綠色氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

王宏鐸

(中石油吉林化工工程有限公司,吉林 吉林 132001)

為了應(yīng)對(duì)全球性溫室氣體排放,降低能源結(jié)構(gòu)對(duì)化石燃料的依賴,世界各國(guó)積極尋求可再生能源的發(fā)展上,以推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,同時(shí),減少對(duì)外部能源供應(yīng)的依賴。這些努力將導(dǎo)致綠色電力份額的增加和綠色氫的逐步引入?！疤歼_(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo),彰顯了我國(guó)對(duì)綠色低碳發(fā)展道路的堅(jiān)定意志和決策力。

氫能作為一種在全球范圍內(nèi)得到越來(lái)越多的認(rèn)可,對(duì)氫作為環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的能源儲(chǔ)存解決方案的興趣正在迅速增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)方法主要依賴于化石燃料,如天然氣和煤炭,這導(dǎo)致了大量的二氧化碳排放。根據(jù)不同的生產(chǎn)途徑以及產(chǎn)生二氧化碳排放量與顏色相關(guān)聯(lián)。生產(chǎn)氫氣二氧化碳排放為零時(shí)通常被定義為綠色氫能,例如,通過(guò)太陽(yáng)能和風(fēng)能電解水,產(chǎn)生氫氣,并且不產(chǎn)生二氧化碳排放,即為綠色氫能源。目前,最適合工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)是基于電解水技術(shù)。綠氫具有環(huán)保、可再生、儲(chǔ)能、整合和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力等多方面的優(yōu)勢(shì),隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的實(shí)現(xiàn),綠色氫能源有望在未來(lái)發(fā)揮更重要的作用,為可持續(xù)發(fā)展和減少碳排放做出貢獻(xiàn)[1-2]。

為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型以及雙碳目標(biāo),我國(guó)著力推進(jìn)綠色氫能源產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與規(guī)?；l(fā)展,提高氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,建設(shè)清潔、高效的氫能產(chǎn)業(yè)體系。本文基于我國(guó)綠色氫能在制備與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀,以期為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展提供思路參考。

1 綠色氫能生產(chǎn)技術(shù)

生物質(zhì)在我國(guó)儲(chǔ)存豐富,具有經(jīng)濟(jì)性,我國(guó)生物質(zhì)來(lái)源主要包括:木質(zhì)纖維素生物質(zhì)、農(nóng)業(yè)殘留物和能源作物,其內(nèi)部硫氧化物和氮氧化物含量較低,環(huán)境友好程度高,生物質(zhì)作為重要資源可以使用熱解和生物轉(zhuǎn)化等技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)燃料、電力發(fā)電合成,高附加值的精細(xì)化學(xué)品合成,生物質(zhì)可用于生產(chǎn)大量生物燃料,如生物柴油、合成氣、生物油、呋喃、生物乙醇或生物丁醇。熱解轉(zhuǎn)化生物質(zhì)可以通過(guò)調(diào)整升溫速率、壓力、溫度和反應(yīng)氣氛等操作條件,發(fā)生多重并行反應(yīng),制備有價(jià)值的熱能、液體燃料、固體和氣體燃料。目前生物質(zhì)在氣化、熱解以及液化制氫技術(shù)研究較為廣泛[3-4]。

1.1 生物質(zhì)熱解制備氫氣

生物質(zhì)氣化制備氫氣技術(shù)是一種可持續(xù)能源解決方案,它通過(guò)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣,并進(jìn)一步提取氫氣作為能源。這種技術(shù)具有很高的潛力,可以為能源行業(yè)提供綠色、可再生的替代品。

