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        可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景淺析

        2021-09-22 02:14:49董攀
        科技研究 2021年22期
        關(guān)鍵詞:前景分析可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀

        董攀

        摘要:本文深入研究了可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,比較了化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景,同時(shí)結(jié)合筆者自身工作經(jīng)驗(yàn),針對(duì)此類問(wèn)題提出了具有建設(shè)性的意見(jiàn)和建議,希望能夠?yàn)橥袠I(yè)相關(guān)工作者提供借鑒和參考。

        關(guān)鍵詞:制氫技術(shù);可再生能源;發(fā)展現(xiàn)狀;前景分析

        引言

        目前,全球能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳化轉(zhuǎn)型已是大勢(shì)所趨,而氫能由于其零排放、零污染、能量密度高等特點(diǎn),將在以可再生能源為主體的未來(lái)能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[1]。氫的制取主要有三種技術(shù)路線:化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫。此外還有未來(lái)可能具有規(guī)?;瘧?yīng)用潛力的光熱制氫、光電制氫、核能制氫等[2-3]。而隨著我國(guó)可再生能源的大力發(fā)展,利用可再生能源制氫成為大家關(guān)注的焦點(diǎn):氫能可有效彌補(bǔ)電能存儲(chǔ)的短板,為高比例可再生能源發(fā)展提供有效支撐;可再生能源制氫無(wú)碳排放,能夠助力我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前,可再生能源制氫已成為我國(guó)電力行業(yè)削峰填谷及解決棄電消納問(wèn)題的重要選擇[4]。

        1、可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

        當(dāng)前主要的電解水制氫方法有3種:堿性水電解制氫(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫和固體氧化物(SOEC)電解制氫[5]。

        ALK電解水技術(shù)一般是以KOH溶液作為電解質(zhì),采用石棉布等作為隔膜,在直流電的作用下將水電解,氫氣和氧氣在分別在陰極和陽(yáng)極析出,產(chǎn)出的氫氣純度約為99%,需要進(jìn)行提純處理。堿性電解槽的工作電流密度一般為0.2-0.4A/cm2,效率60%左右。堿性電解水技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)便且價(jià)格便宜,從而得到廣泛應(yīng)用。

        PEM電解水制氫原理為:水在電場(chǎng)和催化劑作用下,在陽(yáng)極發(fā)生水解反應(yīng),分裂成質(zhì)子、電子和氣態(tài)氧,氧氣在陽(yáng)極析出;質(zhì)子在電勢(shì)差的作用下,通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,與通過(guò)外部電路傳導(dǎo)到達(dá)的電子結(jié)合,生成氫氣。PEM電解槽的運(yùn)行電流密度通常高于1A/cm2,具有效率高、氣體純度高、電流密度可調(diào)、能耗低、體積小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被公認(rèn)為是極具發(fā)展前景的制氫技術(shù)。

        SOEC陰極材料一般采用Ni/YSZ多孔金屬陶瓷,陽(yáng)極材料主要是鈣鈦礦氧化物,電解質(zhì)采用YSZ氧離子導(dǎo)體。其原理為:混有少量氫氣的水蒸氣進(jìn)入陰極(混氫的目的是防止陰極材料Ni被氧化),發(fā)生電解反應(yīng)分解成H2和O2?,在高溫環(huán)境下O2?通過(guò)電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極,在陽(yáng)極失去電子生成O2。SOEC整個(gè)系統(tǒng)電壓低、能耗少,系統(tǒng)效率高達(dá)90%,但電極材料在高溫高濕條件下的穩(wěn)定性和電堆系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下衰減過(guò)快等問(wèn)題尚待解決,影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

        以上三種制氫技術(shù)路線中,目前應(yīng)用最廣泛的是堿性電解水制氫;PEM電解水制氫由于成本等問(wèn)題尚處于小規(guī)模示范應(yīng)用階段,但其具有抗電源負(fù)荷波動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),尤其適合與光伏、風(fēng)電等可再生能源聯(lián)合使用,未來(lái)應(yīng)用前景廣闊;固體氧化物電解制氫還在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

