“綠氫”在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

＊薛道偉

（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100089）

前言

氫是宇宙中分布最廣的物質(zhì)。氫的高熱值是同等質(zhì)量的焦炭和汽油等化石燃料熱值的三到四倍。日本、德國等國成立了氫能研究中心，國際氫能委員會(huì)于2017年公布了一份關(guān)于世界氫能未來發(fā)展的調(diào)查報(bào)告。全球每年排放60億噸二氧化碳。本文介紹了基于新能源的綠色氫氣及其應(yīng)用，以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。2020年12月21日，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于煤炭作為日本能源供應(yīng)基礎(chǔ)能源的明確聲明》，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)、儲(chǔ)存等技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展加快了氫能的應(yīng)用，綠色氫氣已成為我國能源供應(yīng)的新發(fā)展方向。綠色氫循環(huán)消耗的碳是氫循環(huán)，而我國的低碳?xì)浠衔?，根?jù)清潔氫和再生氫的標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)，單位氫碳排放的低碳?xì)溟y值為14.51kg CO2e/kgH2，清潔氫和再生氫的閥值為4.9kg CO2e/kgH2，可再生氫作為可再生能源需要制氫能源。1g氫氣的燃燒熱為140kJ，熱效率是汽油的三倍，氫燃燒產(chǎn)物實(shí)際上是零排放。需要降低制氫、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用成本。

從生產(chǎn)角度來看，碳排放需求是生產(chǎn)環(huán)境友好型氫氣的主要系統(tǒng)，氫氣是可再生能源。2019年，日本可再生能源開發(fā)利用規(guī)模迅速擴(kuò)大，包括水、電、風(fēng)電、燈泡發(fā)電等，累計(jì)以機(jī)器容量位居世界前列，非化石能源已占能源消費(fèi)的15.3%。利用可再生能源生產(chǎn)大規(guī)模氫氣是可能的。近年來，我國可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了良好的成效。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，氫氣技術(shù)生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸成本也在逐漸下降。利用可再生能源的電解水作為緩沖液，產(chǎn)生氫氣，實(shí)現(xiàn)可再生能源穩(wěn)定可靠的出口。技術(shù)進(jìn)步不斷提高電解水的能量轉(zhuǎn)化率，有助于降低綠色氫氣的生產(chǎn)成本。相關(guān)文件明確指出，氫燃料電池技術(shù)鏈促進(jìn)了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。目前，我國許多地區(qū)都制定了氫燃料電池汽車政策，以支持氫燃料電池汽車的儲(chǔ)存和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1.氫能在不同方面的研究

(1)氫能源的簡單介紹

①氫能簡介

氫主要以化合態(tài)的形式在大自然中存在，其主要儲(chǔ)存形式是水。氫能也是人類通過各種科學(xué)技術(shù)，從自然界獲得的最為豐富、最有效的能源之一，將是未來的主要能源。

②氫能優(yōu)于其他能源

電解水以氫能為二次能源，提高電力系統(tǒng)的靈活性，跨越多能源領(lǐng)域。

這有利于促進(jìn)氫燃料電池技術(shù)在交通領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)層面的清潔能源，降低交通領(lǐng)域?qū)τ蜌饽茉吹恼w依賴，降低能源的外部依賴。

作為能源協(xié)調(diào)工具，利用可再生能源電解水制氫，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能，掌握電網(wǎng)與燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)的連接，有效解決儲(chǔ)能問題，了解不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的合作促進(jìn)清潔能源的發(fā)展。

氫能是大規(guī)模有效利用可再生能源的重要載體?？稍偕茉吹膭?dòng)力流向交通、工業(yè)、建筑和其他部門，并減少碳排放。

③氫能與其他能源缺陷的比較

氫具有氫閃和氫脆的危險(xiǎn)。氫清洗具有廣泛的氫爆炸限制，更容易泄漏。鋼中溶解的氫與氫分子熔合，導(dǎo)致應(yīng)力集中，并超過鋼的強(qiáng)度極限。在余江形成了小裂紋，也稱為白點(diǎn)。只有防止氫脆，由氫脆無法徹底消除。因此，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中應(yīng)特別小心。

它可以通過技術(shù)解決，但成本并不便宜。石油產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個(gè)制氫廠的產(chǎn)量。石油可以通過運(yùn)輸罐運(yùn)輸，液化氫的生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，氫氣分離采用罐車運(yùn)輸，運(yùn)輸和安全保護(hù)的等價(jià)折舊成本是對(duì)氫氣使用的一個(gè)越來越高的限制，制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)不成熟。長距離氫氣運(yùn)輸?shù)母叱杀鞠拗屏藲淠艿陌l(fā)展。如何獲得更有效的氫氣以及如何解決儲(chǔ)氫問題是當(dāng)務(wù)之急。

