清潔氫能源制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及綜合分析

郗鵬

(山東新華制藥股份有限公司,山東 淄博 255075)

氫能是21世紀(jì)最有前途的一種新能源,在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。氫能具有清潔、高效、來源廣泛、可存儲等優(yōu)點,被譽(yù)為“終極能源”,可作為化石能源的重要替代品,對緩解全球化石能源危機(jī)、氣候變暖和環(huán)境污染等具有重要意義[1]。

目前,世界上的氫生產(chǎn)主要來自化石能源。在工業(yè)上,七大常見的制氫工藝分別是焦炭氣制氫、氯堿工業(yè)制氫、電解水制氫、煤化工副產(chǎn)制氫、天然氣捕集制氫、天然氣制氫、煤炭制氫。由于礦物燃料供應(yīng)有限、消耗迅速和溫室氣體排放不利,預(yù)計無法滿足累積需求,因此正在對清潔氫能源的制備進(jìn)行更多的研究。有史以來,世界各國政府首次協(xié)調(diào)一致地努力使經(jīng)濟(jì)脫碳,以遏制氣候變化的影響。截至2016年12月,196個締約方中的116個已批準(zhǔn)COP21巴黎協(xié)定,并承諾采取行動把溫室效應(yīng)控制在2 ℃以內(nèi)[2]。為了實現(xiàn)這一減排目標(biāo),在2050年之前,我們必須將全球溫室氣體的年度排放削減到85%[2]。各國政府將面臨挑戰(zhàn),以確定減少溫室氣體排放的最佳方式,同時確保經(jīng)濟(jì)競爭力、增長和安全的能源供應(yīng)。約翰·博克里斯教授于1970年在通用汽車技術(shù)中心(General Motors Technical Center)的一次演講中首次提出了“氫經(jīng)濟(jì)”,這在科學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、實業(yè)家和國家/地區(qū)首腦(包括美國和歐盟[3-5],最近是日本[4])中引起了極大的興奮。氫經(jīng)濟(jì)的理由越來越多。越來越多的報告表明,氫氣幾乎可以在能源系統(tǒng)的每一個部分中發(fā)揮作用,包括發(fā)電和運(yùn)輸[4-6]。能源系統(tǒng)水平評估表明,氫氣是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的脫碳熱選擇(例如[7-8])。

在眾多可再生能源中,太陽能是最有活力的一種產(chǎn)氫介質(zhì)。產(chǎn)生氫的方法有很多,直接的或間接地都有。氫可以用太陽和水制造。生物質(zhì)能也是一種可以直接或間接以多種方式產(chǎn)生氫氣的介質(zhì)。核電與太陽能類似,可以直接或間接的生產(chǎn)氫氣[5]。利用生物質(zhì)資源生產(chǎn)氫氣,因其所需的二氧化碳可與產(chǎn)氫所需的二氧化碳量相媲美而受到了廣泛的關(guān)注。風(fēng)力、水力、地?zé)岷秃Ｑ竽?除海洋植被外)都是直接發(fā)電,再對水進(jìn)行電解,從而間接制取氫氣。

從圖1可以看出,基本上全部能量載體都能產(chǎn)生氫氣。電能是能量的主要運(yùn)載工具。電解水制氫是一條很有發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)化道路。汽油、柴油、甲醇、氨等不僅是能源載體,而且是重要的氫氣載體[7]。所以,利用這種富含氫氣的能源運(yùn)載氫氣是很常見的。本研究主要從傳統(tǒng)制氫方式和新型制氫方式來進(jìn)行研究。

圖1 各種能源利用途徑

1 傳統(tǒng)制氫技術(shù)

本節(jié)在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對常規(guī)的氫氣制備技術(shù)進(jìn)行了討論。生產(chǎn)氫氣的常規(guī)途徑包括:煤、天然氣、石油和甲醇中制氫。本部分主要介紹了煤、天然氣和電解水制氫技術(shù)。