        2、可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展前景分析

        2.1化石燃料制氫短期內(nèi)仍是主要?dú)湓?,但比例?huì)不斷降低

        2019年,我國(guó)氫氣年產(chǎn)量約3400萬(wàn)噸,其中化石能源制氫占比達(dá)77.5%,工業(yè)副產(chǎn)氫占比約21%,電解水制氫占比約1.5%。不難看出,短期內(nèi)化石能源重整制氫仍是我國(guó)的主要?dú)湓?。但是,化石能源制氫并具有可持續(xù)性:一是制氫過(guò)程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生廢水廢氣,與我國(guó)環(huán)保要求不相適應(yīng);二是它帶來(lái)大量碳排放,與我國(guó)“3060”的雙碳目標(biāo)相悖。因此,化石燃料重整制氫比例將會(huì)不斷降低。

        2.2工業(yè)副產(chǎn)氫較為環(huán)保,但仍存在碳排放問(wèn)題

        工業(yè)副產(chǎn)制氫主要分布在鋼鐵、化工等行業(yè),目前主要形式有燒堿行業(yè)副產(chǎn)氫、高爐煤氣副產(chǎn)氫、焦?fàn)t煤氣可分離回收氫、乙烯和丙烯生產(chǎn)回收氫等[6]。利用工業(yè)副產(chǎn)氫,既能提高資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益,又可降低環(huán)境污染,具有較好的應(yīng)用前景,但它仍然存在碳排放,面臨碳捕捉及封存問(wèn)題。

        2.3可再生能源制綠氫應(yīng)用前景廣闊,技術(shù)尚待攻關(guān)

        可再生能源制氫是全球公認(rèn)的最具前景的制氫發(fā)展方向,隨著我國(guó)三北地區(qū)的風(fēng)光耦合的電價(jià)區(qū)間逐漸降至0.2元/kW·h左右,加上運(yùn)氫成本的降低,氫氣用能成本不斷降低,氫燃料電池車單位公里燃料價(jià)格已經(jīng)逼近甚至低于燃油車輛,未來(lái)制氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模很大。但與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的電解水制氫技術(shù)發(fā)展起步較晚,尤其是PEM電解水制氫和SOEC電解池技術(shù)與一些發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距,限制了其在我國(guó)的推廣應(yīng)用。

        3、結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,我國(guó)氫氣產(chǎn)能短期內(nèi)仍主要來(lái)自于化石燃料制氫,但在“3060”雙碳目標(biāo)背景下其比例會(huì)不斷降低。工業(yè)副產(chǎn)氫較為環(huán)保,也是我國(guó)特色,將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場(chǎng)的重要過(guò)渡手段,但其仍存在碳排放問(wèn)題,未來(lái)的發(fā)展需要與碳捕獲、利用與封存技術(shù)(CCUS)相結(jié)合。而可再生能源制氫,不僅有利于解決棄電消納問(wèn)題,支撐高比例可再生能源發(fā)展,而且憑借其“零碳”的屬性,將在我國(guó)碳中和路徑中扮演重要角色。

        參考文獻(xiàn):

        [1]雷超,李韜.碳中和背景下氫能利用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].發(fā)電技術(shù),2021,42(02):207-217.

        [2]鮑君香.太陽(yáng)能制氫技術(shù)進(jìn)展 [J].能源與節(jié)能,2018(11):61-63.

        [3]王敏.國(guó)內(nèi)外新能源制氫發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)[J].化學(xué)工業(yè),2018,36(6):13-18.

        [4]MOSTAFA Rezaei,MALIKEH Salimi,MOZHGAN Momeni,etal.Investigation of the socio-economic feasibility of installing wind turbines to produce hydrogen:Case study[J].International Journal of Hydrogen Energy.2018,43:23135-23147.

        [5]曹蕃,等.氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路徑研究[J].分布式能源,2020,5(1):1-8.

        [6]劉思明,石樂(lè).碳中和背景下工業(yè)副產(chǎn)氫氣能源化利用前景淺析[J].中國(guó)煤炭,2021,47(06):53-56.

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