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隨著(zhù)日益增長(cháng)的低碳減排需求,氫的綠色制取技術(shù)受到廣泛重視,利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多氫氣來(lái)源方案中碳排放最低的工藝。氫氣在儲能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應用,成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。堅持氫能綠色利用的初衷,積極發(fā)展以質(zhì)子交換膜電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù),實(shí)現與可再生能源的融合發(fā)展。
中國工程院衣寶廉院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》撰文,梳理了氫能需求和規劃的進(jìn)展、電解水制氫的示范項目情況,重點(diǎn)分析了電解水制氫技術(shù),涵蓋技術(shù)分類(lèi)、堿水制氫應用、質(zhì)子交換膜電解水制氫。文章認為,提升電催化劑活性、提高膜電極中催化劑的利用率、改善雙極板表面處理工藝、優(yōu)化電解槽結構,有助于提高質(zhì)子交換膜電解槽的性能并降低設備成本;質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的運行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高,適應可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征、易于與可再生能源消納相結合,是電解水制氫的適宜方案。文章結合氫儲運與電解制氫的技術(shù)特征研判、我國輸氫需求,提出發(fā)展建議:利用西北、西南、東北等區域豐富的可再生能源,通過(guò)電解水制氫產(chǎn)生高壓氫;氫送入天然氣管網(wǎng),然后在用氫端從天然氣管道取氣、重整制氫,由此構成綠色制氫與長(cháng)距離輸送的系統解決方案。
一、前言
回顧人類(lèi)所消耗的能源形式,遠古時(shí)代的鉆木取火、農耕時(shí)代開(kāi)始使用的煤炭、工業(yè)時(shí)代大規模應用的石油與天然氣,這些能源載體的變化體現了減碳加氫、碳氫比降低的趨勢。當前,我國碳達峰、碳中和發(fā)展目標的提出,將進(jìn)一步提速減碳的過(guò)程。氫氣作為零碳的能源載體,正在得到越來(lái)越多的關(guān)注:2050年世界上20%的CO2減排可以通過(guò)氫能替代完成,氫能消費將占世界能源市場(chǎng)的18%。
氫利用的途徑主要是燃料電池移動(dòng)動(dòng)力、分布式電站、化工加氫,新興發(fā)展的是氫燃料汽輪機、氫氣冶金等。氫能的利用需要從制氫開(kāi)始,由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在,需要通過(guò)工業(yè)過(guò)程制取。氫氣的來(lái)源分為工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫等途徑,差別在于原料的再生性、CO2排放、制氫成本。目前,世界上超過(guò)95%的氫氣制取來(lái)源于化石燃料重整,生產(chǎn)過(guò)程必然排放CO2;約4%~5%的氫氣來(lái)源于電解水,生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有CO2排放。制氫過(guò)程按照碳排放強度分為灰氫(煤制氫)、藍氫(天然氣制氫)、綠氫(電解水制氫、可再生能源)。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初衷是零碳或低碳排放,因此灰氫、藍氫將會(huì )逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代,綠氫是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
