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        可再生能源電解制氫技術及催化劑的研究進展

        2022-08-26 03:48:34顏祥洲湛江南海西部石油勘察設計有限公司廣東湛江524057
        化工管理 2022年23期
        關鍵詞:電解水氫能制氫

        顏祥洲(湛江南海西部石油勘察設計有限公司,廣東 湛江 524057)

        0 引言

        國內(nèi)電解水生產(chǎn)氫氣技術以氫源供給來看所占的比例并不是很高,電力成本與關鍵部件的開發(fā),為造成其能耗不低、約束其進步的關鍵。研究人員給出多種途徑來處理以上問題,如通過對電力的使用,進而處理電力成本問題,找出性能更為優(yōu)異的析氫催化劑,進而來實現(xiàn)對能耗的降低,總結(jié)了很多的經(jīng)驗且獲得了較大成果?;趯Φ吞寄茉匆约巴苿託淠墚a(chǎn)業(yè)進步的考慮,應該把以下領域融合討論,一起推進。

        1 電解水制氫技術

        在工業(yè)生產(chǎn)氫氣方面,電解水制氫屬于非常重要的技術措施,由電能來供應能量,促使水分子出現(xiàn)電化學反應,從而產(chǎn)生H2以及O2。對于水分解反應來講,通??梢詫⑵浞殖蓛蓚€部分,也就是陰極析氫以及陽極析氧。按照電解質(zhì)的差異,目前可把該項技術分成以下幾類:第一類為堿性電解水制氫,用AWE來表示;第二類為質(zhì)子交換膜電解水制造氫氣,用PEM來表征;第三類為固體氧化物電解水制氫,用SOEC來代表[1]。參數(shù)比較如表1所示。其中AWE是最為成熟的,存在著諸多的優(yōu)勢,技術安全、生產(chǎn)費用不昂貴、易于進行操作等,不過它的電解效率不高,通常介于60%至75%之間;PEM也有著多項優(yōu)點,如反應沒污染、轉(zhuǎn)換效率理想及結(jié)構較為緊湊,不過它所需成本較高,所以沒有達到大規(guī)模運用;SOEC由于有著很高運行溫度,通常處于600~1 000 ℃的范圍,故而有著較為理想的轉(zhuǎn)化效率,不過高溫約束了材料選取,還處在研究環(huán)節(jié)。

        表1 電解水制氫技術參數(shù)比較

        2 電解水制氫催化劑

        2.1 過渡金屬基電催化劑

        到目前為止,探索便宜、儲量充足以及活性理想的電催化劑,為科學研究的關鍵所在。對于過渡金屬基電催化劑來講,它有著非常理想的催化性能,可以實現(xiàn)對貴金屬的取代。把一些相關的過渡金屬(如鐵元素)同相關的非金屬元素(如:O、S及N)復合,可提升催化性能,同時獲得了不錯的發(fā)展。

        2.2 單原子催化劑(SACs)

        何謂單原子催化劑(用SACs來表示),一般就是基于活性金屬,通過原子形式進而產(chǎn)生的催化劑,在和載體進行融合之后會產(chǎn)生電子形態(tài),所以無論是催化活性還是原子使用率,都是較為理想的。通過SACs有助于更好解釋催化劑的構效關系,并且在多相以及均相催化方面起到了橋梁的作用。Pt的吸附自由能同零相接近,所以是比較科學的催化劑。不過昂貴的生產(chǎn)成本以及較少的儲量,約束了Pt的商業(yè)運用。處理以上問題有著以下思路:首先,對非貴金屬催化劑進行開發(fā);其次,通過提升Pt使用率,進一步來提升Pt原子的消耗。SACs的出現(xiàn)可以更好使用金屬,同時節(jié)省成本,向HER的開發(fā)提供了思路。SACs的合成策略一般包含缺陷工程以及空間限域等[1]。

        3 驅(qū)動電解水制氫

        3.1 氫能源技術路線比較

        基于天然氣重整制氫技術來看,它的發(fā)展是比較快的,但是其制氫成本也會被天然氣價格所影響。在2018年時,中國發(fā)展成最大的天然氣進口國。就天然氣來說,它的對外依存度是比較高的,在國際環(huán)境越來越緊張的情況下,貿(mào)易摩擦逐漸加劇,隨著新冠疫情傳播,還有我國多煤炭、少石油及天然氣的特點,促進天然氣制氫技術的發(fā)展,還應進一步探討。

        我國在煤化工產(chǎn)業(yè)上獲得了較快發(fā)展,這也促使煤制氫技術逐漸比較完善,還能開展大規(guī)模制氫作業(yè),然而實際進行生產(chǎn)時,會釋放大量二氧化碳,還應與碳捕集封存技術融合運用,該項技術也可叫做CCS?,F(xiàn)階段CCS技術還在持續(xù)探索中,應促進這項技術的研究發(fā)展,全面減少能耗及成本,在后續(xù)發(fā)展中,應將該項技術當成大規(guī)模制氫的途徑,以減少生產(chǎn)成本[2]。