1.1 煤制氫

直接制氫和間接制備氫氣是傳統(tǒng)煤制備氫氣方法的兩大類。煤煉焦和煤氣化是煤直接制氫的兩種方法[8]。將煤轉(zhuǎn)化為甲醇,然后將甲醇進(jìn)行重整以產(chǎn)生氫氣的過程稱為煤的間接制氫過程。煤氣化產(chǎn)生以氫和一氧化碳為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)物,這些氣態(tài)產(chǎn)物可被提純,轉(zhuǎn)化為另一種氣體,再分離出來,進(jìn)一步提純以產(chǎn)生一定純度的氫。煤氣化、氣體凈化、CO轉(zhuǎn)化和H2凈化是煤制氫過程中的典型步驟[9]。如圖2所示為工藝流程。

圖2 煤氣化制氫工藝流程

煤制氫的核心技術(shù)是將煤直接氣化為氣體,再將其轉(zhuǎn)化為氫氣。煤經(jīng)過一種稱為氣化的熱化作用。它指的是將煤或煤焦作為原材料,氧氣(空氣、富氧氧或工業(yè)純氧)和水蒸氣作為氣化劑,在高溫高壓下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),使煤或煤焦的可燃部分變成可燃?xì)怏w的過程[10]。汽化產(chǎn)生的可燃燒的氣體就是煤氣。用于化學(xué)原料的煤氣,通常被稱作“合成氣”(除了煤炭,也可以用天然氣、重質(zhì)油組分做原料)。這個裝置叫做氣體發(fā)生器或氣化器。目前,國內(nèi)外對煤炭氣化制取氫氣的研究較多。Liu等[11]采用了生命周期評價技術(shù),比較了UCG-H2的能源消耗和溫室氣體排放(地下煤氣化-H2)和常規(guī)地表煤氣化制氫。Seyitoglu[12]等人研究了用于生產(chǎn)氫氣和電力的煤基綜合氣化系統(tǒng)。

1.2 天然氣制氫

天然氣中以甲烷為主,在所有化合物中占?xì)湓淤|(zhì)量的大部分,并具有25%的儲氫能力[13]。天然氣是地球上三大化石燃料之一,儲量巨大。因此,長期以來一直是業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的制氫方法,在許多國家都擁有決定性的優(yōu)勢[14]。由于甲烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在工業(yè)中經(jīng)常使用水蒸氣和氧氣與甲烷反應(yīng)生成合成氣,合成氣隨后經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化和分離生成氫氣。此外,包括CO2酸氣在內(nèi)的天然氣源在技術(shù)上需要CO2干重整制氫[15]。最近,為了生產(chǎn)不含CO的氫氣和各種高價值的芳香族化合物,天然氣在不需要氧氣的情況下被直接芳香化。大量高價值的碳納米材料產(chǎn)品也可以由天然氣的直接裂解和不含一氧化碳的氫一起制成。特別理想的用作質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料源是可能產(chǎn)生的氫。天然氣轉(zhuǎn)化為氫是一個復(fù)雜的過程,包括合成氣制備、水氣轉(zhuǎn)化、CO2分離和CO精細(xì)去除等步驟[16]。

天然氣制氫的好處可以概括為:(1)儲氫能力高,是目前最經(jīng)濟(jì)的制氫路線;(2)適應(yīng)范圍廣,有效縮短氫的運(yùn)輸和使用距離;(3)是甲醇、合成氨等耗氫大行業(yè)工藝的首選,也是各種石油產(chǎn)品加氫產(chǎn)品升級的首選氫源。適用于大型制氫;(4)天然氣含氫量高,空氣或氧氣很容易獲得,燃燒是一種放熱反應(yīng)[17]。與天然氣蒸汽轉(zhuǎn)換相比,能耗大大降低。雖然產(chǎn)品的選擇性控制不如蒸汽轉(zhuǎn)換,天然氣的直接燃料會產(chǎn)生大量CO2,但很難進(jìn)一步降低制氫的成本;(5)與氫氣天然氣相比,它適用于輛汽車,并可直接儲存在鋼瓶中。從天然氣中生產(chǎn)氫氣的方法一直是幾項研究的主題。Blok等人[8]討論了將天然氣制氫與二氧化碳去除相結(jié)合的可行性。Dicks等[9]評估了從天然氣中生產(chǎn)氫的四種主要工藝,包括催化蒸汽重整、自熱重整、熱解和部分氧化。強(qiáng)調(diào)了最近在內(nèi)部重整和燃料電池直接使用天然氣方面的一些進(jìn)展,以及目前市場上的凈化技術(shù)。還審查了這項技術(shù)。