近年來(lái),可再生能源電解水制氫在國際上呈現快速發(fā)展態(tài)勢,許多國家已經(jīng)開(kāi)始設定氫能在交通領(lǐng)域之外的工業(yè)、建筑、電力等行業(yè)發(fā)展目標,在政府規劃、應用示范等方面都有積極表現。本文主要就制備綠氫的電解水制氫技術(shù)開(kāi)展分析和展望,研究綠色制氫與長(cháng)距離輸送的系統解決方案,為我國能源換代發(fā)展提供思路參考。
二、氫能發(fā)展態(tài)勢分析
2.1、氫能需求
歐洲清潔氫能聯(lián)盟認為,氫能在能源轉型過(guò)程中的作用主要有:實(shí)現大規模、高效可再生能源的消納,在不同行業(yè)和地區間進(jìn)行能量再分配,充當能源緩沖載體以提高能源系統韌性,降低交通運輸過(guò)程中的碳排放,降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放,代替焦炭用于冶金工業(yè),降低建筑采暖的碳排放。
從效率上看,氫利用的首選是燃料電池,氫燃料電池技術(shù)的突破帶動(dòng)了氫的市場(chǎng)需求。以氫為燃料的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池技術(shù)逐漸成熟,正在朝著(zhù)產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。日本豐田汽車(chē)公司2014年開(kāi)始銷(xiāo)售氫燃料電池汽車(chē)(Mirai),累計銷(xiāo)售超過(guò)1×104輛;韓國現代汽車(chē)公司的燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)售數量也相當。在亞洲汽車(chē)市場(chǎng)的率先推動(dòng)下,世界燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展,2019年世界燃料電池汽車(chē)保有量約為2.52×104輛,年銷(xiāo)售量約1.24×104輛。鑒于燃料電池乘用車(chē)在商業(yè)化初期面臨加氫困難等問(wèn)題,我國規劃提出將燃料電池首先應用于商用車(chē),這一發(fā)展路徑獲得業(yè)界廣泛認可,目前已有超過(guò)6000輛燃料電池商用車(chē)投入運行。
氫能在非道路運輸方面的應用正在推廣。2018年,法國阿爾斯通集團生產(chǎn)的燃料電池列車(chē)在德國投入運營(yíng),英國、荷蘭等國也在積極發(fā)展氫動(dòng)力列車(chē)。中國中車(chē)股份有限公司2019年在廣東佛山開(kāi)始運行燃料電池有軌電車(chē),同時(shí)開(kāi)展氫燃料列車(chē)方案的探索研究。
家庭熱電聯(lián)供和工業(yè)應用也增加了對低碳氫的需求。低碳工業(yè)對氫的需求量最大,尤其是煉油、化工、鋼鐵制造等行業(yè),采用低碳氫替代高碳氫將是在短期內擴大需求、減少溫室氣體排放的契機。國際上正進(jìn)行低碳氫用于煉油、甲醇及氨生產(chǎn)的試驗。電解制氫在鋼鐵行業(yè)的應用規模正在加快擴展,在無(wú)需對現有直接還原煉鋼爐進(jìn)行重大改造的條件下,氫氣可替代35%的天然氣使用;還提出了氫氣與天然氣混合應用的過(guò)渡性策略,以加快推進(jìn)利用純氫直接還原煉鐵的進(jìn)度,這對氫的儲運方式將產(chǎn)生重要的影響。
2.2、氫能產(chǎn)業(yè)規劃
歐盟規定了電解槽制氫響應時(shí)間小于5s,目前只有PEM電解水技術(shù)可達到這一要求。因此,歐盟規劃了PEM電解水制氫來(lái)逐漸取代堿性水電解制氫的發(fā)展路徑:2020年7月,歐盟委員會(huì )發(fā)布了涉及氫能的戰略規劃,重點(diǎn)發(fā)展利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等再生能源來(lái)生產(chǎn)可再生氫;2020—2024年,支持安裝超過(guò)6 GW的可再生氫電解槽,產(chǎn)氫量達1.0×106 t;2025—2030年,建設40 GW的可再生氫電解槽,產(chǎn)氫量達1.0×107 t;2030—2050年,可再生氫產(chǎn)業(yè)成熟,在眾多難以脫碳的行業(yè)(如航空、海運、貨運交通等)進(jìn)行大規模應用。此外,德國2020年頒布了《國家氫能戰略》,提出以可再生氫為重點(diǎn),規劃布局德國綠氫制造。