        借助低碳電力驅(qū)動方式,來開展電解水制氫,通常是借助可再生能源發(fā)電,對電催化水分解形成的氫氣進行驅(qū)動,在這之中的電力涉及風電及光伏等。針對可再生能源發(fā)展來看,能源儲備是比較大的,在開發(fā)力度上也處在中上水平,結(jié)合國際能源署相關報告得知,在2020年,我國能源裝機容量就達到了全球的50%,雖然政府對風能及太陽能項目沒有過多補貼,但在后續(xù)發(fā)展中,我國的可再生能源獲得了持續(xù)增產(chǎn),上升了50%以上,遠超了過去幾年的水平,這也同我國2060年“碳中和”的目標一致。

        3.2 電力制氫問題

        利用可再生能源開展制氫作業(yè),有利于促進氫能產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展,是行之有效的方式,但還是有著一系列的問題及挑戰(zhàn)。第一,發(fā)電過程中存在的問題。針對可再生能源而言,它極易被季節(jié)及氣候因素影響,導致出現(xiàn)間歇及隨機等問題。第二,制氫成本方面的問題?;诩夹g的逐漸成熟,還有供應鏈競爭越來越激烈,在原來的發(fā)展中,發(fā)電成本越來越小,然而相較于化石燃料發(fā)電,還應進一步分析,想要有效增強價格競爭力,需要對能源消納問題加以重視,這會對制氫成本產(chǎn)生較大的影響。第三,發(fā)電并網(wǎng)存在的問題。就我國的能源資源分布來看,基本上都位于西部地區(qū),但對電力的使用,通常是在東部及南部地區(qū)比較大,怎樣實現(xiàn)并網(wǎng)、輸送及消納之間的協(xié)調(diào),這是現(xiàn)階段亟需解決的難題。第四,電力制氫應用上存在的問題。針對風力及光伏資源來看,我國有著非常大的儲量。但是對于棄光地區(qū)而言,他們并非急需地區(qū),這就會出現(xiàn)氫氣運輸方面的問題,怎樣達到安全可靠運輸,全面減少運輸氫氣的成本,并科學應用氫氣,這是氫能產(chǎn)業(yè)應該重視的問題。

        3.3 電力制氫優(yōu)勢

        第一,能夠很好地解決發(fā)電運行中存在的問題。一系列棄風等行為造成的棄電,這是有效促進電解水制氫技術的動力,基于可再生資源儲備而言,針對資源較多的地區(qū),可為其配備相應的電解槽制氫裝置,從而更好地處理發(fā)電運行中的一系列問題,促進環(huán)保措施的有效運用。第二,科學消納可再生能源。想要制造低成本氫,需要獲得低成本電力的支持,如此才能實現(xiàn)電解槽長期運行。伴隨太陽能和風力的開發(fā),其發(fā)電成本越來越低,在日后發(fā)展中,可再生能源平價發(fā)展,能夠為電網(wǎng)電力制氫奠定夯實基礎。第三,達到能源有效利用。根據(jù)成本及環(huán)保方面來看,借助可再生能源開展電解水制氫,不但能夠促進氫能低成本發(fā)展,實現(xiàn)大規(guī)模制備,還能更好地處理碳排放問題,促進清潔能源合理應用[3]。

        4 光伏發(fā)電制氫

        4.1 利用太陽能的制氫技術

        伴隨人們對氫能需求的越來越多,借助水作為原料,借助太陽能制氫是目前世界各國的一致目標。借助太陽能制氫的方式是非常多的,如光電化學分解水制氫等。在這之中,光伏發(fā)電制氫獲得了較快的發(fā)展。

        現(xiàn)階段,借助光伏發(fā)電制氫,主要是利用太陽能光伏板,將其同電解槽實行連接,并劃分成兩個系統(tǒng),一種是間接連接,另一種是直接耦合。針對間接系統(tǒng)來看,它是現(xiàn)階段運用比較廣泛的方式,其中涉及的部件有蓄電池及電解槽等。該設計方式主要是借助蓄電池能以及相應的轉(zhuǎn)化器,來完成電壓及電流的調(diào)節(jié),以實現(xiàn)電解槽的相關要求。這一系統(tǒng)能夠全面實現(xiàn)電解槽性能,確保其安全運行;不足之處是轉(zhuǎn)化器等設備的使用,在一定程度上提高了系統(tǒng)成本,在這一過程中,還會產(chǎn)生電能傳遞損失,從而減小系統(tǒng)效率。就直接耦合系統(tǒng)而言,一般是利用光伏陣列同電解槽的有效配合,在這一系統(tǒng)中,可以不用蓄電池等設備,好處是該系統(tǒng)比較簡單,極大降低了故障出現(xiàn)的幾率,從而減少相關的維修成本。結(jié)合有關研究顯示,應根據(jù)該地區(qū)氣候及日照等條件,科學設計光伏陣列等構成,相較于傳統(tǒng)的間接連接,這種直接的耦合連接可以進一步增強制氫效率。

