文围绕制氢关键技术研究进展进行综述分析氢发展背景整理解读前国氢相关政策调研项国典型制氢项目氢产业链中制氢环节应现状关键技术原理进行梳理包括煤制氢醇类制氢电解水制氢技术原理电解槽结构数学模型分析灰氢绿氢转化重意义国绿氢 制取关键技术发展提供鉴参考
1 国氢产业发展现状
做碳达峰碳中工作力争2030年前国二氧化碳排放达峰值2060年前实现碳中国段时期重点务积极探索新型清洁源助促进国碳达峰碳中工作加速进行加快产业结构优化氢作种储量丰富热值高量密度源样绿色源誉21世纪终极源氢开发利受世界国高度重视美国日澳利亚等国已制定相关政策氢列国家源结构重组成部分国积极布局氢发展战略逐步完善氢政策体系
2016年国家发展改革委国家源局印发源技术革命创新行动计划(2016—2030 年)氢列15项源技术革命重点务生源制氢氢燃料电池技术创新作重点务生源电解水制氢氢产业新发展趋势弃风弃光弃水通制氢环节路线程度避免源浪费提高电解水制氢济性符合绿色源持续发展需求
2020年5月中中央颁布2020 年政府工作报告提出引导加氢燃料电池基础科研投入 鼓励源企业建立稳定便利低成氢供应体系制定国家顶层氢规划
2020年9月8日国家发展改革委科技部工业信息化部财政部4部委联合印发关扩战略性新兴产业投资 培育壮新增长点增长极指导意见意见指出加快新源发展加快制氢加氢设施建设着氢相关政策颁布完善国家鼓励支持批氢项目建设发展表1示
着国政策引导批氢项目落实施氢技术断突破产业体系逐步完善国氢领域发展已加速进入产业化阶段年工业积累中国已世界制氢国氢市场潜力巨中国年仅风力光伏水电等生源弃电约1000亿 kW·h电解制氢约200万t果富余弃掉源电解制氢会减少源浪费年国氢产业发展速度快覆盖广截2020年1月国已建成加氢站61座(图1)规划建加氢站84座蒙古辽宁山东河南湖北广东四川安徽等均分布
国氢产业存诸问题关键技术亟突破缺乏知识产权基础设施加强等文氢产业链制氢环节关键技术切入分析总结国外制氢技术现状结合国制氢领域亟解决问题 3 种流制氢工艺进行分析总结现技术优缺点氢未技术发展方进行展国氢产业发展提出建议期国氢产业发展提供指导
2 制氢关键技术
氢气制备技术工艺热化学制氢水电解制氢中热化学制氢技术化石源制氢化工原料制氢化石源制氢包括水煤气制氢天然气重整制氢等目前已进行工业生产技术相成熟量产出投入法制氢发电量转换效率低济性差传统源制氢非理想制氢技术化工原料制氢醇类裂解制氢醇类重整制氢甲醇水蒸气重整制氢水电解制氢法利光伏风电等新源电力电解水制氢种制氢方式零碳排放充分利三弃(弃风弃光弃水)源水解制氢降低制氢成实现绿氢生产重技术环节 氢领域投资重点领域
表2列出前阶段制氢技术出:化石源制氢技术然成熟度较高济性较碳排放量较违背氢作清洁源质适合长期发展生源电力电解水制氢技术成熟环保性碳排放少制氢成较高考虑采取三弃源制氢 幅降低制氢成制氢技术制氢原料制氢工艺
21 制氢原料
图2出目前全球制氢原料占流制氢方法济性图2a)出制氢原料中天然气广泛占达48 次醇类(占30)电解水较少占仅4
目前全球制氢技术流选择化石源制氢化工原料制氢化石源制氢化工原料制氢成较低(图2b))外清洁性效率高成低采天然气重整制氢具较利润空间采电解水制氢前制氢环节研究热点技术较成熟新型制氢法尚未应规模制氢
制氢原料占期国采化石源制氢工业副产氢+碳捕集利封存(carbon capture utilization and storageCCUS)技术(蓝氢)助力化石源制氢降低碳排放着国生源装机容量断增西北区出现量弃风弃光现象果够弃风弃光发电力电解水制氢(绿氢采风电光伏等生源电解水制氢)绿氢制取济性非常观长远着碳达峰碳中工作推进绿氢成氢应流选择
22 制氢工艺
现制氢方式图3示中:较成熟技术路线3种煤炭天然气等化石源重整制氢醇类裂解制氢技术代表化工原料高温分解重整制氢电解水制氢光解水生物质气化制氢等技术路线处实验开发阶段相关技术难突破尚未达规模化制氢需求
表3出典型制氢工艺中类源量转换效率碳排放量
表3出:然化石源制氢工艺成熟原料价格低廉会排放量温室气体环境造成污染环境成极高电解水制氢工艺碳排放符合绿色发展持续发展环保理念
221 化石源重整制氢
天然气制氢技术中蒸汽重整制氢较成熟 国外流制氢方式原理:先天然气进行预处理甲烷水蒸汽转化炉中反应生成氧化碳氢气等余热回收变换塔中氧化碳水蒸气反应生成二氧化碳氢气该技术天然气蒸汽转化技术基础实现变换塔中催化剂存条件控制反应温度 转化气中氧化碳水反应生成氢气二氧化碳反应式
