Innovación, popularización y aplicación de la tecnología de producción de energía de hidrógeno: un estudio de caso de Ally Hi-Tech
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Nota del editor: Este es un artículo publicado originalmente por la cuenta oficial de WeChat: China Thinktank
El 23 de marzo, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y la Administración Nacional de Energía de China publicaron conjuntamente el plan a medio y largo plazo para el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno (2021-2035) (en adelante, el plan). Este plan define las características energéticas del hidrógeno y propone que este sea parte integral del futuro sistema energético nacional y la dirección clave de nuevas industrias estratégicas. Los vehículos de pila de combustible son el campo líder en la aplicación de la energía del hidrógeno y un hito en el desarrollo industrial de China.
En 2021, impulsados por la política nacional de demostración y aplicación de vehículos de pila de combustible, se lanzaron sucesivamente las cinco aglomeraciones urbanas de Beijing, Tianjin, Hebei, Shanghai, Guangdong, Hebei y Henan, se comenzó a lanzar la demostración y aplicación a gran escala de 10000 vehículos de pila de combustible y se puso en práctica el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno impulsada por la demostración y aplicación de vehículos de pila de combustible.
Al mismo tiempo, se han logrado avances en la aplicación y exploración de la energía del hidrógeno en sectores no relacionados con el transporte, como la siderurgia, la industria química y la construcción. En el futuro, la diversificación y la multiplicidad de aplicaciones de la energía del hidrógeno generarán una gran demanda de hidrógeno. Según la Alianza de Energía del Hidrógeno de China, para 2030, la demanda china de hidrógeno alcanzará los 35 millones de toneladas, y la energía del hidrógeno representará al menos el 5% del sistema energético terminal de China. Para 2050, la demanda de hidrógeno se acercará a los 60 millones de toneladas, la energía del hidrógeno representará más del 10% del sistema energético terminal de China, y el valor de la producción anual de la cadena industrial alcanzará los 12 billones de yuanes.
Desde la perspectiva del desarrollo industrial, la industria china de la energía del hidrógeno se encuentra aún en una etapa temprana. En el proceso de aplicación, demostración y promoción de la energía del hidrógeno, la escasez de suministro y el alto costo del hidrógeno como fuente de energía siempre han sido un problema complejo que ha limitado el desarrollo de dicha industria. Como eslabón fundamental del suministro de hidrógeno, los problemas del alto precio de fábrica y los altos costos de almacenamiento y transporte del hidrógeno para vehículos siguen siendo importantes.
Por lo tanto, China necesita urgentemente acelerar la innovación, popularización y aplicación de la tecnología de producción de hidrógeno de bajo costo, mejorar la economía de la aplicación de demostración reduciendo el costo del suministro de energía de hidrógeno, apoyar la aplicación de demostración a gran escala de vehículos de celdas de combustible y luego impulsar el desarrollo de toda la industria de la energía del hidrógeno.
El alto precio del hidrógeno es un problema importante en el desarrollo de la industria energética del hidrógeno en China
China es un gran país productor de hidrógeno. La producción de hidrógeno se distribuye en las industrias petroquímica, química, de coquización y otras. La mayor parte del hidrógeno producido se utiliza como productos intermedios para la refinación de petróleo, amoníaco sintético, metanol y otros productos químicos. Según las estadísticas de la Alianza de Energía de Hidrógeno de China, la producción actual de hidrógeno en China es de aproximadamente 33 millones de toneladas, principalmente a partir de carbón, gas natural y otras energías fósiles, y la purificación de gases de subproductos industriales. Entre ellos, la producción de hidrógeno a partir de carbón es de 21,34 millones de toneladas, lo que representa el 63,5%. Seguido por la producción de hidrógeno de subproductos industriales y de hidrógeno de gas natural, con una producción de 7,08 millones de toneladas y 4,6 millones de toneladas respectivamente. La producción de hidrógeno por electrólisis del agua es relativamente pequeña, alrededor de 500.000 toneladas.
Si bien el proceso industrial de producción de hidrógeno está maduro, la cadena industrial está completa y su adquisición es relativamente conveniente, el suministro de hidrógeno energético aún enfrenta grandes desafíos. El mayor costo de la materia prima y el costo de transporte para la producción de hidrógeno conllevan un mayor precio de suministro final. Para lograr la popularización y aplicación a gran escala de la tecnología energética del hidrógeno, la clave reside en superar el cuello de botella que suponen los altos costos de adquisición y transporte del hidrógeno. Entre los métodos existentes de producción de hidrógeno, el costo de la producción de hidrógeno a partir de carbón es bajo, pero las emisiones de carbono son altas. El costo del consumo energético para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua en grandes industrias es elevado.