美國既重提煤的高效利用,也積極推動(dòng)氫能的研發(fā)與應用。美國能源部(DOE)提出H2@Scale 規劃,推進(jìn)氫的規?;瘧?。2019年,DOE大幅提高了對不同電解制氫材料與技術(shù)類(lèi)研發(fā)項目的支持力度;2020年,在H2@Scale規劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開(kāi)展PEM電解槽制造與規?;夹g(shù)研發(fā),涉及吉瓦級PEM電解槽的析氧催化劑、電極、低成本PEM電解槽組件及放大工藝,資助金額均超過(guò)400萬(wàn)美元。這表明,美國在制氫規?;矫嫫豍EM電解的技術(shù)路線(xiàn)。另外,DOE支持了氫冶金、氫與天然氣混合輸送等技術(shù)研發(fā),為氫的規?;瘧米魅鏈蕚?。
2.3、電解水制氫的示范進(jìn)展
在市場(chǎng)化進(jìn)程方面,堿水電解(AWE)作為最為成熟的電解技術(shù)占據著(zhù)主導地位,尤其是一些大型項目的應用。AWE采用氫氧化鉀(KOH)水溶液為電解質(zhì),以石棉為隔膜,分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣,效率通常在70%~80%。一方面,AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑(如Ni、Co、Mn等),因而電解槽中的催化劑造價(jià)較低,但產(chǎn)氣中含堿液、水蒸氣等,需經(jīng)輔助設備除去;另一方面,AWE難以快速啟動(dòng)或變載、無(wú)法快速調節制氫的速度,因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。我國AWE裝置的安裝總量為1500~2000套,多數用于電廠(chǎng)冷卻用氫的制備,國產(chǎn)設備的最大產(chǎn)氫量為1000 Nm3/h。國內代表性企業(yè)有中國船舶集團有限公司第七一八研究所、蘇州競立制氫設備有限公司、天津市大陸制氫設備有限公司等,代表性的制氫工程是河北建投新能源有限公司投資的沽源風(fēng)電制氫項目(4 MW)。
圖 1 堿性液體水電解原理示意圖
由于PEM電解槽運行更加靈活、更適合可再生能源的波動(dòng)性,許多新建項目開(kāi)始轉向選擇PEM電解槽技術(shù)。過(guò)去數年,歐盟、美國、日本企業(yè)紛紛推出了PEM電解水制氫產(chǎn)品,促進(jìn)了應用推廣和規?;瘧?,ProtonOnsite、Hydrogenics、Giner、西門(mén)子股份公司等相繼將PEM電解槽規格規模提高到兆瓦級。其中,ProtonOnsite公司的PEM水電解制氫裝置的部署量超過(guò)2000套(分布于72個(gè)國家和地區),擁有全球PEM水電解制氫70%的市場(chǎng)份額,具備集成10 MW以上制氫系統的能力;Giner公司單個(gè)PEM電解槽規格達5MW,電流密度超過(guò)3 A/cm2,50 kW水電解池樣機的高壓運行累計時(shí)間超過(guò) 1.5×105 h。
當前,國際上在建的電解制氫項目規模增長(cháng)顯著(zhù)。2010 年前后的多數電解制氫項目規模低于0.5 MW,而 2017—2019 年的項目規?;緸?1~5 MW;日本 2020 年投產(chǎn)了 10 MW 項目,加拿大正在建設 20 MW 項目。德國可再生能源電解制氫的“Power to Gas”項目運行時(shí)間超過(guò) 10 a;2016 年西門(mén)子股份公司參與建造的 6 MW PEM 電解槽與風(fēng)電聯(lián)用電解制氫系統,年產(chǎn)氫氣 200 t,已于 2018 年實(shí)現盈利;2019 年德國天然氣管網(wǎng)運營(yíng)商 OGE 公司、Amprion 公司聯(lián)合實(shí)施 Hybridge 100 MW 電解水制氫項目,計劃將現有的 OGE 管道更換為專(zhuān)用的氫氣管道。2019 年,荷蘭啟動(dòng)了 PosHYdon 項目,將集裝箱式制氫設備與荷蘭北海的電氣化油氣平臺相結合,探索海上風(fēng)電制氫的可行性。
