Loji Air Laut Shandong Tukarkan Haba Buangan kepada Air Murah dan Hidrogen Hijau

Model baharu untuk air dan hidrogen

China telah mengoperasikan sebuah kemudahan yang kompak tetapi bercita-cita tinggi di Rizhao, sebuah bandar pesisir di wilayah Shandong, yang menukarkan air laut dan haba buangan industri kepada dua sumber strategik: air tawar berkos rendah dan hidrogen hijau. Pengendali projek berkata tapak itu menghasilkan air tawar pada harga kira-kira dua yuan bagi setiap meter padu, lebih kurang 28 sen dolar AS, lebih rendah daripada kadar air paip perbandaran biasa di banyak bandar. Kemudahan itu turut menghasilkan hidrogen berketulenan tinggi sebagai produk sampingan, sambil memekatkan air garam kaya mineral untuk digunakan dalam penghasilan bahan kimia marin. Pemasangan itu telah beroperasi secara berterusan selama lebih tiga minggu, satu pencapaian penting dalam membuktikan kebolehpercayaan sistem air dan tenaga bersepadu jenis baharu.

Konsepnya mudah diterangkan tetapi sukar dilaksanakan. Satu input, iaitu air laut, menghasilkan tiga aliran produk. Bagi setiap 800 tan air laut yang diproses setiap tahun, loji itu menghasilkan kira-kira 450 meter padu air ultra tulen yang sesuai untuk penyejukan industri atau kegunaan isi rumah, sekitar 192,000 meter padu piawai hidrogen hijau, dan kira-kira 350 tan air garam yang boleh dijual kepada pengeluar bahan kimia. Hidrogen itu dilaporkan memerlukan kira-kira 4.2 kilowatt jam elektrik bagi setiap meter padu piawai, menjadikan proses tersebut setanding dengan prestasi elektroliser moden. Keistimewaan Rizhao ialah cara loji itu mengurangkan kos air dengan memanfaatkan haba gred rendah daripada loji keluli dan petrokimia berhampiran, iaitu haba yang biasanya terlepas ke udara atau laut.

Cara sistem Rizhao berfungsi

Loji itu menempatkan pengeluaran air tawar betul-betul bersebelahan industri intensif tenaga yang menghasilkan aliran haba bersuhu rendah secara berterusan. Haba itu menggerakkan proses pemisahan yang menukarkan air laut kepada air yang sangat bersih pada ambang suhu yang agak rendah. Teknik yang sesuai dengan keadaan ini termasuk penyulingan membran dan pelembapan-penyahpelebapan, yang berfungsi dengan baik menggunakan haba bersuhu rendah. Sebahagian air tawar dibekalkan kepada pengguna, manakala sebahagian lagi disalurkan ke elektroliser yang memisahkan air kepada hidrogen dan oksigen. Air garam pekat yang tertinggal boleh menjadi bahan suapan untuk produk seperti bromin, garam magnesium dan garam industri, sekali gus mengurangkan keperluan untuk melepaskan air garam pekat kembali ke laut.

Kepentingan haba gred rendah

Industri berat melepaskan jumlah haba bersuhu sederhana dan rendah yang amat besar. Kilang keluli dan loji penapisan ialah contoh utama. Menangkap haba itu dan menggunakannya untuk menghasilkan air mengelakkan penggunaan elektrik tambahan bagi penyahgaraman. Di taman perindustrian pesisir, air laut banyak tersedia, haba buangan juga banyak, dan keperluan penyejukan berterusan. Menempatkan penyahgaraman dan elektrolisis berdekatan sumber haba besar mengurangkan kos operasi dan intensiti karbon. Langkah ini juga mengalihkan penggunaan air daripada bekalan perbandaran, sekali gus mengurangkan tekanan terhadap akuifer dan sungai tempatan.

