作者:李惠钰 来源:中国科学报 发布时间:2020/11/13 20:30:03
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可再生能源电解水制氢:“氢能经济”理想路径

 

犀牛虽体型笨重、反应迟缓,可一旦它向你狂奔而来,便会使你猝不及防。氢能就被认为最有可能成为新能源革命的“犀牛”。而要想养肥这头“犀牛”,如何实现规模化工业制氢就成为能源界关注的焦点。

实际上,包括海水在内的水资源就是地球上最大的“氢矿”,电解水制氢被认为是制备氢气的有效方法。而针对可再生能源面临的时空波动性和并网困难等问题,利用光伏发电、风电和水电等可再生能源大规模制备氢气被认为是一条理想途径。

但受现有电解水制氢技术的制约,实施上述途径面临诸多挑战。如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一?被列为2020年重大工程技术难题之一。

最大优势是产生“绿氢”

氢不但可以直接作为能源使用,在石化工业中也有着重要的用途,被誉为未来世界能源架构的核心。中国科学院院士、中国石油勘探开发研究院副院长邹才能表示,中国是全球最大的新能源消费国,2018年消费量4.8亿吨油当量,占世界总消费量的23%。利用新能源规模化低成本电解水制氢,将是未来氢能产业发展的战略方向。

然而,目前商用氢气96%以上是从化石燃料中制取,伴随制氢会排放大量CO2,这类氢气也被称为“黑氢”。而可再生能源电解水制氢最大的优势是可以达到“零碳排放”,产生的氢为“绿氢”。

中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿告诉《中国科学报》,利用可再生能源规模化电解水制取“绿氢”,一方面可极大地消除氢气生产过程中的碳排放问题,构建真正洁净的新型能源体系;另一方面可将间歇、不稳定的可再生能源转化储存为化学能,实现持续稳定的能源供给。

而为了实现《巴黎协定》规定的将气候变暖限制在2℃以下这一目标,就需要在2050年在全世界实现净零碳排放。通过利用可再生能源制取“绿氢”,构建零碳排放的能源利用体系,在业内看来,这所带来的生态环境和经济效益是难以估量的。

“目前,可再生能源电解水制氢产能规模已经从每小时几十方提升到上千方,可以逐步满足规模化工业需求。而随着电催剂技术的进步,能量转换效率还将大幅提升。”李灿告诉记者,传统工业电解水装置能量效率约50%~70%,最新技术已将工业电解水的能量转化效率进一步提高到80%以上。

三大要素缺一不可

要想实现减排污染物和二氧化碳的初衷,就需要发展绿色氢能并实现工业化应用,工业化应用的前提就是“大规模”。在李灿看来,由于现行工业设备单台制氢规模较小、制氢效率低、投资成本高,“规模化”就成为工业化电解水制氢的必要条件。

而在规模化条件下提高效率是一大挑战。“由于‘绿氢’与‘黑氢’的商业化竞争在于制氢成本,成本又与电解水制氢的效率和耗电量直接相关,这就需要研发更高活性的电催化剂技术。因为只有实现‘低能耗’制氢,‘绿氢’才能被市场所接受。”李灿说。

不仅如此,可再生能源的间歇特性,对电解水制氢催化剂及其系统技术也提出了更为严苛的稳定性要求,因为需要在间歇变化的条件下仍能稳定工作,才能实现“低能耗”“规模化”生产绿氢。所以,在李灿看来,对于可再生能源规模化电解水制氢,“大规模”“低能耗”和“高稳定性”三大要素缺一不可。

李灿指出,要想实现这三者的统一,就需要研发新型电极催化技术、先进的隔膜和电解槽组件技术及其系统工程技术,才能克服电解水电极催化剂活性低、能量转化效率低等关键技术问题。具体如:在低电压下增大产氢电流密度、降低制氢能耗;提升稳定性、扩大单体设备制氢规模等,都是需要克服的工程技术难题。

值得关注的是,目前,电解水制氢均采用纯度较高的淡水为原料,若全球需氢量剧增,用丰富的海水资源直接制备氢气也被工业界十分看好。在李灿看来,电解海水同样必须实现“大规模”“低能耗”和“高稳定性”,才能实现工业化应用。目前,淡水条件下的电解水技术将为海水电解水制氢奠定基础,从技术发展的态势看,实现海水电解水制氢势在必行,技术上也完全可行。

邹才能评价道,聚焦可再生能源“大规模”“低能耗”“高稳定性”电解水制氢,实现可再生能源消纳与电解水制氢结合,对构建“清洁低碳、安全高效”能源体系,形成氢气工业体系,建设“氢能中国”,保障国家能源安全具有重大意义。

 
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