O potencial do nitrogênio no armazenamento de energia e combustíveis limpos

De acordo com dados da Agência Internacional de Energia (AIE), espera-se que o investimento global em energia limpa (como o nitrogênio) aumente 17% em relação ao ano anterior até 2024, com o investimento em tecnologias de armazenamento de energia e combustíveis limpos representando mais de 40%. A profunda transformação da estrutura energética tornou a busca por métodos de armazenamento de energia seguros, eficientes e de baixo custo, bem como por combustíveis limpos, o foco da competição entre os países.

O nitrogênio, sendo o gás mais abundante na atmosfera terrestre (representando aproximadamente 78%), possui inúmeras propriedades únicas. Suas propriedades químicas são estáveis ​​e inertes, e não é propenso a reagir com outras substâncias, o que o torna extremamente seguro em áreas relacionadas à energia. Além disso, o nitrogênio é abundante em reservas e relativamente fácil de obter, proporcionando garantias de recursos suficientes para sua aplicação em larga escala. Essas características permitiram que o nitrogênio se destacasse gradualmente nas áreas de armazenamento de energia e preparação de combustível limpo, demonstrando enorme potencial de aplicação.

Este artigo analisará profundamente, da perspectiva de compradores industriais, as aplicações específicas, vantagens e problemas práticos que o nitrogênio pode solucionar para empresas nas áreas de armazenamento de energia e combustíveis limpos. Ao explorar o status atual de desenvolvimento e as tendências futuras das tecnologias relacionadas ao nitrogênio, este artigo fornece referências valiosas para empresas de energia, para a indústria de energia de hidrogênio e células de combustível, para usuários de gás industrial e para empresas de pesquisa e desenvolvimento de energia limpa, entre outras, para auxiliar as empresas a tomarem melhores decisões durante o processo de transição energética.

Pontos problemáticos comuns para compradores

Empresas/fábricas de energia

Os métodos tradicionais de armazenamento de energia são altamente dependentes de combustíveis fósseis, o que não só gera custos elevados, como também exerce enorme pressão sobre as empresas em termos de emissões de carbono. Segundo estatísticas, o custo por quilowatt-hora do sistema auxiliar de armazenamento de energia da geração tradicional de energia a carvão é de 30% a 50% superior ao das novas tecnologias de armazenamento de energia, e sua intensidade de emissão de carbono é mais de dez vezes superior à dos novos métodos de armazenamento de energia. No contexto atual, em que as restrições globais às emissões de carbono estão se tornando cada vez mais rigorosas, é urgente buscar uma alternativa econômica e ecologicamente correta ao armazenamento de energia.

A indústria de energia de hidrogênio e células de combustível

O armazenamento e o transporte de hidrogênio enfrentam inúmeros desafios. Sua natureza inflamável e explosiva impõe exigências extremamente altas aos equipamentos de armazenamento e às condições de transporte, representando riscos significativos à segurança. Dados mostram que a taxa de acidentes durante o transporte de hidrogênio é de 2 a 3 vezes maior que a de outros gases, e o custo de armazenamento representa de 25% a 30% do custo total da cadeia da indústria de energia de hidrogênio. Portanto, há uma necessidade urgente de um gás alternativo ou auxiliar seguro e estável para otimizar o sistema da cadeia de suprimentos da indústria de energia de hidrogênio.

Usuário de gás industrial

O nitrogênio, um gás comumente utilizado na produção industrial, tem levado algumas empresas a enfrentar o problema da instabilidade no fornecimento, o que representa uma ameaça potencial à continuidade da produção. Ao mesmo tempo, a dependência a longo prazo de nitrogênio de origem externa é dispendiosa e não contribui para a redução de custos operacionais e o aumento da competitividade no mercado. Pesquisas mostram que, para empresas que compram nitrogênio de fora, a perda anual de produção causada pela instabilidade no fornecimento representa de 1% a 3% de sua receita total, e o custo da compra de nitrogênio de fora é de 40% a 60% maior do que o de máquinas de produção de nitrogênio construídas por elas mesmas.