Maksud angka penggunaan tenaga

Penggunaan tenaga hidrogen sering dibincangkan berdasarkan jumlah elektrik bagi setiap kilogram. Satu meter padu piawai hidrogen mengandungi kira-kira satu per sembilan kilogram. Pada kadar 4.2 kilowatt jam bagi setiap meter padu piawai, angkanya kira-kira 47 kilowatt jam bagi setiap kilogram hidrogen. Kadar itu berada dalam lingkungan prestasi unit alkali dan membran pertukaran proton moden. Inovasi di Rizhao bukanlah elektroliser yang luar biasa, tetapi cara loji itu mengurangkan kos dan jejak air dengan menggabungkan elektroliser dengan saluran air laut yang beroperasi menggunakan haba buangan. Elektriknya masih perlu rendah karbon untuk membolehkan produk itu dipanggil hidrogen hijau, tetapi bahagian terma jauh lebih murah kerana haba tersebut sebaliknya akan dibazirkan.

Bolehkah hidrogen dihasilkan terus daripada laut

Elektrolisis air laut secara langsung, iaitu apabila elektroliser beroperasi menggunakan air laut tanpa proses penyahgaraman berasingan, merupakan bidang penyelidikan yang giat dijalankan. Daya tarikannya paling besar di luar pesisir, tempat ladang angin dan pelantar boleh menghasilkan hidrogen di laut sebelum menyalurkannya melalui paip atau menghantarnya ke darat. Cabarannya terletak pada kimia. Air laut mengandungi klorida, sulfat dan bahan organik pada kadar tinggi. Sel biasa cenderung mengutamakan tindak balas penghasilan klorin di anod, yang menghakis komponen dan menghasilkan klorin yang tidak diingini. Pasir, biofouling dan pembentukan kerak juga memendekkan jangka hayat peralatan. Untuk menangani masalah ini, pasukan penyelidik sedang menguji pemangkin baharu yang tahan terhadap serangan klorida, pemisah berliang yang menghalang ion pencetus tindak balas sampingan, serta reka bentuk yang mengekalkan klorin di luar zon tindak balas. Demonstrasi terapung di luar pesisir China telah menunjukkan bahawa sistem berasaskan membran boleh beroperasi di laut bergelora dengan mengasingkan lapisan air bersih untuk elektrolisis sambil menyedut air suapan dari laut.

Dua laluan, satu matlamat

Terdapat dua cara utama untuk menggabungkan laut dengan hidrogen. Laluan pertama ialah menyahgaram air laut sebelum mengendalikan elektroliser konvensional. Laluan kedua ialah mengubah suai elektroliser supaya boleh beroperasi menggunakan air laut, atau air yang dibersihkan secukupnya secara langsung. Rizhao menyerupai laluan pertama dalam skala kecil, tetapi dengan kelainan. Daripada menggunakan pam elektrik besar dan osmosis songsang tekanan tinggi untuk proses air, loji itu menggunakan haba dari kawasan bersebelahan. Tapak angin luar pesisir dan terpencil mungkin memilih laluan kedua kerana ruang dan penyelenggaraan terhad. Taman perindustrian pesisir mungkin lebih memilih laluan pertama kerana haba buangan tersedia dan kaedah itu menghasilkan air serta hidrogen yang boleh digunakan oleh industri. Di makmal dan loji perintis, pemangkin tahan kakisan, membran baharu dan konsep tanpa membran sedang memajukan kedua-dua pendekatan.

Kos dan skala: daripada projek perintis kepada industri

Harga air tawar sebanyak dua yuan bagi setiap meter padu memang menarik perhatian. Angka itu lebih rendah daripada tarif air paip di banyak bandar, dan merangkumi tahap penulenan yang jika tidak, perlu dilakukan sendiri oleh ramai pengguna industri. Kos air yang lebih rendah menjadikan pengeluaran hidrogen lebih menarik di wilayah yang mengalami tekanan air, memandangkan pengeluaran hidrogen lazimnya memerlukan air yang sangat bersih untuk melindungi elektroliser. Pengeluaran bersama air dan hidrogen juga mengagihkan kos modal kepada dua produk, manakala hasil daripada bahan kimia berasaskan air garam boleh menampung sebahagian kos operasi.

