיזה המופעלת על ידי חשמל מתחדשים מצמח ההתחדשות הביומסה שלו.

פרויקט: ביוגז-to-Hydrogen at Wastewater Treatment Plants

בארצות הברית, מחוז הסנסציה של מחוז אורנג '(OCSD) בקליפורניה מייצר מימן מביוגז המיוצר במהלך טיפול במים פסולת.המימן משמש לדלק כלי רכב אפסיים בצי המחוז.הפרויקט הזה מדגים את פוטנציאל הכלכלה המעגלית: פסולת הופכת לדלק, ואת המימן מחליף דיזל, צמצום זיהום האוויר המקומי.

טכנולוגיות מתפתחות: Algae-to-Hydrogen

מחקר במוסדות כמו אוניברסיטת אריזונה ו TU Delft הוא לחקור ייצור מימן ביולוגי ישיר על ידי מיקרו-גאה ו cyanobacteria. אורגניזמים אלה יכולים לייצר מימן באמצעות פוטוסינתזה בתנאים ממאמציינים תזונתיים-מחוסנים. בעוד עדיין בשלבים מוקדמים של R&D, מסלול זה יכול לעקוף את הצורך של גזיפי ורפורמה, המציע תהליך ביו-מתוגני אמיתי.

אפשרויות לעתיד: מיפוי אנרגיה לכלכלת מימן

שיפור הטכנולוגיה

קידום בתכנון גזיפיק (למשל, מיטה מסולקת כפולה, זרימה מחוספסת), רפורמות קטליטית, והפרדה קרום הם שיפור מתמיד יעילות וצמצום עלויות.הדור הבא ביו-פיננסים ששותפים ל-Fol, דלקים ביולוגיים, ביוכימיים ו- biochar יכול להשיג כלכלות של קנה מידה ושיפור רווחיות.

שילוב עם פחמן לכידת ואחסון

BECCS הוא הכלי החזק ביותר להשגת פליטות נטו-שליליות, אך הוא דורש תשתית CO2 זולה לאחסון ותשתית אחסון. ממשלות ותעשייה משקיעים במרכזי לכידת פחמן (למשל, אורות צפון בנורבגיה, אגן אילינוי) שיכולה לשרת מספר רב של צמחים ביו-hydrogen. מסגרות מדיניות שמגמלות פליטות שליליות (למשל, 45Q זיכויים בארה"ב) יהיו קריטיות לפריסה.

סינרגיות עם מגזר Coupling

ביו-hydrogen יכול להיות משולב תוכניות רחבות יותר של המגזר: עודף מימן מביומסה יכול להיות מוזרק לרשתות גז טבעי (עד 20% על ידי נפח בחלק מהרשתות), המשמש לאחסון עונתי, או מומר לתוך אמוניה או דלקים סינתטיים עבור ימי ותעופה.

מדיניות וקרנות השקעות

כדי לפתוח את הפוטנציאל של ביו-hydrogen, קובעי המדיניות צריכים:

• כולל ביו-hydrogen באסטרטגיות מימן לאומיות והגדרות מימן ירוקות.
• הקמת קריטריונים ברורים של קיימות וההסמכה עבור ביו-hydrogen.
• לספק סובסידיות ממוקדות או זיכויי מס עבור פרויקטים של BECCS ופסולת ל-hydrogen.
• תמיכה ב-R&D לגזיזציה מתקדמת, MECs, וייצור מימן ביולוגי.
• להשקיע בתחבורה מימן ותשתיות אחסון באזורים עשירים ביומסה.

מסקנה: תפקיד משלים בתיק ה-Green Hydrogen

אנרגיה ביולוגית אינה כדור כסף לייצור מימן ירוק, אבל היא משלימה חזקה לאלקטרוליטיזה המבוססת על השמש ורוח.האחריות שלה, ניצול פסולת, פוטנציאל פליטות שליליות להפוך אותו ייחודי להתאים למלא את הפערים במערכת מימן מתחדשת מלאה. בעוד אתגרים של עלות, קנה מידה, וקיימות, חדשנות מתמשכת ומדיניות תומכת יכולים לפתוח את תפקיד הביו-hydrogen במעבר האנרגיה העולמית.

בעודנו נעים לכיוון כלכלת מימן, המערכות המחודשות ביותר יהיו ככל הנראה היברידיות – תוך שימוש בחוזקות של שני נתיבים אלקטרוכימיים וביולוגיים. מימן מבוסס אנרגיה לא יחליף אלקטרוליטיזה, אבל זה יכול לאפשר ייצור מימן שבו השמש והרוח הם בקושי, לשפר את ניהול הפסולת, ולעזור להשיג את הדה-פחמימניזציה העמוקה הנדרשת כדי לעמוד במטרות האקלים.

(ב) לעיין בפתרונות האלקטרוליטיים של H2B2B2 (FLT:1 או FLT:2DOE) של מחקר הביומסה של אספקת גזים 3.