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            1. 碳中和目標下,制氫技術進展


              發布時間:

              2023-01-02

              氫氣制備主要技術工藝有熱化學制氫和水電解制氫,其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫。氫能是一種理想的新型能源,通過風光等新能源電力制氫,并將氫與燃料電池結合發電,以此形成氫能產業生態圈有助于保障我國能源安全,加快構建清潔化、低碳化的氫能供應體系,對我國可持續發展戰略具有重大意義。

              制氫關鍵技術

              氫氣制備主要技術工藝有熱化學制氫和水電解制氫,其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫?;茉粗茪浒ㄋ簹庵茪?、天然氣重整制氫等,目前已經進行工業生產,技術相對成熟,但能量的產出大于投入,若用此法制氫發電,能量轉換效率低,經濟性差,因此傳統能源制氫并非理想的制氫技術?;ぴ现茪渲饕写碱惲呀庵茪?、醇類重整制氫,如甲醇水蒸氣重整制氫。水電解制氫法即利用光伏、風電等新能源電力電解水制氫,這種制氫方式近零碳排放,可充分利用“三棄”(棄風、棄光、棄水)能源水解制氫,還可以大大降低制氫成本,是實現“綠氫”生產的重要技術環節, 也是氫能領域投資的重點領域。 

              表出了當前階段不同制氫技術的對比,可以看出:化石能源制氫技術雖然成熟度較高且經濟性較好,但碳排放量較大,違背了氫能作為清潔能源的本質,不適合長期發展;可再生能源電力電解水制氫技術成熟,且環保性好、碳排放少,但是其制氫成本較高,可以考慮采取“三棄”能源制氫, 以大幅降低制氫成本。不同制氫技術所使用的制氫原料及制氫工藝大有不同。

               

              制氫原料

               

              下圖給出了目前全球制氫原料占比和主流制氫方法的經濟性對比??梢钥闯?,在所有制氫原料中,天然氣使用最為廣泛,占比達到48%, 其次是醇類(占比為30%),電解水使用較少,占比僅為4%。

               

              目前,全球制氫技術的主流選擇是化石能源制氫和化工原料制氫,這主要是由于化石能源制氫和化工原料制氫的成本較低。此外,由于清潔性好、效率高、成本低,采用天然氣重整制氫具有較大利潤空間。采用電解水制氫是當前制氫環節的研究熱點,技術也較為成熟,其他新型制氫法尚未應用于大規模制氫。

               

              從制氫原料占比來看,近期我國仍將主要采用化石能源制氫和工業副產氫+碳捕集、利用與封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS)技術(即“藍氫”),助力化石能源制氫降低碳排放。而隨著我國可再生能源裝機容量不斷增大,在西北地區出現大量棄風棄光現象,如果能夠將棄風棄光所發電力用于電解水制氫(“綠氫”,即采用風電、光伏等可再生能源電解水制氫),“綠氫”制取經濟性也非??捎^。因此,長遠來看,隨著碳達峰、碳中和工作的推進,“綠氫”將成為氫能應用的主流選擇。

               

              制氫工藝

               

                

              現有主要制氫方式如下圖所示,其中:較為成熟的技術路線有3種,即使用煤炭、天然氣等化石能源重整制氫,以醇類裂解制氫技術為代表的化工原料高溫分解重整制氫,以及電解水制氫;光解水和生物質氣化制氫等技術路線仍處于實驗和開發階段,相關技術難以突破,尚未達到規?;茪涞男枨?。

               

               

               

              上表給出了典型制氫工藝中各類能源的能量轉換效率與碳排放量。

              由表可以看出:雖然化石能源制氫工藝成熟且原料價格低廉,但是會排放大量的溫室氣體,對環境造成污染,因此環境成本極高;而電解水制氫工藝幾乎無碳排放,符合綠色發展及可持續發展的環保理念。

               

               

              結語

              氫能是一種理想的新型能源,通過風光等新能源電力制氫,并將氫與燃料電池結合發電,以此形成氫能產業生態圈有助于保障我國能源安全,加快構建清潔化、低碳化的氫能供應體系,對我國可持續發展戰略具有重大意義。氫儲能可以作為儲能系統新思路,解決可再生能源消納能力不足及新能源并網問題。氫結合燃料電池發電是氫能全生命周期應用的關鍵技術環節,氫氣發電可以產出多種有直接經濟效益的產品(如純氧),

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