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2024年10月14日網站首頁返回舊版

中國科學院院士鄒才能:氫能應用場景廣泛

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氫能的開發(fā)利用是更快實現(xiàn)碳中和目標、保障國家能源安全、實現(xiàn)低碳轉型的重要途徑之一。氫能目前主要應用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領域,隨著頂層政策設計和氫能產業(yè)技術的快速發(fā)展,氫能的應用領域將呈現(xiàn)多元化拓展,在儲能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領域應用必將越來越廣泛。

氫儲能:加速能源轉型進程

我國可再生能源資源豐富,應大力開發(fā)風能、太陽能光伏發(fā)電,實現(xiàn)可再生能源到氫能的轉化。但風電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性,影響了其并網供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性,同時也削弱了電力系統(tǒng)的調峰力度。隨著氫能技術及產業(yè)鏈的發(fā)展和完善,氫儲能系統(tǒng)的加入可以提高可再生能源發(fā)電的安全性和穩(wěn)定性。利用風電和光伏發(fā)電制取綠氫,不僅可以有效利用棄風、棄光,而且還可以降低制氫成本;既提高了電網靈活性,又促進了可再生能源消納。此外,氫能亦可作為能源互聯(lián)網的樞紐,將可再生能源與電網、氣網、熱網、交通網連為一體,加速能源轉型進程。

氫燃料:作為終端能源應用于電力行業(yè)

氫能可以作為終端能源應用于電力行業(yè),通過氫燃料電池(FC)將化學能轉化成電能,或者通過燃氣輪機將化學能轉化為動能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉化效率高、零碳排放等優(yōu)點,主要包括質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)兩大類。

質子交換膜燃料電池

主要由膜電極、雙極板、電解質和外部電路等組成,具有工作溫度低、啟動快、功率范圍寬、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢,在汽車動力電源領域發(fā)展迅速。作為燃料電池和電解槽的關鍵組件,質子交換膜需要具備質子傳導電阻小、電流密度大、機械強度高等特點,其決定了PEMFC的效率和品質。

目前,商業(yè)化應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜以及Ballard公司的BAM型膜等。此類膜的局限性在于其易發(fā)生化學降解,溫度升高使質子傳導性能變差,成本也較高。針對此問題,我國東岳集團有限公司、科潤新材料股份有限公司等經過10余年研發(fā)攻關,不僅提高了膜材料的性能,還實現(xiàn)了國產質子交換膜的工業(yè)化生產,降低了成本。

此外,在政策方面,我國高度重視PEMFC技術的研發(fā),《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》要求,到2030年實現(xiàn)額定輸出功率達50~100 kW、系統(tǒng)比功率大于等于300 Wh/kg、電堆比功率達到3 000 W/L以上,PEMFC分布式發(fā)電系統(tǒng)使用壽命超過1×104 h;同時通過建立分布式發(fā)電產業(yè)化平臺,實現(xiàn)千瓦至百千瓦級PEMFC系統(tǒng)在分布式電站等領域的應用。

用途廣泛且多元化。日本和韓國擁有相對成熟的氫燃料電池汽車技術,已應用于乘用車、商業(yè)車、叉車、列車等。例如,豐田在2020年底發(fā)布了第二代Mirai氫能燃料汽車,通過增加氫負載將續(xù)航里程提高了30%。東日本鐵路公司發(fā)布了以氫燃料電池和蓄電池為混合動力的試驗列車“云雀”,加氫一次即可行駛140 km。

國內以捷氫科技、新源動力、濰柴動力為主的大型電堆供應商在自主研發(fā)方面也取得了較大進展。2021年,捷氫科技自主研發(fā)的大功率氫燃料電池額定功率達到了117 kW,同時系統(tǒng)及電堆一級零部件實現(xiàn)了100%國產化。濰柴動力發(fā)布了新一代120 kW、壽命超3×104 h的燃料電池發(fā)動機,助力行業(yè)零碳發(fā)展。2022年北京冬奧會期間,張家口賽區(qū)投運的氫燃料電池汽車達710輛,其中,氫燃料電池公交車續(xù)航里程可達406 km。