(2)“綠氫”制取技術(shù)的介紹

①電解水反應(yīng)制氫原理

以可再生能源風(fēng)能、太陽能、水利等綠色能源所產(chǎn)生的“綠電”，在電解水原理的基礎(chǔ)上，電解水制取氫氣，用于社會(huì)各個(gè)方面。電解水其原理是基于氧氣與氫氣反應(yīng)的可逆反應(yīng)，陽極發(fā)生：4OH-=2H2O+O2（g）+4e；陰極發(fā)生反應(yīng)：4e+4H2O=2H2（g）+4OH-；總反應(yīng)方程式為：2H2O=2H2（g）+O2（g）。

②質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)

在質(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)中，陽極和陰極主要是貴金屬催化劑，如銥陽極和鉑陰極。質(zhì)子以水合質(zhì)子交換的形式通過膜還原到氫陰極。質(zhì)子交換膜是電解質(zhì)離子的傳導(dǎo)和氣體分離的功能。優(yōu)點(diǎn)是電流密度高，氫氣純度高，設(shè)備尺寸和重量小。

缺點(diǎn)是成本高。RuO2和IrO2通常是PEM電解陽極的優(yōu)良催化劑，而Pt被認(rèn)為是氫沉積反應(yīng)的電催化劑。質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴，會(huì)變質(zhì)，縮短膜的壽命。

圖1 PEM制氫技術(shù)

圖2 堿性電解水制氫

③堿性電解水制氫技術(shù)

堿性電解水制氫是一種成熟的制氫技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電力、電子等行業(yè)。該結(jié)構(gòu)包括陽極、陰極、電源、隔膜和電解質(zhì)溶液。它不需要昂貴的催化劑，壽命長，通常超過10年。

存在的主要問題是響應(yīng)時(shí)間慢。在堿性電解水系統(tǒng)中，由高歐姆損耗引起的低電流密度主要來自三個(gè)表面。外部電路電阻、轉(zhuǎn)移電阻、電化學(xué)電阻。

3.氫能的綜合應(yīng)用前景

(1)氫能用于居民

目前，我國居民日常的生活所需的能源為天然氣，反應(yīng)方程式為CH4+O2=CO2+H2O+Q，燃燒過程中均產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳，為了有效減少溫室氣體的排放，可在民用燃?xì)夤艿乐?，根?jù)技術(shù)的成熟度逐步添加由綠電制取的綠氫，直至完全代替，該技術(shù)已經(jīng)在北京朝陽區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，并取得了參氫10%的成績，有效減少的碳排放量。

(2)氫氣輸送的操作

商用車輛的發(fā)展大大降低了燃料電池和氫氣的成本。水電站配套設(shè)施建設(shè)也擴(kuò)大到汽車。商用車的發(fā)展主要集中在公共交通上，公共交通對(duì)社會(huì)的影響很大。燃料電池和氫氣成本完成后，燃料電池和氫氣成本將降低。商用車集中在固定線路上。這是一種支持液壓設(shè)備的簡單方法。隨著水電站數(shù)量的增加，氫和燃料電池的成本將降低，為燃料電池汽車提供更廣闊的市場，加快整個(gè)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，有效降低氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈和氫電池產(chǎn)業(yè)成本。

(3)氫能取代了傳統(tǒng)的能源

圖3

綠色氫可以取代傳統(tǒng)的化石能源，碳中和、風(fēng)能、光能的概念基于太陽能和其他新能源產(chǎn)生的綠色電力，水被用來在電解過程中產(chǎn)生綠色氫，以代替化石能源產(chǎn)生的氫。下游產(chǎn)品的生產(chǎn)是氣化產(chǎn)生的氫氣，這與傳統(tǒng)的化肥生產(chǎn)工藝相同。從牛糞和空氣中分離出來的氮由氨合成，最終形成元素等化學(xué)肥料。綠色氫氣的使用直接消除了氣化和凈化設(shè)備。還原法生產(chǎn)設(shè)備在減少投資的同時(shí)，形成了一種綠色發(fā)電工藝。

4.氫能源的儲(chǔ)存技術(shù)

(1)高壓儲(chǔ)氫技術(shù)

氫氣在正常大氣壓下，其狀態(tài)是氣態(tài)的，所以在一定程度上增加了儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)碾y度。但是氫氣能夠被壓縮成液體，這項(xiàng)技術(shù)類似于壓縮氣體儲(chǔ)存技術(shù)。第二種方法是低壓壓縮氫氣，原理與天然氣注入技術(shù)相同。

(2)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)

氫氣是一種非常易燃的燃料，所以液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是采用一種低溫儲(chǔ)氫技術(shù)，在低溫條件下，它能將氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫，并且還能再在低溫下進(jìn)行壓縮和冷卻，然后裝入專用的低溫容器中，在滿足儲(chǔ)存要求的情況下，以多種方式進(jìn)行運(yùn)輸和管理。

(3)氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)

儲(chǔ)氫的方法只有三種，即通過儲(chǔ)氫合金、金屬氫化物和無機(jī)非金屬材料制成的不同容器進(jìn)行封裝。其主要條件一定要滿足儲(chǔ)存的要求（主要是溫度和壓力），否則氧氣就可能與氫氣反應(yīng)，吸收大量氫氣，然后在一定條件下（加熱或減壓）釋放氫氣，它主要由氫氣和分子氫組成，氫化物儲(chǔ)存技術(shù)可靠，但反應(yīng)緩慢。

