中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫能具有能量密度大、無毒無味無腐蝕、安全穩(wěn)定、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn), 同時(shí)具備碳零排放特性, 燃燒值高, 通過燃料電池容易實(shí)現(xiàn)氫-電轉(zhuǎn)換, 綠色制氫還可消納太陽能和風(fēng)能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的不足。氫能作為一種清潔可再生能源受到越來越多的關(guān)注, 已經(jīng)為世界上許多國家和油氣公司所青睞。在碳零排放聲浪高漲的當(dāng)下, 這種具備碳零排放“天性”的氫能源必然更受推崇。氫能產(chǎn)業(yè)包含制氫、氫分離、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)。
1 氫氣的制備
目前有多種制氫的方法, 大體可以分為化學(xué)原料制氫、含氫尾氣副產(chǎn)氫回收、高溫分解制氫、電解水制氫、其他方法制氫等5大類, 并經(jīng)過變壓吸附、低溫吸附、鈀膜擴(kuò)散法、金屬氫化物等方法分離提純獲得所需要純度的氫氣, 如圖1所示。
圖 1 氫氣制備和分離純化方法
圖 2 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)世界純氫和混氫生產(chǎn)的年度變化.
2018e對(duì)應(yīng)的是2018年預(yù)估值
圖2顯示了世界純氫和混氫生產(chǎn)的年度變化純氫是經(jīng)過了分離和純化的氫氣, 混氫則含有一定量的伴生氣體, 且未經(jīng)分離和提純。純氫生產(chǎn)主要用于石油化工、氨合成、燃料電池等, 混氫主要用于甲醇合成、直接還原鐵生產(chǎn)以及其他領(lǐng)域。2018年, 全球純氫生產(chǎn)量為7400萬噸, 混氫生產(chǎn)量為4200萬噸, 合計(jì)11600萬噸。
氫氣的制備是氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ), 擴(kuò)大制氫規(guī)模、降低成本和減少CO2排放是今后努力的方向。
在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期, 我國宜依托化工生產(chǎn)過程的氫氣或副產(chǎn)氫作為主供氫源, 以節(jié)省制氫投資, 降低成本, 助力氫能產(chǎn)業(yè)起步。圖3是不同制氫方法的氫氣價(jià)格與主要原材料價(jià)格關(guān)系。電解水制氫的氫氣價(jià)格隨著電價(jià)從13元/kg增長(zhǎng)到46元/kg, 增幅約2.5倍, 采用廉價(jià)的電力制氫成本與煤炭和天然氣制氫成本相當(dāng), 具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖 3不同制氫方法的氫氣價(jià)格與主要原材料價(jià)格關(guān)系
電解水成本高, 但不依賴化石原料, 可以降低碳排放, 甚至實(shí)現(xiàn)碳零排放, 是今后的發(fā)展方向。世界上可再生電能電解水制氫示范項(xiàng)目的數(shù)量和電解槽容量不斷增加, 電解槽總?cè)萘繌?010年的不足1MW 增加到2019年的25 MW以上。同時(shí), 項(xiàng)目規(guī)模也逐步加大, 在2010年前后, 多數(shù)項(xiàng)目的容量均低于0.5 MW, 而在2017~2019年間, 項(xiàng)目規(guī)?？蛇_(dá)6 MW。2020年3月, 日本福島的FH2R項(xiàng)目正式投入運(yùn)行, 該項(xiàng)目將20 MW的太陽能發(fā)電站與10 MW的電解水裝置耦合, 產(chǎn)氫量為1200 Nm3 /h。加拿大法液空公司正在建造容量高達(dá)20 MW的“綠色氫能”工廠。此外, 多國宣布將在10年內(nèi) 建成數(shù)百兆瓦可再生電能電解水的制氫項(xiàng)目。
根據(jù)使用電解質(zhì)的不同, 電解水的方式可分為堿性水電解(alkaline, ALK)、質(zhì)子交換膜電解(proton exchange membrane, PEM)、固體氧化物電解(solid oxide electrolysis cell, SOEC)、堿性陰離子交換膜電解 (alkaline anion exchange membrane, AEM)等4種, 基本性能參數(shù)對(duì)比見表1。AEM目前處于初步探索階段; 關(guān)于SOEC, 由于環(huán)境的特殊性和公用工程條件的 局限性, 高溫水蒸氣電解制氫產(chǎn)業(yè)難以實(shí)施; 相對(duì)來說, 堿性電解槽制氫和質(zhì)子交換膜電解制氫較方便實(shí)施。