三、電解水制氫技術(shù)分類(lèi)
在技術(shù)層面,電解水制氫主要分為AWE、PEM水電解,固體聚合物陰離子交換膜(AEM)水電解、固體氧化物(SOE)水電解。
其中,AWE是最早工業(yè)化的水電解技術(shù),已有數十年的應用經(jīng)驗,最為成熟;PEM電解水技術(shù)近年來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速,SOE水電解技術(shù)處于初步示范階段,而AEM水電解研究剛起步。從時(shí)間尺度上看,AWE技術(shù)在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應用;但從技術(shù)角度看,PEM電解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載,與風(fēng)電、光伏(發(fā)電的波動(dòng)性和隨機性較大)具有良好的匹配性。隨著(zhù)PEM電解槽的推廣應用,其成本有望快速下降,必然是未來(lái)5~10 年的發(fā)展趨勢。SOE、AEM水電解的發(fā)展則取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。
四、PEM電解水制氫技術(shù)分析
PEM水電解槽采用PEM傳導質(zhì)子,隔絕電極兩側的氣體,避免AWE使用強堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點(diǎn)。PEM水電解槽以PEM為電解質(zhì),以純水為反應物,加之PEM的氫氣滲透率較低,產(chǎn)生的氫氣純度高,僅需脫除水蒸氣;電解槽采用零間距結構,歐姆電阻較低,顯著(zhù)提高電解過(guò)程的整體效率,且體積更為緊湊;壓力調控范圍大,氫氣輸出壓力可達數兆帕,適應快速變化的可再生能源電力輸入。因此,PEM電解水制氫是極具發(fā)展前景的綠色制氫技術(shù)路徑。
也要注意到,PEM水電解制氫的瓶頸環(huán)節在于成本和壽命。電解槽成本中,雙極板約占48%,膜電極約占10%。當前PEM國際先進(jìn)水平為:?jiǎn)坞姵匦阅転? A·cm–2@2 V,總鉑系催化劑載量為 2~3 mg/cm2 ,穩定運行時(shí)間為 6×104 ~8×104 h,制氫成本約為每千克氫氣 3.7 美元。降低 PEM 電解槽成本的研究集中在以催化劑、PEM 為基礎材料的膜電極,氣體擴散層,雙極板等核心組件。
4.1、電催化劑
由于PEM電解槽的陽(yáng)極處于強酸性環(huán)境(pH≈2)、電解電壓為1.4~2.0 V,多數非貴金屬會(huì )腐蝕并可能與PEM中的磺酸根離子結合,進(jìn)而降低PEM傳導質(zhì)子的能力。PEM 電解槽的電催化劑研究主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物,以鈦材料為載體的負載型催化劑。
按照技術(shù)規劃目標,膜電極上的鉑族催化劑總負載量應降低到0.125 mg/cm2,而當前的陽(yáng)極銥催化劑載量在1 mg/cm2量級,陰極Pt/C催化劑的Pt 載量約為0.4~0.6 mg/cm2 。意大利研究團隊制備的 Ir0.7Ru0.3Ox 催化劑在陽(yáng)極催化劑總載量為1.5 mg/cm2時(shí),電解池性能可達3.2 A·cm–2@1.85 V。Giner公司研究團隊制備出的 Ir0.38/WxTi1-xO2 催化劑在Ir載量為0.4 mg/cm2時(shí)的全電池性能達到2 A·cm–2@1.75V,Ir用量?jì)H為傳統電極的1/5。