Incluso con baja electricidad, el costo de producción de hidrógeno es más de 20 yuanes / kg. El bajo costo y el bajo nivel de emisiones de carbono de la producción de hidrógeno a partir del abandono de la energía de las energías renovables es una dirección importante para la obtención de hidrógeno en el futuro. En la actualidad, la tecnología está madurando gradualmente, pero la ubicación de adquisición es relativamente remota, el costo de transporte es muy alto y no hay un escenario de promoción y aplicación. Desde la perspectiva de la composición del costo del hidrógeno, el 30 ~ 45% del precio del hidrógeno energético es el costo del transporte y llenado de hidrógeno. La tecnología de transporte de hidrógeno existente basada en hidrógeno gaseoso a alta presión tiene un menor volumen de transporte de un solo vehículo, un valor económico pobre del transporte de larga distancia y las tecnologías de almacenamiento y transporte de estado sólido e hidrógeno líquido no están maduras. La subcontratación de hidrógeno gaseoso en la estación de servicio de hidrógeno sigue siendo la forma principal.
En las especificaciones de gestión actuales, el hidrógeno sigue figurando como sustancia química peligrosa. La producción industrial de hidrógeno a gran escala debe integrarse en el sector químico. Esta producción no satisface la demanda de hidrógeno para vehículos descentralizados, lo que resulta en precios elevados. Se necesita urgentemente una tecnología de producción y repostaje de hidrógeno altamente integrada para lograr un avance significativo. El precio de la producción de hidrógeno a partir de gas natural es razonable, lo que permite un suministro estable y a gran escala. Por lo tanto, en zonas con abundancia de gas natural, las estaciones integradas de producción y repostaje de hidrógeno basadas en gas natural son una opción viable para el suministro de hidrógeno y una vía realista para promover las estaciones de repostaje de hidrógeno, reducir los costes y resolver el difícil problema del repostaje en algunas zonas. Actualmente, existen alrededor de 237 estaciones integradas de producción de hidrógeno sobre patines en el mundo, lo que representa aproximadamente un tercio del total de estaciones de repostaje de hidrógeno en el extranjero. Entre ellas, Japón, Europa, América del Norte y otras regiones adoptan ampliamente el modo de operación de las estaciones integradas de producción y repostaje de hidrógeno. En cuanto a la situación nacional, Foshan, Weifang, Datong, Zhangjiakou y otras localidades han comenzado a explorar la construcción y operación piloto de estaciones integradas de producción y repostaje de hidrógeno. Se prevé que, tras el avance de las políticas y regulaciones de gestión y producción de hidrógeno, estas estaciones se convertirán en la opción más viable para la operación comercial de estaciones de repostaje de hidrógeno.
Experiencia en Innovación, Popularización y Aplicación de la Tecnología de Producción de Hidrógeno de Ally Hi-Tech
Como empresa líder en la producción de hidrógeno en China, Ally Hi-Tech se ha centrado en la investigación y el desarrollo de nuevas soluciones energéticas y tecnologías avanzadas de producción de hidrógeno desde su fundación hace más de 20 años. En las áreas de producción de hidrógeno a partir de gas natural a pequeña escala, producción de hidrógeno de metanol por oxidación catalítica, producción de hidrógeno por electrólisis de agua a alta temperatura, producción de hidrógeno por descomposición de amoníaco, amoníaco sintético a pequeña escala, convertidor de metanol de monómero grande, sistema integrado de producción e hidrogenación de hidrógeno y tecnología de purificación direccional de hidrógeno para vehículos, se han logrado numerosos avances en campos técnicos de vanguardia, como los mencionados anteriormente.
Continuar impulsando la innovación tecnológica en la producción de hidrógeno.
Ally Hi-Tech siempre ha priorizado la producción de hidrógeno y continúa innovando en este campo, como la conversión de metanol, el reformado de gas natural y la purificación direccional de hidrógeno mediante PSA. Entre ellos, un equipo de producción de hidrógeno mediante conversión de metanol, desarrollado y diseñado por la empresa, tiene una capacidad de producción de hidrógeno de 20 000 Nm³/h. La presión máxima alcanza los 3,3 MPa, alcanzando un nivel avanzado internacional, con ventajas como bajo consumo energético, seguridad, fiabilidad, proceso sencillo y funcionamiento sin supervisión, entre otras. La empresa ha logrado un avance en la tecnología de producción de hidrógeno mediante reformado de gas natural (método SMR).