固體氧化物燃料電池

是全固態(tài)發(fā)電裝置,由陽極、陰極、電解質、密封材料以及連結材料等組成。其中,電解質決定了SOFC的工作溫度和功率,是SOFC的核心部件。雖受限于600~1 000 ℃的高工作溫度和低啟動速度,SOFC因其燃料選擇范圍廣、能量轉化效率高、無需催化劑等優(yōu)點擁有廣闊的發(fā)展前景。

當前,歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)SOFC技術成熟,處于商業(yè)化推廣前期。其中美國和日本分別發(fā)展了百千瓦級大型固定式電站和千瓦級家用熱電聯(lián)供系統(tǒng),均實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運行。其中的領軍企業(yè)包括美國Bloom Energy公司(常壓平板式)以及日本三菱重工(加壓管式)等。

較之于國外,國內SOFC發(fā)展差距較大,還處于實驗室研究與樣機研制階段,尚未形成商業(yè)化的SOFC系統(tǒng),企業(yè)參與度不夠,并且SOFC的產業(yè)鏈不完整,所需核心產品均屬于定制產品,暫無專業(yè)廠家可以提供核心零部件。

適用于大型商用分布式、固定式發(fā)電和熱電聯(lián)產等領域。例如,將SOFC作為通信基站的備用電源甚至是主電源,可以滿足5G基站的高能耗并解決環(huán)境和噪音污染等問題。2022年2月,為了給離網基站提供持續(xù)電力保障,由福大紫金開發(fā)的3 kW級氨—氫燃料電池發(fā)電站實現(xiàn)成功發(fā)電并穩(wěn)定運行,為氫燃料電池在大規(guī)模通信基站備用電源領域的推廣奠定了基礎。

氫燃氣輪機

燃氣輪機是將燃料的化學能轉化為動能的內燃式動力機械,是發(fā)電和船艦領域的核心裝備。較之于燃煤發(fā)電機組,燃氣輪機具有發(fā)電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調節(jié)靈活等優(yōu)點。目前,燃氣輪機電站發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%。

燃氣輪機的常用燃料是天然氣,會造成大量的碳排放且其中的雜質易積聚,甚至對機器造成腐蝕,致使能量轉化效率和使用壽命降低。而氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為天然氣的9倍,15 min左右便可以將負荷從零拉升至全滿,用氫氣替代天然氣,除了可以提高熱值和降低碳排放量外,還可以使燃氣輪機具有更高的負荷調節(jié)能力。

目前,多個電力巨頭已經開展了氫能燃氣輪機的相關研究工作。如通用電氣(GE)的首臺混合氫燃氣輪機已落地廣東,混氫比例為10%的燃氣輪機將提供1.34 GW的電力。此外,GE還將建造美國第一座燃氫發(fā)電廠,爭取10年內實現(xiàn)100%燃氫。日本三菱重工已經成功研制30%混氫比例的燃氣輪機,西門子能源在德國開展了100%氫能燃氣輪機原型機的試驗,日本和歐盟EU Turbines已經承諾在2030年前推出100%燃氫重型燃氣輪機。

然而,目前市場上還沒有可以處理純氫燃料的、長期可運行的燃氣輪機。大力發(fā)展氫能燃氣輪機,需要解決燃氫過程中產生的回火和溫度過高等問題。在這方面我國與國外差距較大,需要加強政策扶持力度、深化科研攻關,盡早為氫能燃氣輪機國產化進程鋪平道路。

氫化工原料:加氫在化工領域是必需品

目前全球約55%的氫需求用于氨合成,25%用于煉油廠加氫生產,10%用于甲醇生產,10%用于其他行業(yè)。隨著我國科技、工業(yè)水平的不斷發(fā)展,在石油煉制等石化領域將會越來越多地用到加氫技術。

石油化工加氫

加氫技術是生產清潔油品、提高產品品質的主要手段,是煉油化工一體化的核心。石油化工中用到的加氫技術主要包括重油加氫裂化生產芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產超低硫燃料、劣質催化柴油及汽油加氫轉化生產高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環(huán)己烷等。

加氫技術目前仍然存在著投資和操作成本高、能耗高等問題。開發(fā)新的活性組分體系、新的載體以及新型納米催化劑,提高加氫催化劑的活性與選擇性,降低工藝工程中的氫耗和成本,是石油化工加氫領域研究的重點。