1.3 電解水制氫

在這個星球上,水是一種最普通的東西,也是一種可再生資源。利用水分解產(chǎn)生的氫作為綠色可再生能源載體,是減少對不可再生能源依賴的最佳解決方案。這種類型的氫氣生產(chǎn)所需的唯一投入是水和能源。目前,水解的方法有四種:(1)在堿性條件下的水解,(2)在質(zhì)子交換膜電解槽中的水解,(3)固體氧化物的汽化,(4)水光化學(xué)裂解方法。在上述四種制氫方法中,以堿性水解制氫氣最為簡便。堿性水電解是在堿性環(huán)境中產(chǎn)生氫的過程。如在圖3[10]中所示,在陰極一側(cè),通過直流電使水進(jìn)行析氫還原,從而產(chǎn)生氫氣和氫氣。氫氧根在電場和氫氧側(cè)濃度差異的影響下,在陽極一側(cè)產(chǎn)生了電子,通過物理隔膜生成氧和水。

圖3 堿性水電解制氫的基本原理

電解水是目前生產(chǎn)氫氣的一種較為成熟的技術(shù)。這種方法具有操作簡便,得到的氫氣純度較高,通?？蛇_(dá)99%～99.9%。電解水制氫的缺陷在于耗電較高,一般不低于4 775 kWh/m3。電解池是電解過程中的關(guān)鍵設(shè)備,它包括一種電解質(zhì),一種隔膜,以及一對浸入電解質(zhì)中的電極。當(dāng)前,可分為堿性電解池、聚合物電解池和固態(tài)氧化物電解池[11]三種類型。本發(fā)明涉及一種堿性電解池,由直流電源,電解池,陰極,陽極,電解液,隔膜等構(gòu)成。電解質(zhì)一般是KOH,其質(zhì)量百分比在20%至30%之間。這種膜片可能是由能將氣體分開的石棉構(gòu)成。以Ni-Mo、Ni-Cr-Fe等為主要研究對象,分別采用Ni-Mo、Ni-Cr-Fe等合金作為電催化劑,對其進(jìn)行電催化裂解,產(chǎn)生氫氣和氧氣。

現(xiàn)在,堿法有兩種,一種是單極法,另一種是雙極法。采用單極式電解,采用并聯(lián)的方式,實現(xiàn)了大電流低電壓運(yùn)行;雙極電解裝置采用串聯(lián)的方式,可在低電壓、低電流條件下運(yùn)行。雙極型電池組具有體積小、能耗小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,但其有設(shè)計繁瑣、造價昂貴等缺點。

目前,SOFC仍在研發(fā)中。由于其工作溫度較高,部分電力可用熱能替代,因而具有較高的效率。在進(jìn)入管狀電解槽之后,高溫水汽在內(nèi)部陰極被分解為H+和O2-,H+轉(zhuǎn)化為電子形成H2,O2-通過電解質(zhì)ZrO2到達(dá)外部陽極形成O2。固態(tài)氧化物電解技術(shù)是當(dāng)前三種技術(shù)中效率最好的一種,且能充分利用反應(yīng)產(chǎn)生的余熱,使整個體系的整體效率達(dá)到90%以上。但由于其在1 000 ℃以上的高溫工作條件,給該體系的結(jié)構(gòu)和性能帶來了極大的挑戰(zhàn)[12]。

2 新興制氫技術(shù)

