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              • 業界深度分析!氫能技術發展趨勢,產業前景可期
                2021-07-16 作者:李爭 張蕊 等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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                導語利用可再生能源替代化石燃料的制氫是清潔、高效制氫的未來發展趨勢,在氫能產業鏈的制備-儲運-加注-應用四個環節中,制氫是龍頭,氫能產業前景可期,要科學合理地選擇制氫工藝路徑,必須從源頭以滿足環保、經濟、安全、高效的要求,實現氫能的供給。

                氫能是全球能源技術革命的重要發展方向,也是可持續和安全的能源未來重要的組成部分。加快發展氫能產業,不僅可以應對全球環境危機,還可以保障能源供給,實現國家能源的可持續性發展。根據IEA公布的《氫能源未來發展趨勢報告》,預計到2050年,氫能源的消耗量將會是目前消耗量的10倍。世界各國都在大力發展制氫技術,占領國際氫能源的制高點。

                深度分析!氫能技術發展趨勢,產業前景可期

                 

                利用可再生能源替代化石燃料的制氫是清潔、高效制氫的未來發展趨勢,在氫能產業鏈的制備-儲運-加注-應用四個環節中,制氫是龍頭,氫能產業前景可期,要科學合理地選擇制氫工藝路徑,必須從源頭以滿足環保、經濟、安全、高效的要求,實現氫能的供給。

                1 制氫方式發展趨勢

                制氫技術處于氫能發展的上游,目前主流的綠色制氫技術主要有電解水制氫、生物制氫、太陽能制氫等。據中國氫能聯盟,我國氫能制取的遠期目標是到2050年實現持續利用可再生能源電解水制氫,大力發展生物制氫、太陽光解水制氫。

                1)電解水制氫技術

                目前主流的制氫方式是煤氣化制氫、天然氣制氫。從成本角度看,煤氣化制氫成本最低,已存在利潤空間,電解水制氫僅占4%,制約電解水制氫技術發展的主要因素是成本過高、收益為負;從綠色環保角度看,電解水制氫低碳、可持續,相較于目前主流制氫技術,是可持續和低污染的,是理論上最理想的制氫技術,符合可持續發展的國家政策。

                未來制氫技術的發展主要受技術水平、經濟效益、環境效益等因素影響。國際能源署發布最新報告顯示,預計到2030年,可再生能源制取氫氣成本可能下降30%??稍偕C合能源利用發展迅速,制氫方式也不斷增加,但未來制取氫氣的方式仍然為電解水制氫技術,其發展前景廣闊,到2050年,可再生能源發電電解水將成為主流制氫技術。

                2)生物質能制氫技術

                生物制氫原料來源廣且沒有污染,反應環境是常溫常壓,生產費用低,完全顛覆了傳統的能源的生產過程。作為一種環境友好型可再生能源,如果能夠利用生物質能實現制氫的工業化,不僅對能源的優化利用有積極作用,而且可以減少環境污染。生物制氫技術是一種高效產氫的生物工程技術,整個過程將存儲在自然界有機物(如蛋白質、植物中碳水化合物)中的能量釋放出來,通過細菌的作用產生氫氣。

                生物制氫的途徑主要有光解水、光發酵、暗發酵產氫和光暗耦合發酵等。幾種生物制氫方法的比較見表1。生物制氫優點眾多,比傳統的物理化學方法更加節能,可再生和低消耗,是未來規?;a氫的重要途徑。

                3)太陽能制氫技術

                最近,在眾多的可再生能源制氫的技術中,研究人員正在重點開發太陽能制氫這項新技術。目前太陽能制氫技術實現的主要途徑有光化學制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等。幾種太陽能制氫技術的方法比較見表2。

                隨著研究的深入,發現熱化學制氫技術在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求,提出了一種熱化學循環制氫方法。光催化法制氫是在光照催化劑的作用下,使水分解制的氫氣。光催化分解水制氫技術目前研究工作主要是從改進催化劑性能來提高產氫效率。