目前国天然气重整制氢高温裂解制氢应型制氢工业天然气制氢程原料气燃料气需运输天然气制氢投资较高适合规模工业化生产般制氢规模5000m3h时选择天然气制氢工艺更济外天然气原料占制氢成70天然气价格决定氢价格重素国富煤缺油少气源特点制约着天然气制氢国实施
煤气化制氢工业规模制氢首选国流化石源制氢方法该制氢工艺通气化技术煤炭转化合成气(COCH4H2CO2N2 等)水煤气变换分离处理提取高纯度氢气制备合成氨甲醇液体燃料天然气等种产品原料广泛应石化钢铁等领域煤制氢技术路线成熟高效规模稳定制备前成低制氢方式
221 甲醇水蒸气重整制氢
甲醇水蒸气重整制氢甲醇水定温度压力催化剂作转化生成氢气二氧化碳少量氧化碳甲烷混合气体该方法产物中氢气体积分数甲醇制氢法中高甲醇水蒸气重整制氢具反应温度低产物氢气体积分数高氧化碳体积分数(<2)较甲醇分解制氢法低等优点目前开发甲醇制氢技术采甲醇水蒸气重整制氢工艺反应机理见式(3)工艺流程图4示甲醇水蒸汽重整制氢装置已广泛航空航天精细化工制药型石化特种玻璃特种钢铁等行业
223 电解水制氢
化石源重整制氢甲醇水蒸气重整制氢程均含碳化合物排出符合持续发展绿色发展环保理念电解水制氢程水电解生成氢气氧气含碳化合物排出绿色环保目前国正处源转型关键阶段生源(太阳风等)转化氢气者含氢燃料源载体助推进国源转型进程促进国源元化发展
生源电解水制氢技术路线图5示
图5中根电解质种类电解槽分碱性电解槽质子交换膜(proton exchange membranePEM)电解槽固体氧化电解槽(solid oxide electrolyzecellsSOEC)3种电解水制氢技术参数特点见表4
表4出:碱性电解水制氢技术目前市场化成熟制氢成低技术质子交换膜电解水制氢技术较成熟具宽范围运行电流密度更适应生源波动性国外发展重方国应加质子交换膜电解水制氢技术研发力度加强国外领先单位合作研发固体氧化物电解水制氢技术耗低量转换效率高电解水制氢技术国外学者Science发表文章指出固体氧化物电解槽动态电力输出工作会明显衰减固体氧化物电解水制氢技术实现规模低成氢气供应应重点关注提前进行技术专利布局
PEM电解槽例工作原理图6示
PEM电解槽膜电极组件(MEA)气体扩散层(GDL)带流道隔板(双极板)组成电解槽中水电解阳极产生氧气阴极产生氢气产生气体出口设置流量计典型碱性电解槽考虑温度影响UI特性曲线模型电解槽制氢量相关模型式(4)表示
通利生源发电弃水弃光弃风电力电解水制氢抑风力光伏等发电输出波动性减少源浪费解决弃电问题方面通远距离输运氢燃料生源资源丰富区高效转移负荷中心利氢气发电增强电网协调性性效解决生源供需存区域错配问题述整程清洁环保产生二氧化碳生源电解制氢成较高绿氢制取亟需生源电解水制氢技术进步攻关降低制氢成助力碳达峰碳中务推进
综合3种制氢技术:煤天然气制氢技术成熟尤煤制氢国具较成优势法制灰氢符合源低碳转型绿色发展需求电解水制氢技术制绿氢源效率高成较高济性较差3种制氢工艺技术水济性见表5
煤天然气制灰氢通CCUS技术转化蓝氢该技术国实现碳中目标技术组合重环着碳达峰碳中工作深入进行制氢领域面挑战实现碳碳中性(绿氢蓝氢)技术(目前通电解水制取绿氢代)技术更规模推广应进降低生产成产生济效益
3 结语
氢种理想新型源通风光等新源电力制氢氢燃料电池结合发电形成氢产业生态圈助保障国源安全加快构建清洁化低碳化氢供应体系国持续发展战略具重意义氢储作储系统新思路解决生源消纳力足新源网问题氢结合燃料电池发电氢全生命周期应关键技术环节氢气发电产出种直接济效益产品(纯氧)达量减少二氧化碳排放目具济效益环保效益
氢应前景广阔部分难题亟解决氢气扩散力强易燃易爆金属接触容易导致氢脆储存妥善解决氢储运问题氢安全高效关键外电解水制氢成较高基述问题提出建议:
1)应紧紧围绕氢制储运4环节着力建设完善氢体系加氢源电网互动性促进国源转型
2)明确氢发展定位予氢产业完善政策支持
3)力发展电解水制氢技术利弃风弃光弃水资源制取绿氢解决电解水制氢济性难题源浪费问题
4)力发展生源(风电太阳)氢气储结合促进氢储领域发展加速推进国碳达峰碳中工作
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