Empresa de pesquisa e desenvolvimento de energia limpa

Muitas empresas de pesquisa e desenvolvimento ainda carecem de conhecimento aprofundado e de pesquisa sistemática sobre a aplicação do nitrogênio na síntese de novos combustíveis, o que leva à incapacidade de explorar plenamente o valor potencial do nitrogênio na busca por novas energias limpas. Dados relevantes mostram que, atualmente, apenas cerca de 20% das empresas de pesquisa e desenvolvimento de energia limpa utilizam o nitrogênio como foco de pesquisa para a síntese de novos combustíveis.

O potencial do nitrogênio no armazenamento de energia

Tecnologia de armazenamento de energia de nitrogênio líquido de baixa temperatura

Princípio de funcionamento: A tecnologia de armazenamento de energia em nitrogênio líquido de baixa temperatura utiliza as mudanças físicas do nitrogênio líquido sob condições específicas para obter o armazenamento e a liberação de energia. Durante a etapa de armazenamento de energia, o nitrogênio gasoso é resfriado a uma temperatura extremamente baixa (aproximadamente -196 ℃) pelo consumo de energia elétrica, causando sua liquefação e armazenamento. Esse processo converte energia elétrica em energia fria e energia potencial química do nitrogênio líquido. Quando a energia precisa ser liberada, o nitrogênio líquido é aquecido e vaporizado, com seu volume se expandindo rapidamente. O gás de alta pressão gerado aciona uma turbina para produzir eletricidade, convertendo assim a energia armazenada em energia elétrica para realimentar a rede elétrica.

Vantagens: O nitrogênio líquido possui excelente estabilidade química e inércia, não reagindo com outras substâncias. Portanto, a segurança do processo de armazenamento de energia é alta e praticamente não há riscos à segurança, como explosões. Comparado aos métodos tradicionais de armazenamento de energia, como baterias de chumbo-ácido, o nitrogênio líquido possui maior densidade de armazenamento de energia e pode armazenar mais energia em um espaço relativamente pequeno, o que é particularmente importante em áreas com recursos terrestres limitados. Além disso, essa tecnologia permite a regulação eficaz da eletricidade nos horários de pico e fora de pico, armazenando energia fora do horário de pico e liberando energia elétrica nos horários de pico, equilibrando a carga na rede elétrica e aumentando a estabilidade e a confiabilidade do fornecimento de energia.

Casos reais/Progresso da pesquisa: Atualmente, existem diversos projetos de armazenamento de energia em nitrogênio líquido, tanto no país quanto no exterior, em fase de pesquisa ou piloto. Por exemplo, uma instituição de pesquisa construiu com sucesso um sistema de demonstração de armazenamento de energia em nitrogênio líquido em pequena escala. Após testes de longo prazo, o sistema demonstrou excelente estabilidade e eficiência em múltiplos ciclos de carga e descarga, com uma eficiência de armazenamento de energia superior a 60%. Além disso, em algumas áreas onde se concentram parques eólicos e usinas fotovoltaicas, também estão sendo feitos esforços para explorar a combinação da tecnologia de armazenamento de energia em nitrogênio líquido com eles, a fim de abordar os problemas intermitentes e flutuantes da geração de novas energias e alcançar uma produção de energia estável.

O papel do nitrogênio em sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido

Melhorando a estabilidade do sistema e evitando riscos de oxidação: Em sistemas de armazenamento de energia por ar comprimido, o nitrogênio, como principal meio de trabalho, pode melhorar significativamente a estabilidade do sistema. Devido às propriedades químicas estáveis ​​do nitrogênio, é menos provável que ele sofra reações químicas durante a compressão e a expansão, o que pode prevenir eficazmente a corrosão do equipamento e a degradação do desempenho causada pela oxidação do gás, além de prolongar a vida útil do equipamento.

Reduza os riscos à segurança e prolongue a vida útil do equipamento: em comparação com outros gases inflamáveis ​​e explosivos, o uso de nitrogênio reduz significativamente os riscos à segurança do sistema. Ao mesmo tempo, um ambiente de trabalho estável ajuda a reduzir o desgaste mecânico do equipamento, a diminuir os custos de manutenção e a aumentar a confiabilidade e a economia de todo o sistema de armazenamento de energia por ar comprimido.