Se adopta la tecnología de reformado por intercambio de calor, y la capacidad de producción de hidrógeno de un solo equipo es de hasta 30 000 Nm³/h. La presión máxima puede alcanzar los 3,0 MPa, lo que reduce considerablemente el coste de inversión y el consumo de energía de gas natural en un 33 %. En cuanto a la tecnología de purificación direccional de hidrógeno por adsorción por oscilación de presión (PSA), la empresa ha desarrollado diversos conjuntos completos de tecnologías de purificación de hidrógeno, y la capacidad de producción de hidrógeno de un solo equipo es de 100 000 Nm³/h. La presión máxima es de 5,0 MPa. Se caracteriza por un alto grado de automatización, una operación sencilla, un buen entorno y una larga vida útil. Se ha utilizado ampliamente en el campo de la separación de gases industriales.
Figura 1: Equipo de producción de H2 de Ally Hi-Tech
Se presta atención al desarrollo y promoción de productos de la serie de energía de hidrógeno.
Al innovar en la tecnología de producción de hidrógeno y desarrollar productos, Ally Hi-Tech se centra en expandir el desarrollo de productos en el campo de las pilas de combustible de hidrógeno. Promociona activamente la I+D y la aplicación de catalizadores, adsorbentes, válvulas de control, equipos modulares de producción de hidrógeno en pequeñas cantidades y sistemas de suministro de energía para pilas de combustible de larga duración. Además, promueve activamente la tecnología y los equipos de las plantas integradas de producción e hidrogenación de hidrógeno. En cuanto a la promoción de productos, el equipo de diseño de ingeniería de Ally Hi-Tech cuenta con una amplia cualificación profesional. Se compromete a proporcionar soluciones integrales de energía de hidrógeno y a impulsar rápidamente su aplicación en el mercado.
Se han logrado avances en la aplicación de equipos de producción de hidrógeno.
Ally Hi-Tech ha construido más de 620 equipos de producción y purificación de hidrógeno. Entre ellos, ha promovido más de 300 equipos de producción de hidrógeno a partir de metanol, más de 100 equipos de producción de hidrógeno a partir de gas natural y más de 130 equipos para proyectos PSA de gran envergadura, además de haber llevado a cabo diversos proyectos de producción de hidrógeno a nivel nacional.
Ally Hi-Tech ha cooperado con empresas famosas en el país y en el extranjero, como Sinopec, PetroChina, Zhongtai Chemical, Plug Power Inc. America, Air Liquid France, Linde Germany, Praxair America, Iwatani Japan, BP, etc. Es uno de los conjuntos completos de proveedores de servicios de equipos con el mayor suministro en el campo de equipos de producción de hidrógeno de tamaño pequeño y mediano en el mundo. En la actualidad, el equipo de producción de hidrógeno de Ally Hi-Tech se ha exportado a 16 países y regiones como Estados Unidos, Japón, Corea del Sur, India, Malasia, Filipinas, Pakistán, Myanmar, Tailandia y Sudáfrica. En 2019, el equipo de producción de hidrógeno de gas natural integrado de tercera generación de Ally Hi-Tech se exportó a American Plug Power Inc., que fue diseñado y fabricado en total conformidad con los estándares estadounidenses, creando un precedente para que los equipos de producción de hidrógeno de gas natural de China se exporten a los Estados Unidos.
Figura 2. Equipos integrados de producción e hidrogenación de hidrógeno exportados por Ally Hi-Tech a Estados Unidos
Construcción del primer lote de la planta integrada de producción e hidrogenación de hidrógeno.
Ante los problemas prácticos derivados de la inestabilidad de las fuentes de energía y los altos precios del hidrógeno, Ally High-Tech se compromete a promover la aplicación de una tecnología de producción de hidrógeno altamente integrada y a utilizar el sistema de suministro de metanol, la red de gasoductos y las estaciones de servicio de GNC y GNL, ya consolidados, para reconstruir y ampliar la estación integrada de producción y repostaje de hidrógeno. En septiembre de 2021, se puso en funcionamiento en la estación de hidrogenación de Foshan Gas Nanzhuang la primera estación integrada nacional de producción e hidrogenación de hidrógeno a gas natural, bajo el contrato general de Ally Hi-Tech.
La estación está diseñada con una unidad de producción de hidrógeno por reformado de gas natural de 1000 kg/día y una unidad de producción de hidrógeno por electrólisis de agua de 100 kg/día, con una capacidad de hidrogenación externa de 1000 kg/día. Se trata de una típica estación de hidrogenación integrada que combina "producción de hidrógeno + compresión + almacenamiento + llenado". Es líder en la aplicación de un catalizador de amplio cambio de temperatura y tecnología de copurificación direccional, respetuosos con el medio ambiente, que mejora la eficiencia de la producción de hidrógeno en un 3 % y reduce eficazmente el consumo energético. La estación cuenta con un alto grado de integración, una superficie reducida y un equipo de producción de hidrógeno altamente integrado.