生物質(zhì)氣化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及到多個(gè)步驟和反應(yīng)。首先,生物質(zhì)材料,如木材、農(nóng)作物殘?jiān)驈U棄物,被送入氣化爐。在氣化爐中,生物質(zhì)在缺氧或部分氧氣的環(huán)境下被加熱,產(chǎn)生可燃?xì)怏w。在氣化過(guò)程中,生物質(zhì)發(fā)生熱解和氣化反應(yīng),生成合成氣,其中包含氫氣、一氧化碳和其他氣體組分。為了提高氫氣的產(chǎn)量和純度,一些關(guān)鍵參數(shù)需要調(diào)整和控制。首先是溫度,高溫有利于生物質(zhì)的熱解和氣化反應(yīng)。通常,氣化溫度在800～1 000 ℃之間。其次是氣化過(guò)程中的氣氛,如氧氣供應(yīng)和氣體流動(dòng)。這些參數(shù)的調(diào)整可以影響反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的組成。另一個(gè)關(guān)鍵因素是氣化劑的選擇。常用的氣化劑包括氧氣、水蒸氣和二氧化碳。氣化劑的選擇取決于所需的產(chǎn)物組成和用途。例如,如果希望獲得高濃度的氫氣,可以選擇使用水蒸氣作為氣化劑,因?yàn)樗鼤?huì)促使水蒸氣重整反應(yīng),產(chǎn)生更多的氫氣。在生物質(zhì)氣化過(guò)程中,生成的合成氣需要經(jīng)過(guò)一系列處理步驟來(lái)提取純度較高的氫氣。這些步驟通常包括氣體冷卻、凈化和氣體分離。冷卻過(guò)程有助于降低氣體溫度,并將其中的一些雜質(zhì)固定下來(lái)。凈化步驟用于去除殘留的固體顆粒、硫化物和其他雜質(zhì)。最后,氣體分離技術(shù),如膜分離或壓力摩擦吸附,可以用來(lái)分離氫氣和其他氣體組分,從而獲得高純度的氫氣[5]。

生物質(zhì)氣化制備氫氣技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。首先,生物質(zhì)作為可再生能源的來(lái)源廣泛且可持續(xù),有助于減少對(duì)化石燃料的依賴。其次,氫氣作為一種清潔能源,燃燒時(shí)只產(chǎn)生水蒸氣,不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體,對(duì)環(huán)境友好。此外,生物質(zhì)氣化技術(shù)還可以將農(nóng)業(yè)廢棄物和森林殘?jiān)壬镔|(zhì)資源充分利用,減少?gòu)U棄物的處理問(wèn)題。盡管生物質(zhì)氣化制備氫氣技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì),但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。其中之一是技術(shù)成本和經(jīng)濟(jì)可行性。氣化設(shè)備和氣體處理系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較高,進(jìn)一步的研究和技術(shù)發(fā)展可以降低成本并提高效率。此外,氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸也是一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)樗枰邏夯虻蜏貤l件下的特殊設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。盡管存在挑戰(zhàn),生物質(zhì)氣化制備氫氣技術(shù)在可持續(xù)能源領(lǐng)域具有巨大潛力。它為能源行業(yè)提供了一種可再生、環(huán)保的替代能源,有助于減少溫室氣體排放并推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和推廣應(yīng)用,我們可以期待生物質(zhì)氣化制備氫氣技術(shù)在未來(lái)發(fā)揮更重要的作用,并為可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1.2 生物質(zhì)熱解制備氫氣

