• 业界深度分析!氢能技术发展趋势,产业前景可期
    2021-07-16 作者:李争 张蕊 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语利用可再生能源替代化石燃料的制氢是清洁、高效制氢的未来发展趋势,在氢能产业链的制备-储运-加注-应用四个环节中,制氢是龙头,氢能产业前景可期,要科学合理地选择制氢工艺路径,必须从源头以满足环保、经济、安全、高效的要求,实现氢能的供给。

    氢能是全球能源技术革命的重要发展方向,也是可持续和安全的能源未来重要的组成部分。加快发展氢能产业,不仅可以应对全球环境危机,还可以保障能源供给,实现国家能源的可持续性发展。根据IEA公布的《氢能源未来发展趋势报告》,预计到2050年,氢能源的消耗量将会是目前消耗量的10倍。世界各国都在大力发展制氢技术,占领国际氢能源的制高点。

    深度分析!氢能技术发展趋势,产业前景可期

     

    利用可再生能源替代化石燃料的制氢是清洁、高效制氢的未来发展趋势,在氢能产业链的制备-储运-加注-应用四个环节中,制氢是龙头,氢能产业前景可期,要科学合理地选择制氢工艺路径,必须从源头以满足环保、经济、安全、高效的要求,实现氢能的供给。

    1 制氢方式发展趋势

    制氢技术处于氢能发展的上游,目前主流的绿色制氢技术主要有电解水制氢、生物制氢、太阳能制氢等。据中国氢能联盟,我国氢能制取的远期目标是到2050年实现持续利用可再生能源电解水制氢,大力发展生物制氢、太阳光解水制氢。

    1)电解水制氢技术

    目前主流的制氢方式是煤气化制氢、天然气制氢。从成本角度看,煤气化制氢成本最低,已存在利润空间,电解水制氢仅占4%,制约电解水制氢技术发展的主要因素是成本过高、收益为负;从绿色环保角度看,电解水制氢低碳、可持续,相较于目前主流制氢技术,是可持续和低污染的,是理论上最理想的制氢技术,符合可持续发展的国家政策。

    未来制氢技术的发展主要受技术水平、经济效益、环境效益等因素影响。国际能源署发布最新报告显示,预计到2030年,可再生能源制取氢气成本可能下降30%。可再生综合能源利用发展迅速,制氢方式也不断增加,但未来制取氢气的方式仍然为电解水制氢技术,其发展前景广阔,到2050年,可再生能源发电电解水将成为主流制氢技术。

    2)生物质能制氢技术

    生物制氢原料来源广且没有污染,反应环境是常温常压,生产费用低,完全颠覆了传统的能源的生产过程。作为一种环境友好型可再生能源,如果能够利用生物质能实现制氢的工业化,不仅对能源的优化利用有积极作用,而且可以减少环境污染。生物制氢技术是一种高效产氢的生物工程技术,整个过程将存储在自然界有机物(如蛋白质、植物中碳水化合物)中的能量释放出来,通过细菌的作用产生氢气。

    生物制氢的途径主要有光解水、光发酵、暗发酵产氢和光暗耦合发酵等。几种生物制氢方法的比较见表1。生物制氢优点众多,比传统的物理化学方法更加节能,可再生和低消耗,是未来规模化产氢的重要途径。

    3)太阳能制氢技术

    最近,在众多的可再生能源制氢的技术中,研究人员正在重点开发太阳能制氢这项新技术。目前太阳能制氢技术实现的主要途径有光化学制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢等。几种太阳能制氢技术的方法比较见表2。

    随着研究的深入,发现热化学制氢技术在光照条件下可以利用光催化剂降低对温度的要求,提出了一种热化学循环制氢方法。光催化法制氢是在光照催化剂的作用下,使水分解制的氢气。光催化分解水制氢技术目前研究工作主要是从改进催化剂性能来提高产氢效率。

