碳中和目標下，制氫技術進展
發(fā)布時間：
2023-01-02
氫氣制備主要技術工藝有熱化學制氫和水電解制氫，其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫。氫能是一種理想的新型能源，通過風光等新能源電力制氫，并將氫與燃料電池結合發(fā)電，以此形成氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈有助于保障我國能源安全，加快構建清潔化、低碳化的氫能供應體系，對我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。
制氫關鍵技術
氫氣制備主要技術工藝有熱化學制氫和水電解制氫，其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫。化石能源制氫包括水煤氣制氫、天然氣重整制氫等，目前已經(jīng)進行工業(yè)生產(chǎn)，技術相對成熟，但能量的產(chǎn)出大于投入，若用此法制氫發(fā)電，能量轉換效率低，經(jīng)濟性差，因此傳統(tǒng)能源制氫并非理想的制氫技術。化工原料制氫主要有醇類裂解制氫、醇類重整制氫，如甲醇水蒸氣重整制氫。水電解制氫法即利用光伏、風電等新能源電力電解水制氫，這種制氫方式近零碳排放，可充分利用“三棄”（棄風、棄光、棄水）能源水解制氫，還可以大大降低制氫成本，是實現(xiàn)“綠氫”生產(chǎn)的重要技術環(huán)節(jié)， 也是氫能領域投資的重點領域。
表出了當前階段不同制氫技術的對比，可以看出：化石能源制氫技術雖然成熟度較高且經(jīng)濟性較好，但碳排放量較大，違背了氫能作為清潔能源的本質(zhì)，不適合長期發(fā)展；可再生能源電力電解水制氫技術成熟，且環(huán)保性好、碳排放少，但是其制氫成本較高，可以考慮采取“三棄”能源制氫， 以大幅降低制氫成本。不同制氫技術所使用的制氫原料及制氫工藝大有不同。
制氫原料
下圖給出了目前全球制氫原料占比和主流制氫方法的經(jīng)濟性對比。可以看出，在所有制氫原料中，天然氣使用最為廣泛，占比達到48%， 其次是醇類（占比為30%），電解水使用較少，占比僅為4%。
目前，全球制氫技術的主流選擇是化石能源制氫和化工原料制氫，這主要是由于化石能源制氫和化工原料制氫的成本較低。此外，由于清潔性好、效率高、成本低，采用天然氣重整制氫具有較大利潤空間。采用電解水制氫是當前制氫環(huán)節(jié)的研究熱點，技術也較為成熟，其他新型制氫法尚未應用于大規(guī)模制氫。
從制氫原料占比來看，近期我國仍將主要采用化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫+碳捕集、利用與封存（carbon capture, utilization and storage，CCUS）技術（即“藍氫”），助力化石能源制氫降低碳排放。而隨著我國可再生能源裝機容量不斷增大，在西北地區(qū)出現(xiàn)大量棄風棄光現(xiàn)象，如果能夠?qū)夛L棄光所發(fā)電力用于電解水制氫（“綠氫”，即采用風電、光伏等可再生能源電解水制氫），“綠氫”制取經(jīng)濟性也非常可觀。因此，長遠來看，隨著碳達峰、碳中和工作的推進，“綠氫”將成為氫能應用的主流選擇。
制氫工藝
現(xiàn)有主要制氫方式如下圖所示，其中：較為成熟的技術路線有3種，即使用煤炭、天然氣等化石能源重整制氫，以醇類裂解制氫技術為代表的化工原料高溫分解重整制氫，以及電解水制氫；光解水和生物質(zhì)氣化制氫等技術路線仍處于實驗和開發(fā)階段，相關技術難以突破，尚未達到規(guī)模化制氫的需求。
上表給出了典型制氫工藝中各類能源的能量轉換效率與碳排放量。
由表可以看出：雖然化石能源制氫工藝成熟且原料價格低廉，但是會排放大量的溫室氣體，對環(huán)境造成污染，因此環(huán)境成本極高；而電解水制氫工藝幾乎無碳排放，符合綠色發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保理念。
結語
氫能是一種理想的新型能源，通過風光等新能源電力制氫，并將氫與燃料電池結合發(fā)電，以此形成氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈有助于保障我國能源安全，加快構建清潔化、低碳化的氫能供應體系，對我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。氫儲能可以作為儲能系統(tǒng)新思路，解決可再生能源消納能力不足及新能源并網(wǎng)問題。氫結合燃料電池發(fā)電是氫能全生命周期應用的關鍵技術環(huán)節(jié)，氫氣發(fā)電可以產(chǎn)出多種有直接經(jīng)濟效益的產(chǎn)品（如純氧），
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