As perspectivas de aplicação do nitrogênio na preparação de combustíveis limpos

Síntese de nitrogênio e amônia (combustível de amônia verde)

Energia renovável + nitrogênio para preparar amônia verde → Combustível limpo e transportador de armazenamento de energia A amônia verde é produzida pela eletrólise da água com eletricidade gerada a partir de fontes de energia renováveis, como energia solar e eólica, para produzir hidrogênio e, em seguida, sintetizar amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio separados do ar sob condições específicas pelo processo Haber-Bosch. A amônia preparada com energia renovável como força motriz é chamada de amônia verde. A amônia verde não só pode ser aplicada diretamente como combustível limpo em equipamentos como motores de combustão interna e turbinas a gás, mas também produzir apenas nitrogênio e água após a combustão, com quase nenhuma emissão de gases de efeito estufa. Ela também pode servir como um transportador de armazenamento de energia eficiente, armazenando energia renovável na forma de energia química e liberando-a por craqueamento ou combustão quando necessário, alcançando assim a transmissão e utilização de energia intertemporal e espacial.

Aplicações marítimas e de geração de energia da amônia verde: No setor marítimo, devido à alta densidade energética da amônia e às tecnologias relativamente maduras de armazenamento e transporte, espera-se que ela substitua o óleo pesado tradicional como principal combustível para embarcações oceânicas, reduzindo significativamente as emissões de carbono na indústria marítima. Estima-se que um navio cargueiro oceânico de 100,000 toneladas que utilize amônia como combustível possa reduzir as emissões de carbono em aproximadamente 50,000 toneladas anualmente. Em termos de geração de energia, as unidades de geração de energia alimentadas por amônia verde podem atingir uma produção de energia estável, e seus indicadores de emissão são muito superiores aos da geração de energia tradicional a carvão e a óleo, proporcionando uma nova abordagem para a transformação verde da indústria energética. Atualmente, alguns gigantes internacionais do transporte marítimo começaram a conduzir pesquisa, desenvolvimento e aplicações piloto de navios movidos a amônia, e alguns países também estão ativamente construindo projetos de demonstração para geração de energia usando amônia verde como combustível, demonstrando uma perspectiva de desenvolvimento promissora.

O papel de apoio do nitrogênio na indústria de energia de hidrogênio

Gás de proteção em processos de produção e armazenamento de hidrogênio: Na etapa de produção de hidrogênio, seja na produção tradicional de hidrogênio por meio da reforma de energia fóssil ou na produção emergente de hidrogênio por eletrólise da água, o nitrogênio pode ser usado como gás de proteção. Ele pode criar um ambiente inerte durante o processo de reação, impedindo que reagentes e catalisadores sofram reações de oxidação com o oxigênio do ar, aumentando assim a eficiência da produção de hidrogênio e a pureza do produto. Durante o processo de armazenamento de hidrogênio, para armazenamento de hidrogênio gasoso de alta pressão e armazenamento de hidrogênio líquido de baixa temperatura, o nitrogênio pode preencher as lacunas nos recipientes de armazenamento de hidrogênio, desempenhando um papel de tamponamento e isolamento, reduzindo o risco de vazamento e explosão de hidrogênio e aumentando a segurança do sistema de armazenamento de hidrogênio.

Reduzir os riscos de explosão e aumentar a segurança do sistema: O hidrogênio é inflamável e explosivo, com uma ampla faixa de limite de explosividade. Quando sua concentração volumétrica no ar atinge de 4% a 75%, ele é altamente propenso a explodir ao encontrar uma fonte de fogo. A adição de nitrogênio pode diluir a concentração de hidrogênio, mantendo-o fora da faixa de limite de explosividade e reduzindo efetivamente os riscos à segurança nos processos de produção e armazenamento de hidrogênio. Além disso, o nitrogênio também pode servir como gás inertizante em situações de emergência, extinguindo rapidamente chamas e prevenindo a propagação de explosões, fornecendo uma forte garantia para o desenvolvimento seguro da indústria de energia de hidrogênio. De acordo com dados experimentais relevantes, após a adição de uma quantidade adequada de nitrogênio ao tanque de armazenamento de hidrogênio, o risco de explosão foi reduzido em mais de 80%.

