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新能源制氢及氢能应用的发展前景

作者:中国储能网新闻中心 来源:氢能产业调查 发布时间:2022-10-10 浏览:

中国储能网讯:氢能作为一种清洁能源,在应对全球气候变化以及“双碳”目标中有着巨大作用,许多国家都将氢能纳入国家战略。国内制氢也正从煤炭、石油等传统能源,向着风能、电能、光伏等新能源转变,新能源制氢技术的优势与重要性,逐步凸显。但我国氢能产业发展、新能源制氢以及氢能应用,相对落后于美国、日本等国家,亟待全面提升。

本文总结了我国制氢以及氢能利用的最新发展动态以及相关技术的发展现状、趋势,着重探讨了新能源制氢以及氢能利用的发展前景,力求为我国绿色氢能发展提供借鉴,推动国内氢能行业均衡、高水平发展。

目前,通过一次能源、二次能源、工业领域等各种途径获取、制取氢能,但相较于化石能源制氢,新能源制氢更加契合全球绿色前沿革命的展开。

由此,在全球能源结构更迭环境下,新能源制氢和氢能利用备受各界关注:一来新能源制氢技术的发展,会严重影响和挤压传统制氢技术的发展空间,进而取代煤制氢、天然气制氢等,使得制氢更加清洁、高效,减少污染;二来利用可再生能源制氢,有利于进一步降低氢能成本,从而助力我国产业结构转型,更好更快地走上以创新为驱动的绿色、低碳、循环的发展路径。

鉴于此,通过促进新能源制氢技术发展来降低制氢成本投资、促进氢能利用,既是全球能源体系发展的重要趋势,也是我国实现“双碳”目标、实现能源结构转型的必然途径,十四五期间,氢能产业也将在此背景下迎来重大的发展机遇。

1、世界能源转型背景下氢能发展趋势

1.1氢能备受重视的原因

综合世界各国近些年来在氢能发展上的现状来看,目前氢能在世界能源转型背景下,扮演着重要的角色,各国都在纷纷支持氢能产业发展。当前,世界氢能产业发展强国有美国、日本、英国、法国等。氢能在全球引起重视,各国都达成了发展氢能的共识。

我国提出“双碳”目标,主要是出于以下考虑:

(1)随着自然生态恶化,环保、绿色、低碳势在必行,氢能开发利用也是顺应全球能源清洁化的必然路径;(2)煤炭资源、石油资源被大量开采后,各国或多或少面临能源短缺和环境恶化的局面,氢能开发与利用是全球经济、资源、环境发展的必然需求;(3)我国减排任务艰巨,发展清洁能源,既是环境需求,也是战略部署;(4)氢与电耦合,是我国能源结构优化、打造现代能源途径的主要途径。

1.2国内外氢能发展现状及趋势

世界能源转型背景下,美国、日本、欧盟等国家与地区,纷纷支持氢能产业发展,并制定了氢能发展战略。

自石油危机之后,美国就异常重视氢能开发与利用,从1990~2020年,美国能源部就陆续增加了氢能燃料电池项目,并以推动利用氢能为发展思路,出台了一系列的政策、文件等,用于加强对氢能的开发、利用和产业发展,还成立了国家实验室进行研究,使得氢能燃料电池项目快速发展,如今已经有超过30个研究项目,投入资金超过数亿美元。

“氢能社会”战略,是日本最为重要的国家战略之一,日本更是将发展氢能产业作为重要的经济战略,无论是下游的燃料电池,还是上游的制氢、储氢、输氢技术研发与应用等,日本在全球范围内都具有强有力的竞争力,其氢能产业更是位列世界前茅,并完善了国内燃料电池车、家用和工业用燃料电池的相关制度,近几年来正在大力普及家用氢能、工业氢能。

我国向世界承诺,争取在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”,而达成目标的关键,就是实现氢能的大量、持续制取以及各行业中的应用推广,使得氢能在现在与未来发展为重要的新能源途径。