2.1 太陽能制氫

太陽能有多種制造氫的方法(表1)。

表1 PNIPAM切換膜編碼與其對應(yīng)的 PNIPAM接枝比例

太陽能光熱發(fā)電是由集熱器驅(qū)動的蒸汽輪機(jī)發(fā)電。它是把光能轉(zhuǎn)換成熱能,再用常規(guī)熱循環(huán)產(chǎn)生電能。太陽能光伏發(fā)電所提供的電力和常規(guī)的火電一樣,可以很好地與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)和現(xiàn)有的電力系統(tǒng)相匹配,并且可以直接連接到因特網(wǎng)。其技術(shù)優(yōu)勢如下:(1)與光伏發(fā)電比較,無需昂貴的硅光轉(zhuǎn)換工藝,可以大幅減少太陽能發(fā)電的費(fèi)用。(2)太陽照射下的媒介可以被貯存在一個大型的容器內(nèi),并且在太陽下山后的數(shù)個小時內(nèi),依然可以旋轉(zhuǎn)渦輪來產(chǎn)生電能。(3)太陽能熱發(fā)電比光伏發(fā)電效率更高、更成熟。(4)要實現(xiàn)穩(wěn)定輸出和連續(xù)發(fā)電,光伏或風(fēng)力發(fā)電需要配備同等容量的電力儲能(如鋰電池),成本可高達(dá)3萬～5萬元/kWh,而太陽能熱發(fā)電的成本約為2.5萬元/kWh。

2.2 風(fēng)能制氫

風(fēng)能是一種清潔能源。此外,它沒有盡頭。風(fēng)能制氫是利用風(fēng)能產(chǎn)生的電力,經(jīng)過簡易加工后,利用風(fēng)能將水分解成氫氣,從而實現(xiàn)氫氣的生產(chǎn)。生產(chǎn)出的氫氣可以通過儲存和運(yùn)輸?shù)姆绞奖挥糜跉淙剂想姵剀囕v的使用,也可以用作工業(yè)原材料。風(fēng)電場分解水制氫是一種新興的能源存儲模式,在解決風(fēng)電場“棄風(fēng)”問題、促進(jìn)“就地消納”方面具有重要意義,當(dāng)前很多地方都在研究利用風(fēng)電場分解水制氫技術(shù),以提升本地的風(fēng)力資源利用率。在我國,利用風(fēng)力發(fā)電來生產(chǎn)氫氣的研究才剛剛起步。我國自2009年起,在全國范圍內(nèi)率先開展了風(fēng)能與水能聯(lián)合利用的氫氣儲存與新能源并網(wǎng)的基礎(chǔ)研究。中節(jié)能集團(tuán)、河北建投集團(tuán)、國電投集團(tuán)、國能集團(tuán)于2014年先后推出了利用風(fēng)力發(fā)電的氫氣發(fā)電項目。2018年10月,國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《清潔能源消納計劃(2018～2020年)》中,明確了“開發(fā)新能源過剩的電能轉(zhuǎn)換為熱、冷和氫能,促進(jìn)新能源的多方式、多方式、高效率的開發(fā)和利用”。伴隨著一系列關(guān)于可再生能源的有利政策的出臺,風(fēng)力機(jī)制氫的發(fā)展也漸漸受到了人們的關(guān)注。但是,因為受到了國內(nèi)制氫場所需要建造在化工園區(qū)和發(fā)電過網(wǎng)等方面的限制,風(fēng)力機(jī)制氫的審批政策和經(jīng)濟(jì)性都受到了很大的影響,因此,風(fēng)力機(jī)制氫的發(fā)展速度比較慢,到現(xiàn)在為止,還沒有一套成熟的、可以商業(yè)運(yùn)作的風(fēng)力機(jī)制氫系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電解水設(shè)備、儲氫設(shè)備、燃料電池和電力網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成了風(fēng)力發(fā)電和氫氣回收利用的系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)的上部為棄風(fēng)裝置,下部為風(fēng)力發(fā)電接入裝置。在風(fēng)力并網(wǎng)的部分,風(fēng)力要通過低階濾波單元、AD-DC整流變換單元、逆變以及高階的濾波單元,過濾掉風(fēng)力中的諧波,從而產(chǎn)生出能夠滿足并網(wǎng)要求的高品質(zhì)電能,再通過升壓變壓器向電網(wǎng)提供電力。在棄風(fēng)制氫部分,風(fēng)電被濾波后,通過AD-DC整流變換單元,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,再通過直流支撐電路接入DC-DC電路,將直流電進(jìn)行降壓或升壓處理,使直流電變換為可以制氫的電能,從而制氫。在風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)側(cè)和制氫側(cè)之間,應(yīng)該對電力進(jìn)行合理的分配,在保證風(fēng)力能夠滿足電網(wǎng)需求的情況下,將剩余的風(fēng)能用于制氫,實現(xiàn)對能量的最大利用。