5.氫能源開發(fā)利用

(1)儲(chǔ)氫技術(shù)

國家發(fā)展和改革委員會(huì)，7月，國家能源局尋求開發(fā)一種新方法，以加快新能源儲(chǔ)存的發(fā)展。儲(chǔ)氫能源顯然已融入創(chuàng)新的儲(chǔ)能技術(shù)中。儲(chǔ)氫能可以利用過剩的電力和低成本的電力在電解水中產(chǎn)生氫氣，通過燃燒燃?xì)廨啓C(jī)來儲(chǔ)存氫氣發(fā)電，并利用燃料電池將其轉(zhuǎn)化為電能。與缺陷儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能的相對(duì)較短的儲(chǔ)能時(shí)間（時(shí)間或日水平）相比，氫能的儲(chǔ)能時(shí)間為幾個(gè)月，在此期間不會(huì)發(fā)生能量衰減。未來，隨著產(chǎn)量變化較大的新能源比例的增加，儲(chǔ)氫能源在調(diào)峰方面將發(fā)揮更重要的作用。

在世界各地，日本、德國、法國和加拿大將根據(jù)各自的實(shí)際情況發(fā)展各自的儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)，并制定詳細(xì)的發(fā)展地圖，公布與氫能相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策。其中，日本在氫氣和燃料電池技術(shù)及商業(yè)化領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，日本于2020年2月在福島完成了一座10MW級(jí)制氫廠的試運(yùn)行，這是目前全球最大的光學(xué)制氫系統(tǒng)。德國已經(jīng)在勃蘭登堡建造了世界上第一座風(fēng)能和氫氣混合發(fā)電廠。風(fēng)能、氫能和沼氣用于發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電。法國還在科西嘉島建設(shè)光伏和儲(chǔ)氫系統(tǒng)，利用儲(chǔ)氫能源系統(tǒng)的調(diào)峰作用促進(jìn)光伏發(fā)電，當(dāng)光伏發(fā)電充足時(shí)，剩余的光伏設(shè)施通過電解產(chǎn)生氫氣，氫氣和氧氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)罐中。當(dāng)光伏功率不足時(shí)，利用燃料電池系統(tǒng)為其供電和補(bǔ)充能量。近幾年來，我國在氫能方面進(jìn)行了嘗試，建立了安徽、浙江、江蘇等統(tǒng)一的新電力系統(tǒng)，已經(jīng)擁有數(shù)十萬瓦、兆瓦的氫能發(fā)電廠和氫氣充電站。

(2)氫燃料電池技術(shù)

氫燃料電池是一種直接將氫和氧的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。通過電解水的反向反應(yīng)，氫和氧分別提供陽極和陰極，氫通過外電路到達(dá)陰極后，通過陽極的擴(kuò)散與電解質(zhì)反應(yīng)，在電路中產(chǎn)生電流并到達(dá)陰極板的電子?？諝庵械臍潆x子和氧原子被重新組合成水。以氫燃料電池為代表的運(yùn)輸領(lǐng)域是氫利用的突破。主要市場：與現(xiàn)有汽車相比，氫燃料電池汽車的能量轉(zhuǎn)換效率為60%～80%，是內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。氫燃料電池是氫和氧。產(chǎn)品為清潔水，不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，不排放硫和灰塵。

氫燃料電池汽車的主要優(yōu)點(diǎn)是與新能源電動(dòng)汽車相比，氫時(shí)間短，不受溫度的影響。因?yàn)樗鼘⑾蜍囕v的氫罐中添加氫氣，它與汽油相似，因此距離與汽油車相似。目前的技術(shù)水平高于電動(dòng)汽車。收費(fèi)單元的導(dǎo)航儀不受溫度的影響，冬季不存在縮短運(yùn)行時(shí)間的問題。有明顯的缺點(diǎn)。鉑貴金屬的生產(chǎn)工藝。雖然燃料電池汽車具有成本效益，但并不十分經(jīng)濟(jì)。世界上還沒有建立氫電站網(wǎng)絡(luò)，加氫站很少，加氫存在主要問題。由于氫氣的大規(guī)模運(yùn)輸，安全性仍在提高。

6.結(jié)語

近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)在項(xiàng)目規(guī)劃和政策支持方面加快發(fā)展，隨著可再生能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，未來幾年儲(chǔ)能市場將快速增長。我國的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展的早期階段，主要是在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用方面。儲(chǔ)存能源的商業(yè)應(yīng)用包括高能源成本、不完整的電力市場交易、不完整的能源路徑以及加速能源價(jià)格的問題。隨著技術(shù)的不斷突破和成本的不斷下降，國內(nèi)儲(chǔ)能市場仍需發(fā)展，未來市場將出現(xiàn)氫能。