        基于光伏發(fā)電制氫來看,其優(yōu)點包含下述幾點:第一,光伏發(fā)電存在一定的隨機性及階段性等特征,可以把光能及電能結(jié)合起來,通過電解水制氫技術完成,促進能量的科學使用,并將能量儲存了起來,是科學處理該問題的重要手段。第二,就光伏發(fā)電制氫來看,這項工藝的操作較為簡單,并且相關的運維難度也很低,應結(jié)合場地實際需要,開展模塊化組合,針對分布式能源而言,在后續(xù)發(fā)展中,應注重供應燃料電池的研發(fā),這是促進能源有效運用的關鍵措施。第三,光伏發(fā)電對于可再生能源發(fā)展具有關鍵性的作用,電解水制氫能夠促進清潔能源的開發(fā)及利用,是行之有效的措施。將兩者有機融合,能夠更好地滿足國家綠色能源的發(fā)展要求,滿足全球能源發(fā)展及環(huán)境治理的需要。

        4.2 問題與建議

        在光伏發(fā)電過程中,最重要的就是電網(wǎng)問題,由于自身電力缺乏穩(wěn)定性,若是不借助電網(wǎng)開展,將很難達到這一應用要求。由此可知,電網(wǎng)配套問題對光伏發(fā)電發(fā)展有著較大的影響,借助間接及直接耦合方式,實現(xiàn)電解水制氫,還應進一步評價。我國在光伏新增規(guī)模上獲得了較大的發(fā)展,然而其核心技術是從國外引入的,這對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一項挑戰(zhàn),不利于光伏制氫技術的發(fā)展。因為本地區(qū)存在較大的棄光棄電問題,現(xiàn)階段光伏發(fā)展應轉(zhuǎn)移至中東部,這也使得集中式裝機獲得了較快的發(fā)展,怎樣促進光伏制氫技術進步,是應該研究的問題。針對上網(wǎng)成本問題,基于光伏補貼政策的減少,光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對光伏發(fā)電制氫有著關鍵性的作用,針對光照資源較好的地區(qū),可擴大發(fā)展規(guī)模,發(fā)揮示范作用。就核心技術問題來看,應提高光伏及氫能技術的研究力度,加大相關的投入,借助目前的示范項目開展技術攻關,增強核心競爭力。

        5 風力發(fā)電制氫

        5.1 利用自然風能的制氫技術

        就風力發(fā)電制氫來看,一般是借助風力驅(qū)動形成電能,通過電解水來制氫,再把它運送到應用終端。該項技術包含兩種類型,依次是并網(wǎng)型及離網(wǎng)型。針對并網(wǎng)型而言,主要是借助風電機組,將其與電網(wǎng)相連,借助電網(wǎng)電力,開展電解水制氫,大部分都運用在大規(guī)模風電場;針對離網(wǎng)型來看,一般是借助風電機組形成電能,然后利用電解水制氫裝置,并不用電網(wǎng)分配,大部分都會運用在分布式制氫技術中。

        5.2 存在的問題與建議

        針對技術問題來看,該項技術在電能方面的要求非常高,但風電卻有著很大的隨機性,會導致電力供應反復波動,不利于制氫設備合理使用,對電能合理匹配產(chǎn)生了較大影響。在運用方面,現(xiàn)階段的用氫單位大部分為化工企業(yè),由于運輸及存儲成本問題,企業(yè)往往借助傳統(tǒng)制氫方式完成。在高純氫氣利用上,有著非常多的用戶,但其實際用量相對較小,氫燃料電池還在發(fā)展中,沒有大規(guī)模運用的環(huán)境。應致力于關鍵技術的研究。根據(jù)風電間歇性等問題,探討技術的突破,從而節(jié)省開發(fā)成本,增加技術效率,并提高質(zhì)子交換膜等技術的投入,從而達到生產(chǎn)要求。促進海上風電制氫的研究?,F(xiàn)階段都是借助并網(wǎng)型方式,由于輸電線路容量,風電場同氫氣用戶之間的距離比較近,根據(jù)區(qū)域角度,需求較大的企業(yè)大部分都位于沿海地區(qū),可開展海上風電項目,從而解決電力及氫能運輸方面的問題。

        6 結(jié)語

        也能持續(xù)促進電解水制氫的研究,是有效落實低碳發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施,有利于更好地解決我國依賴化石能源的問題,解決氫氣產(chǎn)能方面的問題。就電解水制氫來看,應持續(xù)完善制氫技術,最大程度地減少生產(chǎn)成本及能耗,增加生產(chǎn)效率。針對核心部件方面,如電解槽等,應提高研發(fā)力度,從而更好地解決發(fā)展中的系列問題,進一步促進氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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