中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前，我國(guó)氫氣制取以煤制氫方式為主。未來，隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，采用可再生能源電力制氫，可以實(shí)現(xiàn)制氫全過程零碳排放，將是氫氣制取的主流方向。
氫能如何制取
氫能無法像勘探開采石油和煤炭那樣直接獲取，而要通過制氫技術(shù)提取。制氫是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的第一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，可以規(guī)?；瘧?yīng)用的制氫方式主要有以下三種技術(shù)路線：一是以煤和天然氣制氫為主的化石能源制氫，二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)制氫，三是電解水制氫。其他制氫技術(shù)包括生物質(zhì)制氫、太陽能光解水制氫等，但這些技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
2024年，我國(guó)氫能制取關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破。單堆兆瓦級(jí)質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置實(shí)現(xiàn)在光儲(chǔ)氫項(xiàng)目商業(yè)運(yùn)行；兆瓦級(jí)陰離子交換膜電解槽下線，千瓦級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)在冶金領(lǐng)域應(yīng)用；“海洋氫能制儲(chǔ)輸用全鏈條關(guān)鍵技術(shù)研究及示范驗(yàn)證”項(xiàng)目開工；兆瓦級(jí)電解海水制氫裝置試運(yùn)行……
化石能源制氫
在各種制氫技術(shù)中，煤制氫和天然氣制氫等化石能源制氫是工業(yè)中制氫的主要手段。煤制氫是指在高溫常壓或高溫高壓下，先將煤與水蒸氣或氧氣反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，再將一氧化碳經(jīng)水氣變換反應(yīng)得到氫氣和二氧化碳。制氫過程包括煤的氣化反應(yīng)、一氧化碳水氣變換、酸性氣體脫除、氫氣提純和廢物處理等，經(jīng)提純后可制得純度為99.9%的氫氣。
煤制氫技術(shù)具有制氫原料豐富、成本較低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)氫氣制備份額中占據(jù)最大部分，但該方式伴生的二氧化碳排放較多。我國(guó)煤制氫技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但與其相配套的碳捕集與封存技術(shù)需進(jìn)一步提高技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性。
我國(guó)煤氣化制氫原料煤成本較低，但其裝置規(guī)模較大，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)周期相對(duì)短，配套裝置多，裝置投資成本大，且氣體分離成本高，效率偏低。煤焦化副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣含氫量相對(duì)較少，純度較低，作為獨(dú)立制氫技術(shù)而言，沒有明顯優(yōu)勢(shì)。煤漿電解制氫能效高、設(shè)備簡(jiǎn)單，具有發(fā)展?jié)摿涂蒲袃r(jià)值，目前，電解水煤漿制氫所面臨的困難是較低的產(chǎn)率與效率。煤炭超臨界水氣化制氫具有能效高、清潔低污染等特點(diǎn)，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)性合理。
天然氣是一種主要由甲烷組成的氣態(tài)化石燃料，主要存在于油田及天然氣田，也有少量處于煤層。天然氣制氫目前主要有天然氣蒸汽重整制氫、天然氣部分氧化重整制氫、天然氣自熱重整制氫、天然氣高溫裂解制氫四種技術(shù)路線。天然氣制氫具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，已發(fā)展成為工業(yè)主流制氫技術(shù)之一。
石油是一種由氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的烴類組成的混合物，其主要組成是碳和氫。石油裂解是指在一定條件下，使重質(zhì)油的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以增加輕質(zhì)成分比例的加工過程。石油裂解通常分為熱裂化、減黏裂化、催化裂化、加氫裂化等。通常石油不直接用來制氫，而是用石油初步裂解后的產(chǎn)品，如石腦油、重油、石油焦以及煉廠干氣制氫。