2.3 生物質(zhì)制氫

生物質(zhì)包括所有形式的生物,如植物、動物、細(xì)菌,以及從這些生物中產(chǎn)生、排出和消化的產(chǎn)物,是全球最常見的能源之一。目前最流行和最有效的利用生物質(zhì)能的方法之一是通過生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)?？筛碌纳镔|(zhì)能以及“碳中性”的性質(zhì)使得其在低碳經(jīng)濟(jì)方面的地位更為突出。利用生物能源制取氫可分為兩大類:一類是利用生物技術(shù)制氫,另一類是利用熱解反應(yīng)制氫。這兩種工藝的不同之處是反應(yīng)溫度。微生物產(chǎn)氫是指在高于室溫或略高于室溫的環(huán)境中,利用熱化學(xué)法進(jìn)行產(chǎn)氫。生物質(zhì)熱化學(xué)反應(yīng)制取氫氣的方法有高溫裂解,氣化,超臨界水氣化,以及生物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)換。根據(jù)生產(chǎn)氫氣的微生物種類,生物產(chǎn)氫可以分為兩類:厭氧發(fā)酵和光合作用。生物制氫具有很好的應(yīng)用前景,不過,這些都是在實驗室中進(jìn)行的。

生物質(zhì)熱化學(xué)制氫技術(shù)的基本原理是將生物質(zhì)原料(木柴、木屑)等擠壓成形,經(jīng)氣化爐(或熱解爐)汽化或熱解,得到富氫氣體,然后用變壓吸附法或變溫法從其他氣體中分離出氫,獲得優(yōu)質(zhì)氫氣[13]。這一過程與煤制氫類似,但其在性質(zhì)上比煤炭更具活力,更適宜于熱化學(xué)轉(zhuǎn)換。

清潔、環(huán)保、可再生和穩(wěn)定性是生物質(zhì)能的特性。在此基礎(chǔ)上,世界各國近來紛紛致力于生物質(zhì)能的開發(fā)和利用,特別是生物質(zhì)能發(fā)電事業(yè)的創(chuàng)立和發(fā)展。生物質(zhì)能技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用的一個關(guān)鍵領(lǐng)域是生物質(zhì)能發(fā)電。它可以幫助經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會的發(fā)展,因為它是這一領(lǐng)域中比較發(fā)達(dá)的應(yīng)用。它同時受到的影響,也受到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會和政策的制約。由于生物質(zhì)能源存儲量大,是可再生能源,推廣生物質(zhì)能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)有助于滿足社會電力需求,減少碳排放,緩解能源短缺和環(huán)境污染。

2.4 混合能源制氫

核能制氫,氫核電是非礦物能源中的一項重要資源。核電制氫技術(shù)可分為三種:核電、熱能和電力。在這些工藝中,純核制氫工藝與水解法相似。利用熱化學(xué)鏈法將水在800～10 000 ℃的高溫下發(fā)生熱分解反應(yīng),生成氫氣和氧氣。根據(jù)所用的原料,熱化學(xué)鏈制氫工藝按原料分為氧化法、鹵法、硫法和混合法。高溫電解水蒸汽制氫技術(shù)(SOFC)是一種反向應(yīng)用。該設(shè)備充分發(fā)揮了高溫對水的有利作用,比常規(guī)水電解設(shè)備具有更高的綜合熱效率。

由于氣候和天氣條件,太陽輻射和風(fēng)速的變化限制了可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致產(chǎn)量的波動?；旌峡稍偕茉聪到y(tǒng)將多種可再生能源高效地結(jié)合在一起,被認(rèn)為是解決上述問題的一種很有前途的方法。Li等[14]采用了光熱協(xié)同反應(yīng)與光伏發(fā)電相結(jié)合的全光譜太陽能制氫方法進(jìn)行水電解。采用該方法建立了混合制氫模型并進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)時間為1ns時,混合產(chǎn)氫模型的產(chǎn)氫效率可達(dá)21.05%。在相同太陽輻射條件和參數(shù)下,通過光熱協(xié)同反應(yīng)的產(chǎn)氫效率為7.9%,利用光伏發(fā)電電解水的產(chǎn)氫效率為19.19%。因此,本研究提出的混合制氫技術(shù)對制氫效率有很大的正向影響。