Ru 的電催化析氧活性高于 Ir,但穩定性差;通過(guò)與 Ir 形成穩定合金可提高催化劑的活性與穩定性。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的 Ir0.6Sn0.4 催化劑,在全電解池測試中的性能為 2 A·cm–2@1.82 V;IrSn 可形成穩定的固溶體結構,與 Sn 形成合金的過(guò)程提高了 Ir 的分散性,有助于降低 Ir 載量。
美國可再生能源國家實(shí)驗室、Giner 公司合作研發(fā)了多種金屬有機框架(MOF)材料催化劑,價(jià)格僅為傳統催化劑的 1/20,其中 Co-MOFG-O 催化劑在 0.01 A/cm2 下的過(guò)電位為 1.644 V(vs. RHE),在半電池衰減實(shí)驗中的性能優(yōu)于傳統 Ir 催化劑,但尚未開(kāi)展全電池測試。
受限于 PEM 水電解制氫的酸性環(huán)境、陽(yáng)極高電位、良好導電性等要求,非貴金屬催化劑或非金屬催化劑的研發(fā)難度較大,預計一定時(shí)期內實(shí)際用于大規模電解槽的催化劑仍以 Ir 為主。未來(lái)降低制氫成本、減少貴金屬催化劑用量的更好方法是研發(fā)超低載量或有序化膜電極。
4.2、隔膜材料
在 PEM 方面,目前常用的產(chǎn)品有杜邦公司 Nafion 系列膜、陶氏化學(xué) Dow 系列膜、旭硝子株式會(huì )社 Flemion 系列膜、旭化成株式會(huì )社 Aciplex-S 系列膜、德山化學(xué)公司 Neosepta-F 等。Giner 公司研發(fā)的 DSMTM 膜已經(jīng)規?;a(chǎn),相比 Nafion 膜具有更好的機械性能、更薄的厚度,在功率波動(dòng)與啟停機過(guò)程中的尺寸穩定性良好,實(shí)際電解池的應用性能較優(yōu)。
為進(jìn)一步提高PEM性能并降低成本,一方面可采用增強復合的方案改善 PEM 的機械性能,有利于降低膜的厚度;另一方面,可通過(guò)提高成膜的離子傳導率來(lái)降低膜阻和電解能耗,有利于提高電解槽的整體性能。國產(chǎn) PEM 產(chǎn)品進(jìn)入了試用階段。
4.3、膜電極
PEM 電解水的陽(yáng)極需要耐酸性環(huán)境腐蝕、耐高電位腐蝕,應具有合適的孔洞結構以便氣體和水通過(guò)。受限于 PEM 電解水的反應條件,PEM 燃料電池中常用的膜電極材料(如碳材料)無(wú)法用于水電解陽(yáng)極。3M 公司研發(fā)了納米結構薄膜(NSTF)電極,陰陽(yáng)兩極分別采用 Ir、Pt 催化劑,載量均為 0.25 mg/cm2 ;在酸性環(huán)境及高電位條件下可以穩定工作,表面的棒狀陣列結構有利于提高催化劑的表面分散性。Proton 公司采用直接噴霧沉積法來(lái)減少催化劑團聚現象,將載量 0.1 mg/cm2 的 Pt/C 和 Ir,載量 0.1 mg/cm2 的 IrO2 沉積在 Nafion117 膜上;單電解池的應用性能與傳統高催化劑載量電解池相似(1.8 A·cm–2@2 V),在 2.3 V 電壓下穩定工作 500 h。
改善集流器的性能也可提高電解槽性能。美國田納西大學(xué)研究團隊在鈦薄片上用模板輔助的化學(xué)刻蝕法制備出直徑小于 1 mm 的小孔,陽(yáng)極集流器的厚度僅為 25.4 μm;相關(guān)集流器用于 PEM 水電解陰極,電解性能為 2 A·cm–2@1.845 V,陰極 Pt 催化劑載量?jì)H為 0.086 m/cm2 。
4.4、雙極板
雙極板及流場(chǎng)占電解槽成本的比重較大,降低雙極板成本是控制電解槽成本的關(guān)鍵。在 PEM 電解槽陽(yáng)極嚴苛的工作環(huán)境下,若雙極板被腐蝕將會(huì )導致金屬離子浸出,進(jìn)而污染 PEM,因此常用的雙極板保護措施是在表面制備一層防腐涂層。Lettenmeier 等在不銹鋼雙極板上用真空等離子噴涂方式制備 Ti 層以防止腐蝕,再用磁控濺射方式制備 Pt 層以防止 Ti 氧化引起的導電性降低;進(jìn)一步研究發(fā)現,將 Pt 涂層換成價(jià)格更低的 Nb 涂層,可維持相似的電解池性能,且電解池可穩定運行超過(guò) 1000 h。美國田納西大學(xué)研究團隊采用增材制造技術(shù),在陰極雙極板上制作出厚度為 1 mm 的不銹鋼材料流場(chǎng),在上面直接沉積一層厚度為 0.15 mm 的網(wǎng)狀氣體擴散層;該單電池陰極阻抗極小,電池性能高達 2 A·cm–2@1.715 V,但仍需要表面鍍金以提高穩定性。此外,美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室、韓國科學(xué)技術(shù)研究院等機構也開(kāi)展了系列化的 PEM 電解槽用雙極板研發(fā)工作。