    石墨烯具有超强的力学性能、导电性、导热性以及透光性,而且价格低廉、制氢效率高,对石墨烯进行改造给未来低成本制氢提供很大的希望。经过研究发现,废水中的有机物可以通过自身的电子给体实现太阳能制氢和太阳能去污,其过程只需要简单地将废水处理与光催化制氢结合,所以这也是未来的发展方向之一。

    太阳能制氢技术还在初步的研究阶段,随着资金大量的投入,对技术的开发和进步必将越来越快,光催化剂制氢技术能进一步完善、生物制氢的效率进一步提高的希望也会更大,前景十分广阔。

    深度分析!氢能技术发展趋势,产业前景可期

    表1 生物质能制氢技术对比

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    表2 太阳能制氢技术对比

    2 储运氢方式发展趋势

    高效利用氢气的关键在于氢气的储运,同时它也是影响氢能向大规模方向发展的重要因素。因此,对氢气储运技术的研究成为重点和难点。现阶段储存氢气的途径主要有:多孔材料及金属合金等物理类固态储氢、高压气态储氢、深冷液化储氢等。

    目前氢气储运主要以气态为主,主要是因其成本低、简便易行、充放气速度快,但安全隐患系数较高。低温液态储氢技术发展缓慢,该技术存在难度系数大、液化成本高、能耗大和绝热材料成本高等弊端。

    而固态储氢方式优势众多,操作方便,是三种方式中最具发展前景的储氢方式,也是储氢技术研究内容中前沿的方向之一。随着未来储氢合金的使用过程更加便利,成本更加低廉,其有望成为未来主要的储氢方式。

    此外,随着研究的深入,出现了无机物储氢和有机物储氢。无机物储氢是通过化学键与离子型非金属氢化物(如络合金属氢化物NaBH4、NH3BH4等)相互作用进行氢气的存储,释放的过程和储氢合金原理相似,存储在其中的氢气以加热的方式释放。

    有机物储氢是指利用苯或甲苯等液体与氢反应生成环乙烷,这种储存运输氢气的方式不依靠耐高压和低温装置,释放时进行的脱氢反应需要催化剂,这也将是未来一项备受关注的储氢技术。

    3 氢能应用发展趋势

    氢气在提供清洁、安全、可靠和丰富能源方面有着巨大的发展前景,且应用领域十分广泛,作为工业原料,可用于石油炼制、合成氨、甲醇等生产领域,少量用于钢铁、玻璃、电子、航空等工业领域。

    此外,还可用于交通领域,正在开发的氢燃料电池汽车行业刚刚起步,截至2018年底,全球FCEV(燃料电池电动汽车)库存达11200辆,当年销量约为4000辆(比2017年增长80%),预计到2030年,燃料电池汽车行业将实现大幅发展,预测趋势如图1所示。

    深度分析!氢能技术发展趋势,产业前景可期

    图1 2018~2030年部分国家燃料电池汽车

    目前我国氢能发展已提升到战略层面,但仍存在成本高、安全性待突破、基础设施薄弱等问题,早期应以本地消纳为主,优先发展加氢示范基础设施及氢气燃料电池等,逐步由本地化走向区域化,为我国产业发展、技术培育及基础设施建设积攒经验。

    随着可再生能源系统的大规模化应用,燃料电池制作成本的大幅度下降,国内燃料电池车、加氢站将有较大增幅,我国能源消费结构将会以氢能为主要组成部分,国家的“能源独立”有望完成,氢能产业会从区域发展逐步拓展到各主要市场,依托全国天然气管网的氢气与天然气混输将实现大规模运行,包括氢能输送管网和加氢站在内的全国性基础设施网络基本形成。氢气作为一种清洁能源,将在越来越多的领域得到应用。

    本文摘编自2021年第3期《电工技术学报》,论文标题为“可再生能源多能互补制-储-运氢关键技术综述”,作者为李争、张蕊 等。

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