可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景淺析

董攀

摘要：本文深入研究了可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景，同時結(jié)合筆者自身工作經(jīng)驗，針對此類問題提出了具有建設(shè)性的意見和建議，希望能夠為同行業(yè)相關(guān)工作者提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：制氫技術(shù);可再生能源;發(fā)展現(xiàn)狀;前景分析

引言

目前，全球能源結(jié)構(gòu)向清潔低碳化轉(zhuǎn)型已是大勢所趨，而氫能由于其零排放、零污染、能量密度高等特點(diǎn)，將在以可再生能源為主體的未來能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[1]。氫的制取主要有三種技術(shù)路線：化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫。此外還有未來可能具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力的光熱制氫、光電制氫、核能制氫等[2-3]。而隨著我國可再生能源的大力發(fā)展，利用可再生能源制氫成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)：氫能可有效彌補(bǔ)電能存儲的短板，為高比例可再生能源發(fā)展提供有效支撐;可再生能源制氫無碳排放，能夠助力我國碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。目前，可再生能源制氫已成為我國電力行業(yè)削峰填谷及解決棄電消納問題的重要選擇[4]。

1、可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前主要的電解水制氫方法有3種：堿性水電解制氫（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫和固體氧化物（SOEC）電解制氫[5]。

ALK電解水技術(shù)一般是以KOH溶液作為電解質(zhì)，采用石棉布等作為隔膜，在直流電的作用下將水電解，氫氣和氧氣在分別在陰極和陽極析出，產(chǎn)出的氫氣純度約為99%，需要進(jìn)行提純處理。堿性電解槽的工作電流密度一般為0.2-0.4A/cm2，效率60%左右。堿性電解水技術(shù)成熟、操作簡便且價格便宜，從而得到廣泛應(yīng)用。

PEM電解水制氫原理為：水在電場和催化劑作用下，在陽極發(fā)生水解反應(yīng)，分裂成質(zhì)子、電子和氣態(tài)氧，氧氣在陽極析出;質(zhì)子在電勢差的作用下，通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與通過外部電路傳導(dǎo)到達(dá)的電子結(jié)合，生成氫氣。PEM電解槽的運(yùn)行電流密度通常高于1A/cm2，具有效率高、氣體純度高、電流密度可調(diào)、能耗低、體積小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是極具發(fā)展前景的制氫技術(shù)。

SOEC陰極材料一般采用Ni/YSZ多孔金屬陶瓷，陽極材料主要是鈣鈦礦氧化物，電解質(zhì)采用YSZ氧離子導(dǎo)體。其原理為：混有少量氫氣的水蒸氣進(jìn)入陰極（混氫的目的是防止陰極材料Ni被氧化），發(fā)生電解反應(yīng)分解成H2和O2?，在高溫環(huán)境下O2?通過電解質(zhì)層到達(dá)陽極，在陽極失去電子生成O2。SOEC整個系統(tǒng)電壓低、能耗少，系統(tǒng)效率高達(dá)90%，但電極材料在高溫高濕條件下的穩(wěn)定性和電堆系統(tǒng)在長時間運(yùn)行下衰減過快等問題尚待解決，影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

以上三種制氫技術(shù)路線中，目前應(yīng)用最廣泛的是堿性電解水制氫;PEM電解水制氫由于成本等問題尚處于小規(guī)模示范應(yīng)用階段，但其具有抗電源負(fù)荷波動性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合與光伏、風(fēng)電等可再生能源聯(lián)合使用，未來應(yīng)用前景廣闊;固體氧化物電解制氫還在實驗室研究階段。

2、可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展前景分析

2.1化石燃料制氫短期內(nèi)仍是主要?dú)湓?，但比例會不斷降?/p>

2019年，我國氫氣年產(chǎn)量約3400萬噸，其中化石能源制氫占比達(dá)77.5%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比約21%，電解水制氫占比約1.5%。不難看出，短期內(nèi)化石能源重整制氫仍是我國的主要?dú)湓础５?，化石能源制氫并具有可持續(xù)性：一是制氫過程當(dāng)中會產(chǎn)生廢水廢氣，與我國環(huán)保要求不相適應(yīng);二是它帶來大量碳排放，與我國“3060”的雙碳目標(biāo)相悖。因此，化石燃料重整制氫比例將會不斷降低。

2.2工業(yè)副產(chǎn)氫較為環(huán)保，但仍存在碳排放問題

工業(yè)副產(chǎn)制氫主要分布在鋼鐵、化工等行業(yè)，目前主要形式有燒堿行業(yè)副產(chǎn)氫、高爐煤氣副產(chǎn)氫、焦?fàn)t煤氣可分離回收氫、乙烯和丙烯生產(chǎn)回收氫等[6]。利用工業(yè)副產(chǎn)氫，既能提高資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，又可降低環(huán)境污染，具有較好的應(yīng)用前景，但它仍然存在碳排放，面臨碳捕捉及封存問題。

2.3可再生能源制綠氫應(yīng)用前景廣闊，技術(shù)尚待攻關(guān)

可再生能源制氫是全球公認(rèn)的最具前景的制氫發(fā)展方向，隨著我國三北地區(qū)的風(fēng)光耦合的電價區(qū)間逐漸降至0.2元/kW·h左右，加上運(yùn)氫成本的降低，氫氣用能成本不斷降低，氫燃料電池車單位公里燃料價格已經(jīng)逼近甚至低于燃油車輛，未來制氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模很大。但與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國的電解水制氫技術(shù)發(fā)展起步較晚，尤其是PEM電解水制氫和SOEC電解池技術(shù)與一些發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，限制了其在我國的推廣應(yīng)用。

3、結(jié)束語

綜上所述，我國氫氣產(chǎn)能短期內(nèi)仍主要來自于化石燃料制氫，但在“3060”雙碳目標(biāo)背景下其比例會不斷降低。工業(yè)副產(chǎn)氫較為環(huán)保，也是我國特色，將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場的重要過渡手段，但其仍存在碳排放問題，未來的發(fā)展需要與碳捕獲、利用與封存技術(shù)（CCUS）相結(jié)合。而可再生能源制氫，不僅有利于解決棄電消納問題，支撐高比例可再生能源發(fā)展，而且憑借其“零碳”的屬性，將在我國碳中和路徑中扮演重要角色。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷超，李韜.碳中和背景下氫能利用關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].發(fā)電技術(shù)，2021，42（02）：207-217.

[2]鮑君香.太陽能制氫技術(shù)進(jìn)展 [J].能源與節(jié)能，2018（11）：61-63.

[3]王敏.國內(nèi)外新能源制氫發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢[J].化學(xué)工業(yè)，2018，36（6）：13-18.

[4]MOSTAFA Rezaei，MALIKEH Salimi，MOZHGAN Momeni，etal.Investigation of the socio-economic feasibility of installing wind turbines to produce hydrogen：Case study[J].International Journal of Hydrogen Energy.2018，43：23135-23147.

[5]曹蕃，等.氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路徑研究[J].分布式能源，2020，5（1）：1-8.

[6]劉思明，石樂.碳中和背景下工業(yè)副產(chǎn)氫氣能源化利用前景淺析[J].中國煤炭，2021，47（06）：53-56.