4.5、電解槽穩定性
2003 年,Proton 公司完成了 PEM 電解槽持續運行試驗(>6×104 h),衰減速率僅為 4 μV/ h。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織提出的 2030 年技術(shù)目標,要求電解槽壽命達到 9×104 h,持續工作狀態(tài)下的衰減速率穩定在 0.4~15 μV/h。許多研究團隊著(zhù)力探索 PEM 電解槽中各部件的衰減機理,發(fā)現催化劑和膜的脫落、水流量變化、供水管路腐蝕等會(huì )導致歐姆阻抗提高,膜電極結構被破壞后會(huì )誘發(fā)兩側氣體滲透并造成氫氣純度降低,溫度 / 壓力變化、電流密度和功率負載循環(huán)也會(huì )影響部件衰減速率。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所對 PEM 電解槽進(jìn)行了 7800 h 衰減測試,發(fā)現污染主要來(lái)自于水源和單元組件的金屬離子;完成了供水量、電流密度變化對 PEM 電解槽性能的影響分析。法國研究人員建立了 46 kW 電解槽模型,預測了功率波動(dòng)工況下的工作情況,在溫度較高、壓力較低時(shí),電解槽效率達到最高并可更好適應功率波動(dòng)。
在推廣應用層面,我國 PEM 電解水制氫技術(shù)正在經(jīng)歷從實(shí)驗室研發(fā)向市場(chǎng)化、規?;瘧玫碾A段變化,逐步開(kāi)展示范工程建設,如國網(wǎng)安徽省電力有限公司的兆瓦級氫能示范工程將于 2021 年年底建成投產(chǎn)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、陽(yáng)光電源股份有限公司共同建立的 PEM 電解水制氫聯(lián)合實(shí)驗室,針對 PEM 電解水技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題,如廉價(jià)催化劑的活性與穩定性、膜滲透性、膜電極結構等開(kāi)展研究攻關(guān);針對雙極板、擴散層等,發(fā)展高電流密度與高電壓條件下的廉價(jià)抗腐蝕鍍層技術(shù),著(zhù)力提高電解效率、降低綜合成本。
五、氫儲運與電解制氫
5.1、氫的儲運方式
氫利用的重要前提是將氫的綠色制取與終端用戶(hù)通過(guò)安全可靠、經(jīng)濟便捷的方式聯(lián)系起來(lái),這就需要解決氫的儲運問(wèn)題。氫的儲運方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機化合物儲運氫、管道輸氫等,其中高壓儲氫、液氫、管道輸氫均需加壓氫氣,因而具有較高壓力的 PEM 電解制氫具有與儲氫需求匹配的天然優(yōu)勢。
高壓儲運氫是中小量用氫的常用方法,在200km距離以?xún)?,單輛魚(yú)雷車(chē)每天可運輸 10 t 氫,包括壓縮、存儲設備折舊費用在內的綜合運費約為 2 元/kg。材料儲氫安全性好,但儲氫容量低(1%~2%),僅適合原地儲氫;若用于運輸,運輸費用明顯過(guò)高。有機化合物儲運氫的儲氫量可達 5%~6%,運輸要求與液體燃料類(lèi)似,到達目的地后需應用脫氫設備進(jìn)行脫氫處理,脫氫溫度約為 200 ℃。日本計劃采用甲苯與甲基環(huán)己烷的轉化過(guò)程來(lái)進(jìn)行氫儲運,從澳大利亞向本土運氫。