Pesquisa e desenvolvimento de novos combustíveis (combustíveis à base de nitrogênio)

Fronteira da Pesquisa: Compostos à Base de Nitrogênio como Candidatos para Energia Limpa: Nos últimos anos, pesquisadores têm gradualmente voltado sua atenção para compostos à base de nitrogênio no processo de exploração de novos tipos de energia limpa. Alguns compostos à base de nitrogênio, como hidrazina e azidas, possuem alta densidade energética. Sob condições adequadas, eles podem liberar uma grande quantidade de energia e seus produtos de combustão são relativamente limpos. Espera-se que se tornem importantes candidatos para energia limpa no futuro. No entanto, atualmente, esses compostos à base de nitrogênio ainda enfrentam muitos desafios em termos de processo de síntese, estabilidade, segurança e custo, que exigem pesquisas mais aprofundadas e inovação tecnológica.

A Necessidade do Nitrogênio em Experimentos e Otimização de Processos: O nitrogênio desempenha um papel indispensável na pesquisa e no desenvolvimento de novos combustíveis à base de nitrogênio. Por um lado, o nitrogênio é uma importante matéria-prima para a síntese de compostos à base de nitrogênio, e sua pureza e qualidade afetam diretamente o desempenho e a qualidade do produto final. Por outro lado, durante as etapas de pesquisa experimental e otimização de processos, o nitrogênio pode ser usado para criar um ambiente de reação específico, controlar as condições de reação, ajudar os pesquisadores a entender melhor o mecanismo de reação, selecionar o melhor caminho de reação e os parâmetros do processo e promover o processo de pesquisa e desenvolvimento de novos combustíveis à base de nitrogênio.

Tabela Comparativa de Diferentes Métodos de Aquisição de Nitrogênio

Método de aquisição	Custo (yuan/metro cúbico)	Estabilidade de fornecimento	Ajustabilidade de pureza	Amizade ambiental	Cenários aplicáveis
Nitrogênio engarrafado	3-5	Má qualidade, muito afetada pelo transporte e outros fatores	Pureza fixa, não ajustável	Geralmente, há emissões de carbono provenientes do transporte	Pequenas empresas com baixo consumo e uso intermitente
Extração externa de nitrogênio líquido	2-4	Geralmente, é facilmente afetado pela oferta restrita	Pureza fixa, não ajustável	Má qualidade, alto consumo de energia para transporte e armazenamento	Empresas com uso moderado e requisitos de pureza fixos
Gerador de nitrogênio autoconstruído	1 a 2	Ok. A produção pode ser controlada de forma independente	Pode ser ajustado conforme necessário	Ok, sem emissões de carbono do transporte	Empresas com grande consumo, produção contínua e diferentes requisitos de pureza

Por que as empresas deveriam considerar construir seus próprios geradores de nitrogênio?

Reduza os custos

Em comparação com a dependência de longo prazo de nitrogênio engarrafado ou nitrogênio líquido para aquisição externa, as empresas que constroem seus próprios geradores de nitrogênio podem reduzir significativamente os custos operacionais. A compra de nitrogênio de fora não exige apenas o pagamento do gás em si, mas também uma série de custos adicionais, como transporte e armazenamento. Além disso, à medida que o volume de compras aumenta, a pressão de custos se torna cada vez mais evidente. Após o gerador de nitrogênio autoconstruído fazer um investimento único nos custos de aquisição e instalação de equipamentos, na operação de longo prazo subsequente, ele consome apenas uma pequena quantidade de eletricidade e ar para produzir continuamente o nitrogênio que atende às necessidades da empresa, reduzindo significativamente o custo de produção por unidade de nitrogênio. A longo prazo, isso economiza uma grande quantidade de recursos para a empresa. Tomemos como exemplo uma empresa com um consumo anual de nitrogênio de 1 milhão de metros cúbicos. Ao usar geradores de nitrogênio autoconstruídos, é possível economizar de 1 a 2 milhões de yuans em custos a cada ano.