Li和Chen[15]提出了光伏發(fā)電光熱協(xié)同反應(yīng)與水電解相結(jié)合的混合制氫方法。該方法比光熱共反應(yīng)和PV/T電解水制氫效率分別提高17.267%和1.151%。Li和Wang[6]提出了一種利用太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能生產(chǎn)氫的新型膜反應(yīng)器系統(tǒng)。其中,采用槽式太陽能集熱器為反應(yīng)提供足夠的熱能。風(fēng)力渦輪機(jī)用于將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,以促進(jìn)氫分離。儲能裝置用于儲存多余的熱量和電能。太陽能和風(fēng)能制氫效率可達(dá)24.53%。這種新型的混合動力系統(tǒng)可以使能源效率和成本相對平衡,對分布式綠色制氫的發(fā)展具有積極的作用。

3 工藝綜合分析

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)仿真結(jié)果,可從經(jīng)濟(jì)角度分析清潔氫能源的轉(zhuǎn)換過程。在研究過程中,對生產(chǎn)氫的具體原料和產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價分析,如產(chǎn)品的成本標(biāo)準(zhǔn)、原材料消耗、總投資等。材料消耗指標(biāo)可以用來評價從可再生能源到特定產(chǎn)品的整個過程的模型性能。通過收集得到工藝規(guī)模和設(shè)備投資(EI)數(shù)據(jù),設(shè)備設(shè)施的購置主要計入固定資本投資。用設(shè)備投資與相應(yīng)比率系數(shù)的乘積,得到其他固定的資本投資。除固定資本投資外,總資本投資(TCI)還包括流動資本,流動資本主要產(chǎn)生于流程的日常運(yùn)作中[7]。此外,總資本投資還包括直接投資和間接投資[18]。RF是比率因子?？稍偕茉崔D(zhuǎn)換過程的TCI值計算公式如下:

TCL=EI(1+∑RFi)

(1)

3.2 環(huán)境分析

隨著對清潔氫能源的制備進(jìn)行研究和開發(fā)利用,各種環(huán)境問題也開始出現(xiàn)[19]。因此,有必要全面分析和評價制氫工藝開發(fā)活動可能產(chǎn)生的環(huán)境影響,為降低這些物質(zhì)對環(huán)境的負(fù)面影響,分析重點地區(qū)開發(fā)活動的環(huán)境制約因素,同時按照環(huán)境保護(hù)的要求,重點分析和評價氫氣這種新可再生能源的發(fā)展規(guī)劃實施中可能面臨的一些核心問題[7]。例如,在發(fā)展范圍方面,通過規(guī)劃分析和環(huán)境約束的識別分析,根據(jù)氫氣開發(fā)區(qū)的區(qū)位特征,分析開發(fā)區(qū)位和范圍的合理性[17]。其次,還有一些開發(fā)時機(jī)問題。通過判斷國家產(chǎn)業(yè)政策和市場經(jīng)濟(jì)的優(yōu)先發(fā)展引導(dǎo)因素[8],主要目的是分析國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)或產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、省級總體規(guī)劃的引導(dǎo)因素,評價該規(guī)劃發(fā)展時機(jī)的合理性。此外,發(fā)展過程中的污染防治問題也不能忽視。針對清潔氫能源開發(fā)制備過程中可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響,提出了基于各種環(huán)境因素的生態(tài)保護(hù)和污染防治措施。對環(huán)境可持續(xù)性的系統(tǒng)研究以及制定清潔氫能源使用和碳排放政策至關(guān)重要。為了證明該系統(tǒng)對未來全球環(huán)境的有益性和可持續(xù)性,可以討論綜合制氫系統(tǒng)的環(huán)境效益[12]。