表1 4種電解水制氫技術(shù)和特性比較
堿性水電解的最大優(yōu)勢(shì)是規(guī)模大、成本低, 系統(tǒng)的特點(diǎn)是裝機(jī)投資低、規(guī)模靈活, 國內(nèi)最大制氫規(guī)?？傻?0000 Nm3 /h, 國外最大制氫規(guī)模可到30000 Nm3 /h。PEM水電解池可采用零間隙結(jié)構(gòu), 電解池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小, 歐姆極化作用降低, 其電解槽運(yùn)行電流密度通常是堿性水電解槽的4倍以上, 工作壓力可達(dá)3.5 MPa以上, 效率高、氣體純度高、能耗低, 安全可靠性大大提高, 被公認(rèn)為電解水制氫領(lǐng)域有良好發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)。
在過去的10年中, 新的電解裝置不斷增加, PEM技 術(shù)在市場(chǎng)上取得了重大進(jìn)展。從地理位置上看, 盡管澳大利亞、中國和美國也有項(xiàng)目啟動(dòng)或宣布, 但大多數(shù)項(xiàng)目都在歐洲。近年來, 這些電解槽的平均裝置容量從2000~2009年的0.1 MW增加到2015~2019年的1.0 MW, 氫氣最大生產(chǎn)能力達(dá)400 Nm3 /h, 產(chǎn)氫量可達(dá)1 t/d, 表明從小型試點(diǎn)和示范項(xiàng)目向商業(yè)規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。這將開始創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟(jì), 有助于降低資本成本和擴(kuò)大電解槽行業(yè)的供應(yīng)鏈。一些開發(fā)項(xiàng)目中的電解槽容量為 10 MW或以上, 一些電解槽容量為100 MW或以上的項(xiàng)目正在討論中。
制氫會(huì)逐步向可再生能源電解水方向發(fā)展, 而電解水會(huì)逐步朝著PEM方向發(fā)展, 這方面歐洲國家發(fā)展比較快, 中國需要加快開發(fā)。
2 氫氣的儲(chǔ)存
將來的制氫方向是電解水制氫, 而氫氣的儲(chǔ)運(yùn)沒有一個(gè)最好的方法, 只能選擇與應(yīng)用相應(yīng)的最佳方法。氫氣的儲(chǔ)存主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫四大類, 各自的特點(diǎn)如表2所示。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫具有容量高的優(yōu)勢(shì), 適合大型氫氣儲(chǔ)運(yùn), 但是分別對(duì)應(yīng)著安全隱患大、能源效率低和純度低等問題; 固態(tài)儲(chǔ)氫的重量?jī)?chǔ)氫密度低, 但是體積儲(chǔ)氫密度高、安全性好、純度高。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要, 選擇適當(dāng)?shù)臍錃鈨?chǔ)運(yùn)方式。
表 2 4種儲(chǔ)氫方式的性能比較
交通領(lǐng)域?qū)錃獾闹亓績(jī)?chǔ)氫密度要求尤其高。目前豐田公司采用的IV型70 MPa高壓氣體瓶由塑料內(nèi)襯加上碳纖維強(qiáng)化層和玻璃纖維保護(hù)層組成, 重量?jī)?chǔ)氫密度大于5%, 體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到35 g/L, 這些指標(biāo)成為交通領(lǐng)域儲(chǔ)氫的參考標(biāo)準(zhǔn)。非交通領(lǐng)域?qū)w積儲(chǔ)氫密度的要求大于重量?jī)?chǔ)氫密度。在人口稠密的地方, 通常希望氣體壓力小, 體積儲(chǔ)氫密度>40 g/L, 此時(shí)低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫更為合適。