La producción de hidrógeno en la estación reduce las conexiones de transporte de hidrógeno y el costo de su almacenamiento y transporte, lo que a su vez reduce directamente el costo del consumo de hidrógeno. La estación cuenta con una interfaz externa reservada, que puede llenar remolques de tubo largo y servir como estación matriz para abastecer de hidrógeno a las estaciones de hidrogenación circundantes, formando una subestación matriz regional integrada de hidrogenación. Además, esta estación integrada de producción e hidrogenación de hidrógeno puede reconstruirse y ampliarse basándose en el sistema de distribución de metanol existente, la red de gasoductos y otras instalaciones, así como en gasolineras y estaciones de servicio de GNC y GNL, lo que facilita su promoción e implementación.
Figura 3. Estación integrada de producción e hidrogenación de hidrógeno en Nanzhuang, Foshan, Guangdong.
Lidera activamente la innovación, promoción y aplicación de la industria y los intercambios y la cooperación internacionales.
Como empresa clave de alta tecnología del Programa Antorcha Nacional, empresa de demostración de la nueva economía en la provincia de Sichuan y empresa especializada en la provincia de Sichuan, Ally Hi-Tech lidera activamente la innovación del sector y promueve los intercambios y la cooperación internacionales. Desde 2005, Ally Hi-Tech ha suministrado tecnología y equipos de producción de hidrógeno en los 863 principales proyectos nacionales de pilas de combustible (la estación de repostaje de hidrógeno de Shanghái Anting, la estación de repostaje de hidrógeno de los Juegos Olímpicos de Pekín y la estación de repostaje de hidrógeno de la Expo Mundial de Shanghái), y ha suministrado altos estándares a todos los proyectos de estaciones de producción de hidrógeno del centro de lanzamiento espacial de China.
Como miembro del Comité Nacional de Normalización de la Energía del Hidrógeno, Ally Hi-Tech ha participado activamente en la creación de un sistema de normas de energía del hidrógeno a nivel nacional e internacional, liderado la redacción de una norma nacional de energía del hidrógeno y participado en la formulación de siete normas nacionales y una internacional. Al mismo tiempo, Ally Hi-Tech ha promovido activamente los intercambios y la cooperación internacionales, fundado Chengchuan Technology Co., Ltd. en Japón, desarrollado una nueva generación de tecnología de producción de hidrógeno, tecnología de cogeneración SOFC y productos relacionados, y cooperado con empresas de Estados Unidos, Alemania y Japón en los campos de la nueva tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis del agua y la tecnología de amoníaco sintético a pequeña escala. Con 45 patentes de China, Estados Unidos y la Unión Europea, Ally Hi-Tech es una empresa líder en tecnología y orientada a la exportación.
Sugerencia de política
Según el análisis anterior, gracias a la innovación en la tecnología de producción de hidrógeno, Ally Hi-Tech ha logrado avances en el desarrollo, la promoción y aplicación de equipos de producción de hidrógeno, y la construcción y operación de estaciones integradas de producción y repostaje de hidrógeno. Esto reviste gran importancia para la innovación tecnológica independiente de China en materia de energía de hidrógeno y la reducción del coste del consumo de hidrógeno. Para garantizar y mejorar el suministro de energía de hidrógeno, acelerar la construcción de una red de suministro de energía de hidrógeno segura, estable y eficiente, y construir un sistema de producción de hidrógeno diversificado, limpio, con bajas emisiones de carbono y de bajo coste, China necesita fortalecer la innovación en tecnología de producción de hidrógeno y el desarrollo de productos, superar las limitaciones de las políticas y regulaciones, e impulsar la introducción de nuevos equipos y modelos con potencial de mercado. Al mejorar las políticas de apoyo y optimizar el entorno industrial, contribuiremos al desarrollo de la industria de energía de hidrógeno de China con alta calidad y apoyaremos firmemente la transformación energética verde.
Mejorar el sistema de políticas de la industria de la energía del hidrógeno.