生物質(zhì)熱解將生物質(zhì)在無(wú)氧條件下僅通過(guò)加熱轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品的最簡(jiǎn)單過(guò)程,是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)的過(guò)程,在不同溫度范圍內(nèi)的受控?zé)嵝?yīng)的影響下其產(chǎn)物分布也會(huì)變化熱解過(guò)程中的溫度和停留時(shí)間是關(guān)鍵的操作參數(shù)。根據(jù)熱解的過(guò)程條件,可以將其分為緩慢熱解、快速熱解和閃熱解。緩慢熱解用于制造生物炭,而快速熱解產(chǎn)生更多可凝結(jié)揮發(fā)物(生物油)。在緩慢熱解中,非凝結(jié)性氣體中的H2含量在低溫下相對(duì)較低,并在較高溫度下增加。在快速熱解中,H2的產(chǎn)量在較高溫度下相對(duì)較高,而使用催化劑可以進(jìn)一步增加產(chǎn)量。在較高溫度下,更高的加熱速率和較長(zhǎng)的停留時(shí)間有利于H2的產(chǎn)生。熱解的溫度范圍為400～800 ℃,壓力500 kPa。盡管熱解過(guò)程的主要目標(biāo)是生產(chǎn)生物油,但在高溫下進(jìn)行快速或閃蒸熱解,并配合適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間,可能會(huì)產(chǎn)生氫氣。在高溫條件下,生物質(zhì)中的碳水化合物會(huì)經(jīng)歷裂解反應(yīng),生成氣體、液體和固體產(chǎn)物?？焖倩蜷W蒸熱解是在極短的停留時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的,通常在幾秒鐘到幾分鐘之間。這種快速的熱解過(guò)程有助于最大限度地提高氫氣的產(chǎn)量。熱解過(guò)程中還可以通過(guò)添加催化劑來(lái)改善氫氣產(chǎn)率和選擇性。催化劑可以促進(jìn)碳水化合物的裂解和氫氣的生成,同時(shí)抑制副產(chǎn)物的生成。常用的催化劑包括Al2O3,CaO,Mo2C,FeO,MnO,Cr2O3,CuO,Na2CO3。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖蛢?yōu)化反應(yīng)條件,可以提高熱解過(guò)程中氫氣的產(chǎn)率和質(zhì)量。含有纖維素和半纖維素的生物質(zhì)比含有木質(zhì)素的生物質(zhì)更容易熱解,因?yàn)槟举|(zhì)素的活化能遠(yuǎn)高于纖維素和半纖維素。

生物質(zhì)熱解過(guò)程有多重反應(yīng)器類型可供選擇,固定床反應(yīng)器:固定床反應(yīng)器是操作最簡(jiǎn)單、處理不同生物質(zhì)最靈活的一種配置。它由一個(gè)固定的床層組成,生物質(zhì)顆粒在床層中進(jìn)行熱解和重整反應(yīng)。然而,固定床反應(yīng)器產(chǎn)生的生產(chǎn)氣中的氫氣含量較低,同時(shí)也容易受到焦油的污染。此外,生物炭在催化劑表面的沉積會(huì)影響后續(xù)重整過(guò)程的性能。流化床反應(yīng)器:流化床反應(yīng)器通過(guò)將氣體或液體介質(zhì)以足夠速度通過(guò)床層,使床層顆粒懸浮在氣流或液流中,形成流化狀態(tài)。流化床反應(yīng)器具有更高的氣固接觸,這提高了傳熱和轉(zhuǎn)化速率。因此,相對(duì)于固定床反應(yīng)器,流化床反應(yīng)器能夠提供更高的氫氣產(chǎn)量。后續(xù)的蒸汽重整通常在固定床或流化床中進(jìn)行。循環(huán)流化床反應(yīng)器:循環(huán)流化床反應(yīng)器是一種特殊的流化床反應(yīng)器,它通過(guò)將床層內(nèi)的固體顆粒循環(huán)回到床層頂部來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程。這種配置可以進(jìn)一步改善氣固接觸,增強(qiáng)傳熱和轉(zhuǎn)化效率。氣泡流化床反應(yīng)器:氣泡流化床反應(yīng)器通過(guò)在床層底部引入氣體來(lái)形成氣泡,并使床層顆粒在氣泡的作用下懸浮和流動(dòng)。這種配置適用于一些具有較小顆粒尺寸的生物質(zhì)。噴射床反應(yīng)器:噴射床反應(yīng)器是一種特殊的流化床反應(yīng)器,它通過(guò)高速氣體射流將床層顆粒從反應(yīng)器底部拋起并懸浮在氣流中。這種配置可以實(shí)現(xiàn)更高的氣固接觸和更快的傳熱速率[6]。

