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碳中和目标下,制氢技术进展


发布时间:

2023-01-02

氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解制氢,其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。氢能是一种理想的新型能源,通过风光等新能源电力制氢,并将氢与燃料电池结合发电,以此形成氢能产业生态圈有助于保障我国能源安全,加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系,对我国可持续发展战略具有重大意义。

制氢关键技术

氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解制氢,其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。化石能源制氢包括水煤气制氢、天然气重整制氢等,目前已经进行工业生产,技术相对成熟,但能量的产出大于投入,若用此法制氢发电,能量转换效率低,经济性差,因此传统能源制氢并非理想的制氢技术。化工原料制氢主要有醇类裂解制氢、醇类重整制氢,如甲醇水蒸气重整制氢。水电解制氢法即利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢,这种制氢方式近零碳排放,可充分利用 “三弃”(弃风、弃光、弃水)能源水解制氢,还可以大大降低制氢成本,是实现“绿氢”生产的重要技术环节, 也是氢能领域投资的重点领域。

表出了当前阶段不同制氢技术的对比,可以看出:化石能源制氢技术虽然成熟度较高且经济性较好,但碳排放量较大,违背了氢能作为清洁能源的本质,不适合长期发展;可再生能源电力电解水制氢技术成熟,且环保性好、碳排放少,但是其制氢成本较高,可以考虑采取 “三弃”能源制氢, 以大幅降低制氢成本。不同制氢技术所使用的制氢原料及制氢工艺大有不同。

制氢原料

下图给出了目前全球制氢原料占比和主流制氢方法的经济性对比。可以看出,在所有制氢原料中,天然气使用最为广泛,占比达到 48%, 其次是醇类(占比为30%),电解水使用较少,占比仅为4%。

目前,全球制氢技术的主流选择是化石能源制氢和化工原料制氢,这主要是由于化石能源制氢和化工原料制氢的成本较低。此外,由于清洁性好、效率高、成本低,采用天然气重整制氢具有较大利润空间。采用电解水制氢是当前制氢环节的研究热点,技术也较为成熟,其他新型制氢法尚未应用于大规模制氢。

从制氢原料占比来看,近期我国仍将主要采用化石能源制氢和工业副产氢 +碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS)技术(即“蓝氢”),助力化石能源制氢降低碳排放。而随着我国可再生能源装机容量不断增大,在西北地区出现大量弃风弃光现象,如果能够将弃风弃光所发电力用于电解水制氢(“绿氢”,即采用风电、光伏等可再生能源电解水制氢),“绿氢”制取经济性也非常可观。因此,长远来看,随着碳达峰、碳中和工作的推进,“绿氢”将成为氢能应用的主流选择。

制氢工艺

现有主要制氢方式如下图所示,其中:较为成熟的技术路线有 3种,即使用煤炭、天然气等化石能源重整制氢,以醇类裂解制氢技术为代表的化工原料高温分解重整制氢,以及电解水制氢;光解水和生物质气化制氢等技术路线仍处于实验和开发阶段,相关技术难以突破,尚未达到规模化制氢的需求。

上表给出了典型制氢工艺中各类能源的能量转换效率与碳排放量。

由表可以看出:虽然化石能源制氢工艺成熟且原料价格低廉,但是会排放大量的温室气体,对环境造成污染,因此环境成本极高;而电解水制氢工艺几乎无碳排放,符合绿色发展及可持续发展的环保理念。

结语

氢能是一种理想的新型能源,通过风光等新能源电力制氢,并将氢与燃料电池结合发电,以此形成氢能产业生态圈有助于保障我国能源安全,加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系,对我国可持续发展战略具有重大意义。氢储能可以作为储能系统新思路,解决可再生能源消纳能力不足及新能源并网问题。氢结合燃料电池发电是氢能全生命周期应用的关键技术环节,氢气发电可以产出多种有直接经济效益的产品(如纯氧),

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