合成化工產品

氫用作原料合成化工產品,例如氨、尿素等。氨主要是通過哈伯—博施法合成獲得,具有比氫更高的能量密度,可用于儲存能量和發(fā)電,并且完全不會排放二氧化碳。氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲存,適合于運輸。此外,還有完善的運輸和處理液氨的基礎設施,便于氨的規(guī)模利用。氨還可以與CO2結合得到尿素,既是一種重要的氮肥也是一種可持續(xù)的氫載體,它穩(wěn)定、無毒、對環(huán)境無害且更易于儲存。

哈伯—博施法合成氨自100年前發(fā)明以來,工藝已經發(fā)展得相當成熟,目前仍然是全球合成氨的最主流方法,但一直以來生產氨所需的氫氣主要源于化石燃料制氫所獲得,碳排放量大。目前合成氨產業(yè)在嘗試開發(fā)新的制備工藝,如固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨、循環(huán)工藝法合成氨以及超臨界合成氨等。這些新生的合成氨工藝尚不成熟,存在著效率不高、反應過程不穩(wěn)定、經濟性較低等問題,仍需要進一步驗證與完善。未來的發(fā)展方向將使用可再生資源生產的氫氣,并由此可以顯著地改善現(xiàn)有工藝并降低溫室氣體排放量。

合成燃料

氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應合成簡單的含碳化合物,如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸,并且作為液態(tài)燃料實質上可以達成零碳排放,是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。

甲醇是重要的化工原料,用于生產甲醛、二甲醚、丙烯、乙烯和汽油等,市場需求量大。甲醇具有12.6%(質量分數)的高氫含量和5.53 kWh/kg的高能量密度,是重要的液態(tài)燃料和氫能載體,既可以轉化回氫氣和一氧化碳用于質子交換膜燃料電池,也可以直接用于甲醇燃料電池,還可直接用作內燃機、渦輪機和燃料電池的燃料。

目前工業(yè)上二氧化碳加氫制甲醇技術正在從工業(yè)示范走向大規(guī)模商業(yè)化應用,日本、冰島、美國等均已建成中試裝置,冰島的碳循環(huán)利用公司(CRI)采用的ETL專有綠色甲醇合成工藝,能夠利用可再生能源制氫,并且每年制取約4 000 t甲醇,是目前能用于商業(yè)運行的相對較為先進技術。

我國河南順成集團已與冰島碳循環(huán)利用公司簽署合作協(xié)議,引進CRI技術建設10萬噸級二氧化碳加氫制甲醇項目。采用氫氣合成甲醇、甲烷或碳氫化合物,可以有效地存儲和輸運可再生能源制備得到的氫氣,破解氫能產業(yè)“制、儲、運”過程中的安全性和成本難題,有助于更加便利地利用清潔能源,為綠色能源轉型提供了解決方案。

氫還原劑:氫冶金的技術源頭

鋼鐵冶煉過程中,采用焦炭作為鐵礦的還原劑,會產生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來源,亟待發(fā)展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑,反應產物為水,可以大幅度降低碳排放量,促進清潔型冶金轉型。

目前全球已有少數國家發(fā)布了氫冶金技術案例,例如瑞典HYBRIT項目、薩爾茨吉特SALCOS項目、奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目以及德國Carbon2Chem項目等。國內部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規(guī)劃,建設示范工程并投產,但有關示范工程尚處于工業(yè)性試驗階段,基礎設施不完善、相關標準空白、成本較高、安全用氫等問題依然存在。

當前,制約氫能煉鋼的主要因素是制氫成本,根據瑞典鋼鐵公司HYBRIT項目的經驗,氫能煉鋼會使成本提高20%~30%,導致其在市場上沒有任何競爭優(yōu)勢。但在“雙碳”目標的背景下,發(fā)展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實際生產中,最適合煉鋼的是綠氫,若綠氫生產成本得以降低,則可加快綠色冶金的推進,最終所獲得的環(huán)保效益會覆蓋其額外成本。利用氫能進行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)深度脫碳目標的必行之路。

編輯:敬之

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