Abastecimento estável

Geradores de nitrogênio autoconstruídos podem garantir a estabilidade e a continuidade do fornecimento de nitrogênio para as empresas. O fornecimento de nitrogênio externo está sujeito a interrupções ou atrasos devido a diversos fatores, como a capacidade de produção dos fornecedores, as condições de transporte e as relações de oferta e demanda do mercado, o que tem um sério impacto na produção e operação normais das empresas. Ao construir seus próprios geradores de nitrogênio, as empresas podem ajustar com flexibilidade a produção de nitrogênio de acordo com seus próprios planos e demandas de produção, obter um fornecimento de nitrogênio autocontrolado, evitar efetivamente paradas de produção causadas por interrupções no fornecimento de gás e garantir o bom andamento da produção empresarial.

alta flexibilidade

Os geradores de nitrogênio construídos pelas próprias empresas possuem alto grau de flexibilidade e podem ajustar a pureza e a produção de nitrogênio a qualquer momento, de acordo com as necessidades reais de produção. Diferentes processos de produção e cenários de aplicação apresentam requisitos variados para a pureza do nitrogênio. Geradores de nitrogênio de fabricação própria podem controlar com precisão diversos parâmetros durante o processo de produção de nitrogênio por meio de tecnologia avançada de controle e dispositivos de regulação, produzindo produtos de nitrogênio que atendem a diferentes necessidades. Por exemplo, em alguns processos de fabricação de chips eletrônicos com requisitos extremamente elevados de pureza de nitrogênio, os geradores de nitrogênio podem produzir nitrogênio com pureza superior a 99.999%. Em alguns processos de produção industrial, a exigência de pureza do nitrogênio é relativamente baixa, e os geradores de nitrogênio podem ajustar os parâmetros de produção de acordo para reduzir os custos de produção.

Conforme a tendência de proteção ambiental

Com o contínuo aumento da conscientização ambiental global, as empresas estão cada vez mais rigorosas em seus requisitos de proteção ambiental durante o processo de produção. A combinação de geradores de nitrogênio de construção própria e novos projetos de energia pode alcançar o uso eficiente de energia e a redução das emissões de carbono, ajudando as empresas a implementar melhor as "metas de carbono duplo". Por exemplo, em algumas empresas próximas a usinas eólicas ou fotovoltaicas, o excedente de eletricidade verde pode ser utilizado para acionar geradores de nitrogênio, separando o nitrogênio do ar para a produção. Isso não apenas permite o consumo local de energia limpa, mas também reduz o consumo de energia fóssil tradicional e as emissões de carbono, estabelecendo uma boa imagem de proteção ambiental para as empresas e fortalecendo seu senso de responsabilidade social e competitividade no mercado.

As tendências futuras e as perspectivas de mercado da aplicação de nitrogênio

Ajuste da estrutura energética global → A demanda por nitrogênio aumenta constantemente

À medida que a estrutura energética global acelera seu ajuste em direção a uma economia limpa e de baixo carbono, a proporção de energia renovável no consumo de energia aumenta constantemente. Nesse processo, o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia e combustíveis limpos é de vital importância. Como um meio fundamental na preparação de armazenamento de energia e combustíveis limpos, a demanda do mercado por nitrogênio apresentará uma tendência ascendente constante. Espera-se que a demanda global por nitrogênio cresça a uma taxa anual de 5% a 8% nos próximos anos. Especialmente em regiões onde a nova indústria de energia está se desenvolvendo rapidamente, como China, Europa e Estados Unidos, o mercado de nitrogênio terá um espaço maior para se desenvolver.

Na nova indústria de energia e combustíveis limpos, o nitrogênio se torna o gás de garantia básico

Nas novas indústrias de energia e combustíveis limpos, o nitrogênio se tornará gradualmente um gás de garantia básico indispensável. Nas áreas de geração de energia solar e eólica, o nitrogênio pode ser usado para proteger sistemas e equipamentos de armazenamento de energia, melhorando a eficiência da utilização de energia e a estabilidade do sistema. Nas indústrias de combustíveis limpos, como energia de hidrogênio e energia de amônia, o nitrogênio, como gás bruto e gás de proteção, percorre todos os elos, incluindo a produção de hidrogênio, o armazenamento de hidrogênio e a síntese de hidrogênio-amônia, desempenhando um papel crucial na garantia da qualidade do produto e da segurança da produção. Com o rápido desenvolvimento e a expansão em larga escala dessas indústrias, os cenários de aplicação do nitrogênio continuarão a se expandir, e sua posição fundamental de garantia se tornará cada vez mais proeminente.