如今,使用二次能源等化石燃料會產(chǎn)生大量CO2,CO2被公認(rèn)為溫室氣體的主要成分,因此溫室氣體是氣候變化的核心原因[11]。氣候變化已被確定為對地球上人類生存的威脅之一。在此基礎(chǔ)上,國際社會多個國家同意通過能源部門的脫碳來減緩氣候變化。此外,化石燃料的儲量也是有限的,因此我們需要使用替代燃料的能源供應(yīng)系統(tǒng)[6]。與其他能源相比,氫能是公認(rèn)的清潔能源,具有高效、安全可靠、可持續(xù)性等特點,因此,應(yīng)加強(qiáng)對氫氣的利用,以減少能源轉(zhuǎn)換對環(huán)境的有害影響。

3.3 熱力學(xué)分析

為了評價制氫系統(tǒng)技術(shù)的可行性和可能的改進(jìn),需要進(jìn)行熱力學(xué)效率分析。過程熱力學(xué)分析是化學(xué)熱力學(xué)的一個研究內(nèi)容。確定過程中有效能量損失的數(shù)量、分布及原因[11]。有效能量損失根據(jù)原因可分為放電損失和不可逆損失。因此,對于使用多樣化燃料的綜合能源系統(tǒng),熱力學(xué)效率分析是檢驗該系統(tǒng)在當(dāng)前社會發(fā)展中的必要評價。綜合能源系統(tǒng)的整體可持續(xù)性可以通過多維度的評價指標(biāo)來體現(xiàn)。

熱力學(xué)效率分析可以通過討論模擬結(jié)果和制氫過程的火用來評價制備清潔氫能源的熱力學(xué)效率[17]。根據(jù)得到的數(shù)據(jù),可以計算出各機(jī)組的火用損失和效率。在可再生能源轉(zhuǎn)化制氫過程中,造成火用破壞的主要原因是蒸發(fā)器溫度過高和氣化過程的不可逆性[19]。

可再生能源轉(zhuǎn)換過程熱力學(xué)分析中的火用評價方法是一種常用方法。它是能量最大程度轉(zhuǎn)化為有用功的部分,是轉(zhuǎn)化產(chǎn)物輸出火用與可再生能源輸入火用之比[4]。在氣化過程中,損失不僅包括物理變化和化學(xué)反應(yīng)引起的內(nèi)部損失,還包括一些外部損失?；鹩眯史治鰧η鍧崥淠茉崔D(zhuǎn)換過程至關(guān)重要。

4 前景和結(jié)論

可再生資源的轉(zhuǎn)化技術(shù)多種多樣,與目前水平相比,實際上呈跨越式增長。隨著各種能源主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,陸地和水生態(tài)環(huán)境的破壞也將給區(qū)域環(huán)境承載力帶來較大的壓力。因此,需要加強(qiáng)對可再生資源轉(zhuǎn)化過程的研究。有必要開發(fā)一些新興的可再生資源轉(zhuǎn)換技術(shù),與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換技術(shù)相比,這些技術(shù)具有更高的能源效率和更低的碳排放。其中,氫能是公認(rèn)的清潔能源。通過化工過程模擬軟件對可再生能源轉(zhuǎn)換制氫工藝進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化,不僅為產(chǎn)品產(chǎn)量的提高提供思路,也為環(huán)境保護(hù)提供洞見,合理利用可再生資源,減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。氫能是一種低碳、零碳的能源,正逐漸成為人們關(guān)注的焦點。21世紀(jì)以來,我國與美國,日本,加拿大,歐盟等多個大國共同提出了發(fā)展氫能能源的計劃,而我們已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了一定的成績,在未來很長一段時間內(nèi),我們將會是氫能技術(shù)與應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者,也是世界上最有希望走在世界前列的國家,也是最有希望走在氫能源的前面。

目前,國際上對新能源的研究已是刻不容緩,由于資源是有限的,而人們無時無刻都需要能量來維持生活,因此,尋求新的能量是必要的。由于礦物能源消耗的不斷增長,而其儲量卻在不斷下降,總有一天這些資源和能源會被消耗殆盡,因此,亟需研究一種不依賴礦物能源的、資源豐富的新型含能材料。氫氣就是其中的一種。

符號說明

CHP——熱電聯(lián)產(chǎn);

EI——設(shè)備投資;

RF——比率因子;

NFE——非化石能源;

SOFC——固體氧化物燃料電池;

TCI——總資本投資;

SOFC——高溫電解水蒸汽制氫技術(shù)。