研究顯示生物質(zhì)慢熱解并不適合用于氫氣生產(chǎn),因此更需要關(guān)注快速的熱解催化劑的開發(fā),以實(shí)現(xiàn)高效的氫氣產(chǎn)生。為了進(jìn)一步推動(dòng)氫氣生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,一些新的熱解技術(shù)也應(yīng)該得到更多地探索。例如,等離子體熱解和微波熱解等新技術(shù)被認(rèn)為具有潛力,可以提高氫氣產(chǎn)量和質(zhì)量。將生物質(zhì)熱解與生物煉制概念相結(jié)合,可能是一個(gè)經(jīng)濟(jì)突破的概念。通過(guò)熱解生物質(zhì)獲得的生物油可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣。此外,將氣化系統(tǒng)與熱解裝置整合在一起,有助于將生物油有效地轉(zhuǎn)化為氫氣。然而,與氣化相比,在低溫但無(wú)焦油的條件下進(jìn)行的慢熱解的氫氣產(chǎn)量相對(duì)較低。對(duì)于100 g生物質(zhì),氫氣產(chǎn)量?jī)H為5～10 g。盡管如此,這種熱解過(guò)程仍然具有重要的價(jià)值,因?yàn)樗梢蕴峁┛稍偕臍錃赓Y源,為清潔能源的生產(chǎn)和使用做出貢獻(xiàn)。在整個(gè)生物質(zhì)熱解制備氫氣過(guò)程中,生物油的熱解是獲得氫氣最重要的步驟之一。與在較低溫度下操作的氣化相比,熱解過(guò)程需要消耗更多的能量。因此,有必要進(jìn)行過(guò)程集成,例如將熱解過(guò)程與聯(lián)合發(fā)電或聯(lián)合供熱和制冷項(xiàng)目相結(jié)合,以提高能源利用效率。

總結(jié)而言,生物質(zhì)熱解制備氫氣技術(shù)具有廣闊的前景。通過(guò)開發(fā)更穩(wěn)定的催化劑,探索新的熱解技術(shù),并實(shí)現(xiàn)生物煉制的概念,我們可以實(shí)現(xiàn)更高效、清潔和可持續(xù)的氫氣生產(chǎn),為能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)做出重要貢獻(xiàn)。

1.3 電解水制氫技術(shù)

電解制氫技術(shù)是一種利用電能將水分解為氫氣和氧氣的過(guò)程。它被認(rèn)為是一種可持續(xù)的氫能生產(chǎn)方法,因?yàn)殡娔芸梢酝ㄟ^(guò)多種可再生能源,如太陽(yáng)能和風(fēng)能來(lái)提供。以下是電解制氫技術(shù)的現(xiàn)狀。

目前,電解制氫技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展,并在許多領(lǐng)域顯示出潛力。主要的電解制氫技術(shù)包括堿性電解、酸性電解和固體氧化物電解。

堿性電解是最成熟和商業(yè)化程度最高的一種技術(shù)。它使用堿性電解質(zhì)溶液,如氫氧化鉀或氫氧化鈉,作為電解質(zhì)。堿性電解具有高效率和較低的操作溫度,同時(shí)具備較低的成本和較長(zhǎng)的壽命。這種技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,例如氫氣生產(chǎn)、氨的制造以及石油加工等。酸性電解是另一種重要的電解制氫技術(shù)。它使用酸性電解質(zhì)溶液,如硫酸或鹽酸。相較于堿性電解,酸性電解具有更高的電解效率和較高的電流密度,但操作溫度較高。近年來(lái),酸性電解技術(shù)在研究和開發(fā)中取得了重要突破,如采用新型催化劑和膜材料,以提高效率和降低成本。固體氧化物電解是一種高溫電解技術(shù),使用固體氧化物作為電解質(zhì)。固體氧化物電解具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和較高的電流密度,但需要較高的操作溫度。這種技術(shù)主要用于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)和集成能源系統(tǒng)。盡管固體氧化物電解技術(shù)的商業(yè)化程度相對(duì)較低,但它在能源存儲(chǔ)和能源轉(zhuǎn)換方面具有巨大的潛力。

電解制氫技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊。隨著可再生能源的不斷發(fā)展和普及,電解制氫技術(shù)有望成為儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。它可以將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣,實(shí)現(xiàn)能源的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和可再生能源的平穩(wěn)供應(yīng)。此外,電解制氫技術(shù)還可以用于工業(yè)氫氣生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、燃料電池等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和成本的降低,電解制氫技術(shù)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更廣泛的商業(yè)應(yīng)用,并為可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。此外,電解制氫技術(shù)還在能源轉(zhuǎn)型和碳減排方面扮演著重要的角色。隨著全球?qū)p少溫室氣體排放和應(yīng)對(duì)氣候變化的迫切需求,電解制氫技術(shù)被視為一種清潔能源解決方案。通過(guò)使用可再生能源來(lái)供應(yīng)電解制氫過(guò)程所需的電能,可以實(shí)現(xiàn)零排放的氫氣生產(chǎn)。這種可再生氫氣可以用于取代傳統(tǒng)的化石燃料,用于電力生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、工業(yè)加工等領(lǐng)域,從而減少了溫室氣體的排放和環(huán)境污染[7]。