Actualmente, se han publicado las "políticas de posicionamiento estratégico y apoyo para la industria del hidrógeno", pero no se ha especificado la dirección específica de desarrollo de esta industria. Para superar los obstáculos institucionales y los obstáculos políticos que dificultan el desarrollo industrial, China necesita fortalecer la innovación política, formular normas perfeccionadas de gestión del hidrógeno, clarificar los procesos e instituciones de gestión de la preparación, el almacenamiento, el transporte y el llenado, e implementar las responsabilidades del departamento responsable de la supervisión de la seguridad. Adherirse al modelo de aplicación de demostración que impulsa el desarrollo industrial y promover integralmente el desarrollo de demostración diversificado del hidrógeno en el transporte, el almacenamiento de energía, la energía distribuida, etc.
Construir un sistema de suministro de energía de hidrógeno según las condiciones locales.
Los gobiernos locales deben considerar integralmente la capacidad de suministro de energía de hidrógeno, la base industrial y el mercado regional, basándose en las ventajas de los recursos existentes y potenciales, seleccionar métodos de producción de hidrógeno adecuados a las condiciones locales, construir una capacidad de garantía de suministro de energía de hidrógeno, priorizar el uso de hidrógeno como subproducto industrial y centrarse en el desarrollo de la producción de hidrógeno a partir de energías renovables. Se debe alentar a las regiones cualificadas a cooperar a través de múltiples canales para construir un sistema local de suministro de energía de hidrógeno bajo en carbono, seguro, estable y económico, que satisfaga la demanda de fuentes de hidrógeno a gran escala.
Incrementar la innovación tecnológica de los equipos de producción de hidrógeno.
Centrarnos en promover la I+D, la fabricación y la aplicación industrial de equipos clave para la purificación y producción de hidrógeno, y construir un sistema tecnológico de desarrollo de alta calidad para productos de equipos de energía de hidrógeno, apoyándonos en empresas ventajosas de la cadena industrial. Apoyar a las empresas líderes en el campo de la producción de hidrógeno para que tomen la iniciativa, establecer plataformas de innovación como centros de innovación industrial, centros de investigación en ingeniería, centros de innovación tecnológica y centros de innovación en fabricación, abordar los problemas clave de los equipos de producción de hidrógeno, apoyar a las pymes especializadas y nuevas para que participen en la investigación y el desarrollo de tecnologías comunes para equipos de producción de hidrógeno, y fomentar un conjunto de empresas líderes con una sólida capacidad independiente en tecnología clave.
Fortalecer el apoyo político a las estaciones integradas de producción de hidrógeno e hidrogenación.
El Plan señala que, para explorar nuevos modelos, como las hidrogeneras que integran la producción, el almacenamiento y la hidrogenación de hidrógeno, es necesario superar las restricciones políticas a la construcción de hidrogeneras integradas desde la raíz. Se debe introducir la ley nacional de energía lo antes posible para determinar el atributo energético del hidrógeno desde el nivel superior. Se deben superar las restricciones a la construcción de hidrogeneras integradas, promover las hidrogeneras integradas de producción e hidrogenación de hidrógeno y realizar pruebas piloto de construcción y operación de hidrogeneras integradas en zonas económicamente desarrolladas con abundantes recursos de gas natural. Se deben proporcionar subsidios financieros para la construcción y operación de hidrogeneras integradas que cumplan con los requisitos de economía de precios y estándares de emisiones de carbono, apoyar a las empresas líderes relevantes para que soliciten la certificación nacional de "nuevas empresas especializadas y especiales", y mejorar las especificaciones y estándares técnicos de seguridad de las hidrogeneras integradas de producción e hidrogenación de hidrógeno.
Realizar activamente la demostración y promoción de nuevos modelos de negocio.
Fomentar la innovación en modelos de negocio mediante la producción integrada de hidrógeno en estaciones, estaciones de suministro integral de energía para petróleo, hidrógeno y electricidad, y la operación coordinada de hidrógeno, vehículos y estaciones. En zonas con un gran número de vehículos de pila de combustible y alta presión en el suministro de hidrógeno, exploraremos estaciones integradas para la producción e hidrogenación de hidrógeno a partir de gas natural, y fomentaremos la operación de demostración de vehículos de pila de combustible en zonas con precios razonables de gas natural. En zonas con abundantes recursos eólicos e hidroeléctricos y escenarios de aplicación de la energía del hidrógeno, construiremos estaciones integradas de producción e hidrogenación de hidrógeno con energía renovable, ampliaremos gradualmente la escala de demostración, generaremos experiencias replicables y popularizadas, y aceleraremos la reducción de carbono y el costo del hidrógeno energético.
(Autor: Equipo de investigación de la industria futura del Centro de Consultoría de Información Yiwei Zhiyuan de Beijing)
Hora de publicación: 29 de septiembre de 2022