                石墨烯具有超強的力學性能、導電性、導熱性以及透光性,而且價格低廉、制氫效率高,對石墨烯進行改造給未來低成本制氫提供很大的希望。經過研究發現,廢水中的有機物可以通過自身的電子給體實現太陽能制氫和太陽能去污,其過程只需要簡單地將廢水處理與光催化制氫結合,所以這也是未來的發展方向之一。

                太陽能制氫技術還在初步的研究階段,隨著資金大量的投入,對技術的開發和進步必將越來越快,光催化劑制氫技術能進一步完善、生物制氫的效率進一步提高的希望也會更大,前景十分廣闊。

                深度分析!氫能技術發展趨勢,產業前景可期

                表1 生物質能制氫技術對比

                深度分析!氫能技術發展趨勢,產業前景可期

                表2 太陽能制氫技術對比

                2 儲運氫方式發展趨勢

                高效利用氫氣的關鍵在于氫氣的儲運,同時它也是影響氫能向大規模方向發展的重要因素。因此,對氫氣儲運技術的研究成為重點和難點?,F階段儲存氫氣的途徑主要有:多孔材料及金屬合金等物理類固態儲氫、高壓氣態儲氫、深冷液化儲氫等。

                目前氫氣儲運主要以氣態為主,主要是因其成本低、簡便易行、充放氣速度快,但安全隱患系數較高。低溫液態儲氫技術發展緩慢,該技術存在難度系數大、液化成本高、能耗大和絕熱材料成本高等弊端。

                而固態儲氫方式優勢眾多,操作方便,是三種方式中最具發展前景的儲氫方式,也是儲氫技術研究內容中前沿的方向之一。隨著未來儲氫合金的使用過程更加便利,成本更加低廉,其有望成為未來主要的儲氫方式。

                此外,隨著研究的深入,出現了無機物儲氫和有機物儲氫。無機物儲氫是通過化學鍵與離子型非金屬氫化物(如絡合金屬氫化物NaBH4、NH3BH4等)相互作用進行氫氣的存儲,釋放的過程和儲氫合金原理相似,存儲在其中的氫氣以加熱的方式釋放。

                有機物儲氫是指利用苯或甲苯等液體與氫反應生成環乙烷,這種儲存運輸氫氣的方式不依靠耐高壓和低溫裝置,釋放時進行的脫氫反應需要催化劑,這也將是未來一項備受關注的儲氫技術。

                3 氫能應用發展趨勢

                氫氣在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發展前景,且應用領域十分廣泛,作為工業原料,可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產領域,少量用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業領域。

                此外,還可用于交通領域,正在開發的氫燃料電池汽車行業剛剛起步,截至2018年底,全球FCEV(燃料電池電動汽車)庫存達11200輛,當年銷量約為4000輛(比2017年增長80%),預計到2030年,燃料電池汽車行業將實現大幅發展,預測趨勢如圖1所示。

                深度分析!氫能技術發展趨勢,產業前景可期

                圖1 2018~2030年部分國家燃料電池汽車

                目前我國氫能發展已提升到戰略層面,但仍存在成本高、安全性待突破、基礎設施薄弱等問題,早期應以本地消納為主,優先發展加氫示范基礎設施及氫氣燃料電池等,逐步由本地化走向區域化,為我國產業發展、技術培育及基礎設施建設積攢經驗。

                隨著可再生能源系統的大規?;瘧?,燃料電池制作成本的大幅度下降,國內燃料電池車、加氫站將有較大增幅,我國能源消費結構將會以氫能為主要組成部分,國家的“能源獨立”有望完成,氫能產業會從區域發展逐步拓展到各主要市場,依托全國天然氣管網的氫氣與天然氣混輸將實現大規模運行,包括氫能輸送管網和加氫站在內的全國性基礎設施網絡基本形成。氫氣作為一種清潔能源,將在越來越多的領域得到應用。

                本文摘編自2021年第3期《電工技術學報》,論文標題為“可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述”,作者為李爭、張蕊 等。

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