Kos elektrik untuk hidrogen bergantung pada sumber kuasa. Pada kira-kira 47 kilowatt jam bagi setiap kilogram, elektrik berharga tiga hingga lima sen dolar AS bagi setiap kilowatt jam menghasilkan bil elektrik sekitar 1.40 hingga 2.35 dolar bagi setiap kilogram. Peralatan, penyelenggaraan dan pembiayaan menambah kos tersebut, dan jumlahnya berbeza-beza dengan ketara. Rizhao ialah pemasangan kecil, namun ia menawarkan model yang boleh diperluas di kawasan pesisir China. Negara itu mempunyai koridor perindustrian yang padat dengan bekalan haba buangan yang banyak. Ini menjadikan lokasi seperti kelompok industri keluli di Shandong, Hebei dan Jiangsu sesuai untuk mengulang konsep itu menggunakan peralatan yang lebih besar.

Ketersediaan tenaga juga semakin meningkat. Koridor voltan ultra tinggi kini menghubungkan ladang angin dan solar besar di wilayah barat dengan pusat permintaan tenaga di timur. Talian baharu menghubungkan kapasiti baharu di Gansu dengan grid yang membekalkan tenaga kepada Shandong. Akses kepada bekalan elektrik boleh baharu yang stabil membolehkan kemudahan Rizhao berskala lebih besar pada masa depan menambah kapasiti elektroliser sambil memastikan hidrogen kekal rendah karbon pada waktu haba buangan sahaja tidak dapat memenuhi permintaan.

Kepentingannya kepada wilayah yang mengalami tekanan air

Penghasilan hidrogen memerlukan banyak air jika bekalannya terhad. Penghasilan satu kilogram hidrogen lazimnya memerlukan kira-kira sembilan liter air bersih. Penganalisis menjangkakan permintaan hidrogen baharu memerlukan berbilion meter padu air tawar dalam tempoh sedekad akan datang. Jika lonjakan permintaan berlaku di wilayah kering, bekalan air akan tertekan melainkan air laut dan air sisa digunakan. Kajian menunjukkan bahawa menggabungkan penyahgaraman dengan elektrolisis serta memulihkan haba buangan daripada sel bahan api dan elektroliser boleh mengurangkan jumlah bil tenaga beberapa peratus. Mengalihkan sumber air ke kawasan pesisir dan menggunakan haba yang sebaliknya akan dibuang membolehkan air pedalaman dikekalkan untuk ladang dan bandar, sambil mengurangkan sedikit penggunaan tenaga.

Reka bentuk yang mengambil kira kesan alam sekitar tetap penting. Air garam boleh menjejaskan ekosistem marin jika dilepaskan tanpa pengurusan yang teliti. Model Rizhao mengurangkan risiko ini dengan menjual air garam untuk pengeluaran bahan kimia, sekali gus mengehadkan pelepasan ke laut. Pengambilan air laut juga memerlukan kejuruteraan yang teliti bagi mengelakkan kemudaratan terhadap hidupan marin. Amalan terbaik ialah menyedut air pada halaju rendah melalui penapis halus dan menempatkan salur masuk di kawasan yang kurang ikan dan larva. Perkara ini bukan pertimbangan sampingan. Ia penting untuk mendapatkan permit dan sokongan masyarakat apabila semakin banyak taman perindustrian pesisir berusaha menggabungkan penyahgaraman dengan elektrolisis.

China membangunkan ekosistem teknologi hidrogen

Di sebalik projek seperti Rizhao terdapat pangkalan pengilangan yang semakin berkembang serta rangkaian rakan kongsi. Di Tianjin, sebuah kilang elektroliser utama yang kini berada sepenuhnya di bawah kawalan sebuah firma Eropah membekalkan modul alkali berkapasiti ratusan megawatt setiap tahun. Kilang itu telah menaik taraf automasi dan sistem kualiti, serta sudah membekalkan peralatan kepada beberapa projek hidrogen terbesar yang sedang beroperasi. Kawalan penuh membolehkan pelarasan reka bentuk dibuat dengan lebih pantas, logistik lebih teratur dan jaminan kualiti lebih baik bagi pesanan global.

Jarle Dragvik, ketua pegawai eksekutif HydrogenPro, menyifatkan perubahan itu sebagai cara untuk menyelaraskan kapasiti dengan permintaan daripada projek berskala sangat besar.