As tendências de desenvolvimento das tecnologias de preparação de nitrogênio (PSA, separação por membrana, criogênica) nos próximos 5 a 10 anos

Tecnologia de Adsorção por Oscilação de Pressão (PSA): A tecnologia PSA é uma das tecnologias de produção de nitrogênio mais amplamente utilizadas atualmente. Nos próximos 5 a 10 anos, essa tecnologia se desenvolverá na direção de aprimorar a pureza do nitrogênio, reduzir o consumo de energia, simplificar o fluxo do processo e alcançar o controle inteligente. Com o desenvolvimento de novos adsorventes e a otimização dos processos de adsorção, espera-se que os equipamentos de geração de nitrogênio por PSA alcancem maiores taxas de recuperação de nitrogênio e menores custos operacionais. Além disso, com a ajuda de sistemas avançados de controle automático, o monitoramento remoto e a operação autônoma do equipamento podem ser realizados, aumentando assim a eficiência da produção e os níveis de gerenciamento. Espera-se que, até 2030, o consumo de energia da tecnologia de geração de nitrogênio por PSA seja reduzido em mais de 20%.

Tecnologia de separação por membrana: A tecnologia de geração de nitrogênio por separação por membrana apresenta as vantagens de equipamento simples, pequeno espaço físico e rápida inicialização. Em seu desenvolvimento futuro, o foco será superar o gargalo de desempenho dos materiais de membrana, melhorando a seletividade e a estabilidade das membranas e reduzindo o custo dos módulos de membrana. Além disso, por meio da inovação integrada com outras tecnologias, como a combinação com a tecnologia PSA para formar um processo composto de geração de nitrogênio, a competitividade da tecnologia de geração de nitrogênio por separação por membrana é ainda mais aprimorada e seu escopo de aplicação no mercado de demanda de nitrogênio em média e pequena escala é expandido.

Tecnologia de criogenia profunda: A tecnologia de produção de nitrogênio criogênico profundo permite a produção de produtos de nitrogênio de alta pureza e é adequada para cenários com demanda de nitrogênio em larga escala. Nos próximos 5 a 10 anos, a tecnologia de produção de nitrogênio criogênico promoverá avanços na melhoria da eficiência energética, reduzindo os custos de investimento em equipamentos e aumentando a confiabilidade do sistema. Ao otimizar o sistema de ciclo de refrigeração, adotar novos materiais de baixa temperatura e tecnologias de controle avançadas, os equipamentos de geração de nitrogênio criogênico alcançarão menor consumo de energia e maior eficiência de produção. Ao mesmo tempo, aumentará ainda mais o grau de automação e a estabilidade operacional do equipamento, atendendo às demandas de diferentes indústrias por nitrogênio em larga escala e alta pureza.

Conclusão

O nitrogênio demonstrou enorme potencial nas áreas de armazenamento de energia e combustíveis limpos. Seja como o principal meio da tecnologia de armazenamento de energia em nitrogênio líquido de baixa temperatura ou desempenhando um papel significativo em sistemas de armazenamento de energia por ar comprimido, na preparação de combustível limpo e na pesquisa e desenvolvimento de novos combustíveis, ele oferece novas soluções para a transformação verde e o desenvolvimento sustentável do setor energético. Para todos os tipos de empresas, reconhecer plenamente o valor do nitrogênio e explorar ativamente sua aplicação em seus próprios negócios, especialmente considerando a construção de seus próprios geradores de nitrogênio para reduzir custos e garantir o fornecimento, ajudará as empresas a tomar a iniciativa na onda da transformação energética e a aumentar sua competitividade.

Se a sua empresa pretende reduzir o custo de aquisição de nitrogênio e garantir um fornecimento estável de nitrogênio, você pode considerar a construção do seu próprio gerador de nitrogênio. Como fornecedor profissional de geradores de nitrogênio, MINUO possui vasta experiência no setor e tecnologia avançada, e é capaz de fornecer consultoria abrangente na seleção de geradores de nitrogênio e soluções personalizadas. Nossa equipe recomendará o modelo de gerador de nitrogênio mais adequado para você, com base em suas necessidades específicas, e fornecerá serviços completos de instalação, comissionamento, treinamento e manutenção pós-venda. Para mais informações ou para obter um orçamento, entre em contato conosco a qualquer momento.