现阶段全球能源呈现出“四分天下”的格局——煤炭转型、石油稳定、天然气鼎盛,而氢能已经迈入黄金期,随着碳减排形势日益严峻,氢能更是得到了全球的高度关注,实现新能源制氢以及促进氢能跨越式发展、应用,是我国应对全球能源结构更迭、达成“双碳”目标的必然路线,并将氢能作为十四五规划的重点任务,各地也积极响应号召,大力发展、扶持氢能产业。

2、新能源制氢技术现状及发展前景

新能源制氢,是相较于传统制氢技术所提出的新名词,特指的是利用新能源,如化学能、生物质能、风能等清洁、可再生资源进行制氢的技术。传统制氢技术主要是利用化石燃料,制氢过程中会产生与排放大量的温室气体以及污染物,对环境造成较大的负面影响,而新能源制氢则是更为环保、绿色,大部分产物都是氢气,温室气体、污染物较少甚至没有。

2.1化学能制氢技术现状及发展前景

我国化学能制氢技术,是以天然气为主要原料,具有装备简单、无需更换设备、污染物排放量低、投资少等优势。现如今的化学链制氢技术,是由化学链与蒸汽铁法制氢结合起来的制氢技术,通过三个反应器(燃料与反应器、蒸汽反应器以及空气反应器)互相作用,将烃类水蒸气制成氢气,在这一过程中会出现二氧化碳,但相对于传统制氢技术,所排放出的温室气体量更少。

现如今,化学链制氢技术思路日渐完善,亟待进一步加深研究。我国也正在大力投入人力、物力、财力,致力于将电解水制氢贯穿于整个氢能发展过程中,通过水电解质制氢来取代煤气化制氢,降低对环境的负面影响,并消纳光电、光伏发电等不稳定的电力,产生富余的电力实现持续、稳定供电的同时,解决现阶段社会对氢能源的需求。

可以预见的是,化学链制氢技术将成为满足氢能商业化需求的主要制氢工艺,且随着技术的不断发展,制氢成本和制氢方式更加优化,且分布式制氢、集中制氢以及区域制氢这三种制氢方式,将成为加氢站、制氢工业的首选,尤其是将水电解水制氢工艺应用到小型加油站的建设装置之中,能进一步提高制氢质量,减少碳排放量,对实现“双碳”目标极为有利。

2.2生物质制氢技术现状及发展前景

生物质制氢技术除却对环境(1000℃以上的高温)有一定要求以外,可以称得上的理想的制氢技术。一来,我国生物质能非常丰富,无论是城市生活垃圾,还是农林废弃物,都可以作为生物原料的来源,而这些资源的利用,对环境、对经济发展都极为有利;二来生物质制氢技术在我国有着巨大的发展潜力,相较于化石原料制氢能,更为符合当下绿色环保、节能减排的国家政策及发展理念。

唯一的缺点就是在研发方面,技术进展较为缓慢,还需要进一步攻克气化制氢、热裂解制氢技术的难关。例如,生物质热裂解制氢具有流程简单、生物质利用率高等优势,美中不足的是热解过程中会产生焦油,这一问题亟待研究解决;微生物降解制氢,是利用微生物降解生物质得到氢气,因为太阳能转化率较低、成本较高尚未得到推广,整体还处于研发阶段;生物质超临界水制氢是将临界水进行热解、水解等一系列化学反应来制取氢气,但该技术还不成熟,仍旧在试验阶段。但这也从侧面说明了,生物质制氢技术绝对是一项具有良好发展前景的制氢技术。

2.3风电、光电制氢技术现状及发展前景

不同于前两项制氢技术,这项技术可以实现零排放,且制出的氢气纯度较高,几乎没有杂物。因而备受各行各业的重视。风能、水能是可再生资源,利用风能、水能发电电解水制氢,既能将不稳定的电能转化为氢气,多样化利用可再生资源制取氢能,又能合理应用资源实现规模化制氢,还能有效节约电力资源,唯一的缺点就是成本较高,与煤制氢技术相比,经济性较低。