利用現有的天然氣管道,將氫氣加壓后輸入,使氫氣與天然氣混合輸送;在用氫端,從管道提取天然氣 / 氫氣混合氣,進(jìn)行重整制氫,這是快速儲運氫的新方向。PEM 電解水制氫的產(chǎn)氫壓力通常大于 3.5 MPa,很容易提升至 4 MPa,因而 PEM 電解生產(chǎn)的氫氣無(wú)需額外的加壓過(guò)程即可直接注入天然氣管網(wǎng)。德國已有天然氣管網(wǎng) 20% 混氫的工程案例。法國 GRHYD 項目在 2018 年開(kāi)始向天然氣管網(wǎng)注入含氫氣(摻混率為 6%)的天然氣,2019 年氫氣摻混率達到 20%。英國在 HyDeploy 項目中實(shí)施了零碳制氫,2020 年向天然氣管網(wǎng)注入氫氣(摻混率為 20%),驗證了電解制氫注入氣體管網(wǎng)的技術(shù)可行性。更為理想的情況是新建純氫管道,歐洲多國啟動(dòng)了輸送純氫管網(wǎng)的初步規劃論證,但開(kāi)工建設尚需時(shí)日。
5.2、我國的輸氫需求
我國西北地區的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富,西南地區的水電資源豐富,需要將相應電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區。我國海上風(fēng)電資源也比較豐富,是繼英國、德國之后的世界第三大海上風(fēng)電國家,快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區電網(wǎng)。利用這些可再生能源電力,通過(guò) PEM 水電解方式獲得綠氫,將氫通過(guò)油氣公司現有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國各地,這為氫的長(cháng)距離輸送、氫能可持續發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。適時(shí)在管理層面建立 PEM 電解水制氫、輸氫的規范和標準,保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。
六、結語(yǔ)
氫氣在儲能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應用,成為控制溫室氣體排放、減緩全球溫度上升的有效途徑之一。堅持氫能綠色利用的初衷,積極發(fā)展以 PEM 電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù),實(shí)現與可再生能源的融合發(fā)展。
PEM 電解水制氫技術(shù)具有運行電流密度高、能耗低、產(chǎn)氫壓力高、適應可再生能源發(fā)電波動(dòng)、占地緊湊的特點(diǎn),具備了產(chǎn)業(yè)化、規?;l(fā)展的基礎條件。為此建議:從電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料與部件方面入手,通過(guò)產(chǎn)能提升和技術(shù)進(jìn)步來(lái)壓降成本,進(jìn)而支持 PEM 電解制氫綜合成本的穩步下降;改善催化劑活性,提高催化劑利用率,有效降低貴金屬用量;研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結構,進(jìn)一步提高 PEM 電解的運行電流密度;提升雙極板的材料性能與表面工藝,在降低成本的同時(shí)提高耐蝕性能。
隨著(zhù)我國風(fēng)、光、水等可再生能源的快速發(fā)展,預計電解水制氫技術(shù)與應用將進(jìn)入穩步上升期。為此建議:結合西北、西南、東北、沿海等地區可再生能源豐富的天然稟賦,加大利用可再生能源來(lái)進(jìn)行 PEM 電解水制氫的示范力度;結合商業(yè)化推廣,全面降低 PEM 電解水制氫的成本,適應可再生能源規?;l(fā)展態(tài)勢;在西北、西南、東北、沿海等地區進(jìn)行大規模的電解水制氫裝備應用,將高壓氫摻混后送入天然氣管網(wǎng),用氫地區則從天然氣管道中取氫;天然氣中的氫濃度為 5%~20% 時(shí)用氫地區采用膜分離方法從混合氣中提取氫,氫濃度低于 5% 時(shí)采用混合氣重整制氫方法,由此既不增加 CO2 排放,也具有長(cháng)距離輸氫的技術(shù)可實(shí)現性。