工業(yè)副產(chǎn)制氫
工業(yè)副產(chǎn)制氫包括焦?fàn)t煤氣、氯堿化工、合成氨、合成甲醇、乙烯裂解、丙烷脫氫等工業(yè)生產(chǎn)中副產(chǎn)的氫氣資源。工業(yè)副產(chǎn)制氫具有氣源來源廣、投資少、技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)，副產(chǎn)氫通過變壓吸附、精脫硫等方法進(jìn)行提純可制取高純度氫氣，目前多數(shù)已在下游應(yīng)用。
焦?fàn)t煤氣的供氫潛力大。焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)成本較低，但焦?fàn)t煤氣含氫量低，且含一氧化碳、硫化物等有害雜質(zhì)較多，提純和脫硫成本高，不太適宜于需要高純度氫氣的燃料電池使用。氯堿化工副產(chǎn)氫的純度高，有害雜質(zhì)較少，適合于燃料電池應(yīng)用，但氯堿化工企業(yè)較為分散，單個(gè)企業(yè)供氫量不大。合成氨與合成甲醇等傳統(tǒng)化工會(huì)存在較多的尾氣放空，尾氣中含有18%～55%的氫氣。丙烷脫氫副產(chǎn)氫氫氣含量高，一氧化碳雜質(zhì)少，但需要進(jìn)行精脫硫。
電解水制氫
電解水制氫的基本原理是以水作為原料，外部施加電壓，從而形成完整通電回路，電能的輸入打破水分子內(nèi)部平衡，發(fā)生裂解，氫原子和氧原子進(jìn)行重構(gòu)，最終析出氫和氧。電解水制氫系統(tǒng)主要由電解池、電力轉(zhuǎn)換、水循環(huán)、氣體分離、氣體提純等模塊組成，電解池作為電解水制氫的核心部分，是電氫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主要場(chǎng)所，由電解質(zhì)、隔膜和電極三部分組成。
電解水制氫技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、清潔低碳且氫氣純度高等特點(diǎn)，相比于其他制氫方式，電解水制氫以水為原料，可最大程度實(shí)現(xiàn)零污染制氫目標(biāo)。目前，電解水制氫有堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫、固體氧化物電解水制氫以及陰離子交換膜電解水制氫四種技術(shù)路線。
●堿性電解水制氫：水分子在直流電作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成氫氣。
●質(zhì)子交換膜電解水制氫：基于離子交換技術(shù)，陰極生成氫氣。無需電解液，安全性和效率較高，可再生能源適應(yīng)性好。
●固體氧化物電解水制氫：固體氧化物作為電解質(zhì)，在高溫下工作，利用熱量進(jìn)行電氫轉(zhuǎn)換，能量利用效率高且不需貴金屬。
●陰離子交換電解水制氫：陰離子交換膜配合低成本非金屬析氫催化劑，可實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率和大電流密度。
從技術(shù)成熟度看，目前，堿性電解水制氫技術(shù)成熟度最高，整體技術(shù)水平處于領(lǐng)先水平；質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)處于小規(guī)模商業(yè)化階段；固體氧化物電解水制氫及陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)逐漸步入中試階段。
近年來，我國(guó)可再生能源制氫發(fā)展備受關(guān)注。國(guó)家能源局5月發(fā)布的《中國(guó)氫能發(fā)展報(bào)告（2025）》顯示，截至2024年年底，全國(guó)各地累計(jì)規(guī)劃建設(shè)可再生能源電解水制氫項(xiàng)目超600個(gè)，其中，已建成項(xiàng)目超90個(gè)，在建項(xiàng)目超80個(gè);年產(chǎn)能約12.5萬噸，主要分布在華北和西北地區(qū)。
2023年6月30日，新疆庫(kù)車綠氫示范項(xiàng)目順利產(chǎn)氫。該項(xiàng)目是我國(guó)規(guī)模最大的光伏發(fā)電直接制綠氫項(xiàng)目，項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)鏈貫通光伏發(fā)電、電解水制氫、氫氣儲(chǔ)存、氫氣輸運(yùn)、綠氫煉化生產(chǎn)流程等，研制出萬噸級(jí)電解水制氫工藝與工程成套技術(shù)、綠氫儲(chǔ)運(yùn)輸工藝技術(shù)、智能控制系統(tǒng)研發(fā)等創(chuàng)新成果。