近年来,我国不断借鉴美国、日本以及欧盟等国家制氢经验,在国内不断地提高制氢技术研发投资。例如,在风电设施、光伏设施建设中,降低其他组件运行成本,构建可持续、新型产业链运行模式,提高风电、光电制氢技术的经济性,充分地将可再生能源利用起来,减少发电成本。

再者,在加氢站附近建设制氢装置,减少氢气运输成本。但由于该项技术还处于试验研究阶段,国内还是将技术研发和应用重点放在了降低单位电耗、技术改进上,以推动可再生能源制氢技术在某些地区以及工业中的应用。

3、“双碳”目标下氢能主要利用方式与应用前景

3.1氢动力汽车

氢动力汽车,是氢能主要利用方式之一,这种汽车与传统汽车最大的差别在于,是以氢气作为发动机的燃料,而不是汽油。美国和德国的汽车产业试验中,已经证实这一技术方案是可行的,但这种氢能利用方式,也面临着成本较高的阻碍。每kg氢能产生33.6kW/h能量,是汽油的2.8倍,且氢的燃点很低,火焰的传播速度较快,比汽油汽车具有更高的燃料利用率,也不会排出污染气体、温室气体。

当前,大部分的氢能汽车都是汽油和氢气混合同时燃烧的掺氢汽车,纯氢汽车目前还在研发中,掺氢汽车相对而言,不受氢气成本较高的影响,也有利于在贫油区推广、改善发动机燃烧情况。其发展前景体现在两个方向,一是纯氢汽车的研发,进一步减少汽油使用和温室气体排放量,二是回收利用工业副产品的多余氢,力求将余氢提纯后作为氢动力汽车的燃料,提高整体经济效益。

3.2氢燃料电池

氢燃料电池中,氢能利用更为环保、经济,一是不需要进行燃烧,就能将化学能转为电能,转换效率高于燃烧利用,最高可达到80%,另一方面,氢燃料电池的成本较低,一开始氢燃料电池广泛地应用在航天领域,造价相对较高,后来随着技术的发展,氢燃料电池生产成本下降,凭借成本低、环境污染小、噪声污染小、装置小以及灵活等优势,广泛地应用在各个领域。

现如今,氢燃料电池已经开发出了三代,第一代中的典型是磷酸盐型燃料电池,这种电池的发电效率在40%以下,虽然工艺流程相对成熟,但发电成本相对较高;第二代中的典型是融熔碳酸盐型燃料电池,运行温度维持在650℃以上,发电效率在55%左右,使用的是液态电解质;第三代的典型是固体氧化物型燃料电池,工作温度为1000℃左右,发电效率可超过60%,近年来我国也开始着手开发这种电池,应以建造大型发电站,因为既可以成立固定电站,用于大规模、稳定用电,也能为移动车、船提供能量。所以,氢燃料电池将会成为未来氢能应用的主要方向。

4、结语

综上所述,氢能燃烧,既不会产生温室气体,也不会出现污染物排放,并且氢能具备储存性、再生性以及资源丰富等特点,同时满足资源利用、社会可持续发展以及环保的要求,被视为新世纪最具有潜力的清洁能源。

现如今,氢能正在渗透到能源的各个方面,除却传统制氢以外,新能源制氢更是带动了加氢站、氢燃料电池等各种下游产业的发展,进一步扩展了氢能的利用前景。与此相对的,随着氢能利用快速发展,制氢、储氢以及输氢技术研发与应用备受关注,尤其是新能源制氢更是解决制氢成本投资高、大规模储存发展缓慢等阻碍氢能利用问题的关键技术。

总而言之,随着新能源制氢技术研发、应用及推广,氢能利用必将迎来大好局面,无论是新能源制氢,还是氢能应用,前景都将十分广阔。

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