Ini tentang memperkemas operasi dan menetapkan sistem yang cekap kos serta bersedia untuk projek berskala besar.

Penggiat asing dan domestik sedang memperkukuh hubungan dalam bidang penyahgaraman, tenaga boleh baharu dan hidrogen di China. Sebuah syarikat pembangunan air dan tenaga global telah membuka pusat inovasi di Shanghai untuk mengusahakan fotovoltaik, tenaga angin, penyimpanan tenaga, hidrogen hijau dan penyahgaraman air laut bersama universiti dan makmal. Syarikat China juga mengeksport kepakaran. Sebuah syarikat sedang membina projek hidrogen hijau di Mesir yang digabungkan dengan tenaga angin dan solar, dengan sasaran mengeksport ammonia. Sebuah lagi syarikat bekerjasama di Arab Saudi untuk mereka bentuk loji hidrogen kepada ammonia berskala gergasi. Perkembangan ini menunjukkan kewujudan rantaian bekalan yang mampu menyediakan peralatan, perkhidmatan dan kepakaran operasi untuk projek dalam dan luar negara.

Langkah seterusnya

Ujian seterusnya bagi Rizhao dan loji seumpamanya ialah tempoh operasi. Jurutera akan memantau pembentukan kotoran pada membran yang menggunakan haba, pembentukan kerak dalam paip dan kestabilan elektroliser yang beroperasi serta berhenti mengikut ketersediaan haba buangan. Lebih banyak jam operasi akan menjelaskan keperluan penyelenggaraan sebenar dan tempoh operasi yang terbaik. Dari sudut perniagaan, penyepaduan tiga barisan produk, iaitu air, hidrogen dan bahan kimia daripada air garam, boleh menstabilkan turun naik hasil dan meningkatkan kebolehdapatan pembiayaan.

Pilihan antara dua laluan teknikal juga akan menjadi lebih jelas. Elektrolisis air laut secara langsung mungkin sesuai di luar pesisir bersama tenaga angin dan ombak, apabila kesederhanaan dan peralatan kompak menjadi keutamaan. Penyahgaraman yang diikuti elektrolisis pula mungkin lebih sesuai di tempat haba gred rendah banyak tersedia dan terdapat permintaan stabil terhadap air proses yang sangat bersih. Matlamat akhirnya sama, iaitu membekalkan hidrogen hijau pada kos yang kompetitif tanpa menggunakan sumber air tawar yang terhad. Projek perintis Rizhao menunjukkan satu cara praktikal untuk mencapai matlamat itu sambil memanfaatkan haba yang kini dibazirkan oleh industri.

Perkara utama

• Sebuah loji pesisir di Rizhao, Shandong, menghasilkan air tawar dan hidrogen hijau daripada air laut dengan menggunakan haba buangan industri.
• Harga air yang dilaporkan ialah kira-kira dua yuan bagi setiap meter padu, manakala penggunaan tenaga hidrogen sekitar 4.2 kilowatt jam bagi setiap meter padu piawai.
• Pengeluaran tahunan daripada 800 tan air laut merangkumi 450 meter padu air ultra tulen, 192,000 meter padu piawai hidrogen dan 350 tan air garam untuk bahan kimia marin.
• Penggunaan haba gred rendah untuk penyahgaraman mengurangkan keperluan elektrik dan tekanan terhadap bekalan air perbandaran.
• Elektrolisis air laut secara langsung semakin maju, namun cabaran bahan masih wujud, maka banyak projek masih memilih penyahgaraman yang diikuti elektrolisis.
• Grid voltan ultra tinggi China membawa tenaga angin dan solar baharu ke Shandong, sekali gus menyokong penggunaan armada elektroliser yang lebih besar.
• Kapasiti pengilangan di Tianjin dan hab inovasi baharu di Shanghai menunjukkan ekosistem hidrogen dan penyahgaraman yang semakin berkembang.
• Projek eksport di Mesir dan Arab Saudi menyerlahkan jangkauan global kepakaran China dalam hidrogen dan penyahgaraman.
• Reka bentuk pengambilan air dan pengurusan air garam yang teliti penting untuk melindungi hidupan marin apabila projek pesisir diperluas.