在交通領(lǐng)域,電動(dòng)汽車配備氫燃料電池系統(tǒng)成為一個(gè)具有潛力的選擇。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比,氫燃料電池車輛具有更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更短的加氫時(shí)間,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)零排放。電解制氫技術(shù)為這些氫燃料電池車輛提供了可持續(xù)的氫氣供應(yīng),為推動(dòng)交通領(lǐng)域的清潔能源轉(zhuǎn)型提供了支持。此外,電解制氫技術(shù)還可以結(jié)合其他工業(yè)過(guò)程,如鋼鐵和化學(xué)工業(yè)。傳統(tǒng)的工業(yè)過(guò)程通常依賴于高碳排放的燃料,而電解制氫技術(shù)可以提供清潔的氫氣作為替代燃料,從而降低碳排放。這為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化和可持續(xù)發(fā)展提供了新的選擇。

盡管電解制氫技術(shù)在可持續(xù)能源領(lǐng)域具有巨大的潛力,但仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中之一是成本問(wèn)題。目前,電解制氫技術(shù)的設(shè)備和運(yùn)營(yíng)成本較高,限制了其廣泛應(yīng)用。然而,隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)成本將逐漸下降。此外,建設(shè)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施也是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于氫氣的低密度和高易燃性,需要建立安全可靠的氫氣儲(chǔ)存和分配系統(tǒng)。這需要制定相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),并投資于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

綜上所述,電解制氫技術(shù)在可持續(xù)能源領(lǐng)域具有巨大的潛力,并具備廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)利用可再生能源進(jìn)行氫氣生產(chǎn),可以實(shí)現(xiàn)碳減排和能源轉(zhuǎn)型。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低,電解制氫技術(shù)有望在未來(lái)成為一個(gè)重要的能源解決方案,為建設(shè)清潔、可持續(xù)的能源未來(lái)做出貢獻(xiàn)。

2 結(jié)論

綠氫制備技術(shù)作為可持續(xù)能源領(lǐng)域的重要組成部分,具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景和潛力。隨著全球?qū)p少溫室氣體排放和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的需求日益增長(zhǎng),綠氫制備技術(shù)有望在未來(lái)發(fā)揮重要作用。綠氫制備技術(shù)可以為能源存儲(chǔ)和能源轉(zhuǎn)換提供可行的解決方案。由于可再生能源的間歇性和不可控性,能源存儲(chǔ)成為實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。綠氫制備技術(shù)可以利用多種可再生能源,如太陽(yáng)能和風(fēng)能,將其轉(zhuǎn)化為氫氣,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)存和平穩(wěn)供應(yīng)。這為能源系統(tǒng)的可靠性和靈活性提供了支持,促進(jìn)了可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。綠氫制備技術(shù)還可以用于工業(yè)領(lǐng)域的碳減排。許多傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程依賴于高碳排放的燃料,導(dǎo)致環(huán)境污染和氣候變化。通過(guò)使用綠氫替代傳統(tǒng)燃料,可以降低碳排放,實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的低碳化和可持續(xù)發(fā)展。然而,綠氫制備技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)。成本是其中一個(gè)重要的因素,目前綠氫的生產(chǎn)成本較高。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的實(shí)現(xiàn),預(yù)計(jì)綠氫的成本將逐漸下降,使其更具競(jìng)爭(zhēng)力。總的來(lái)說(shuō),綠氫制備技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型和碳減排方面具有重要的應(yīng)用發(fā)展前景。隨著可再生能源的不斷發(fā)展和綠氫制備技術(shù)的進(jìn)一步成熟,綠氫有望成為一個(gè)重要的能源解決方案,為建設(shè)清潔、可持續(xù)的能源未來(lái)做出重要貢獻(xiàn)。