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蔣利軍:氫能的開發與應用

2019-01-11 18:02  來源: 民主與科學  瀏覽:  

氫能是潔凈的二次能源,其來源廣泛,可存可輸,應用多樣。自然界中,氫存在于水、化石燃料和生物質當中,當輸入一定能源后,可從這些物質中提取出氫。近年來,全球可再生能源發展迅速,但由于其在時間和地理上的分布不均衡,產生的波動大,因此造成上網難,如何大規模消納成為制約可再生能源規模化發展的瓶頸。2016年,我國棄風電量達497億千瓦時,棄風、棄光、棄水總量超過800億千瓦時,相當于整個三峽水電站一年的發電量,十分可惜。因此,發展合適的儲能技術迫在眉睫。

氫能是大規模儲存可再生能源的重要途徑。氫適合各種規模的儲能,在儲存過程中無能量損失,可跨季度儲存。例如,可以在風電資源豐富的時候,將剩余風電轉化為氫儲存起來,等到枯風期使用,這樣可以實現全年的可再生能源供電。風電轉變為氫后,還有另外一個優勢,就是終端利用靈活,氫既可以作為化工原料和工業氣體,還可用于分布式發電和燃料電池汽車的氫源,還可直接摻入天然氣管網作為居民燃氣等。從這個角度說,氫能作為二次能源,可以成為連接化石能源和可再生能源的橋梁,將熱力網、電力網和燃料供應網連于一體,使化石能源應用更清潔,使可再生能源應用更高效。

制氫方法

目前,比較成熟的制氫方法有堿性電解水、水煤氣和重整制氫等方法。與此同時,新型電解水制氫方法正在研發當中,如固體聚合物電解質電解水制氫技術(簡稱SPE)和固體氧化物電解水制氫技術(簡稱SOEC)。SPE技術可以實現純水的電解,其功率波動適應范圍廣,能效比堿性電解水高。但電解水制氫首先需將其他能源轉換為電能,然后再制氫,多了一次能量轉換環節,因而其總的能量轉換效率偏低。理想的方法是直接從太陽能出發,直接熱分解水制氫,或直接光分解水制氫,其總效能會更高。從生物質出發,發展生物質氣化制氫、微生物制氫也是比較有前途的制氫方法。

直接熱分解水制氫,須達3000℃的高溫,溫度太高,因而目前一般采用熱化學制氫,降低對溫度的要求。碘硫法熱化學制氫是一種新型的制氫方法,它可以與適當熱源耦合,制取氫氣。例如,清華大學利用高溫氣冷堆的副產品熱能直接制氫,目前的制氫能力達到1m³/h。同樣,這樣的熱源也可以來自聚焦的太陽能。但是這項技術最大的難點在于反應過程的穩定控制,同時硫酸和碘具有強腐蝕性,對容器、管道和閥件材料的耐蝕性要求非常高。

光催化分解水制氫是利用光對催化劑的作用,將電子從價帶躍遷到導帶,產生電子空穴對,水在這種電子空穴對的作用下發生電離,氫氧根成為氧氣的來源,氫離子得到電子,還原成氫,實現了氫氣的制備。但電子和空穴對在遷移過程中會部分復合,同時氫和氧也會在催化劑表面部分復合,從而降低制氫的效率。我們目前的技術就是在增加光的吸收,減少電子和空穴對復合及氫氧的復合上取得進展,獲得了整體效率的提高。目前,這項技術的光-氫轉化效率可以達到6%,按照美國能源部轉化率達到10%即具有工業價值的說法,這項技術還是很有發展前景的。

儲氫

氫能系統包含制氫、儲氫和氫能應用三個環節,其中儲氫技術依然是目前整個氫能發展中的瓶頸。例如,滿足一個中型燃料電池轎車500公里的運行需求,約需6公斤氫作為燃料,在標準狀態下,這些氫氣的體積與車身的體積相當。由于體積過大,不能滿足應用,因此需提高氫的儲存密度。理想的儲氫方式不僅要求高儲氫密度,而且要求快速吸/放氫,在3~5分鐘內完成車載充氫。同時還要求使用壽命長、安全性能好、價格成本低。

儲氫有三種方式:高壓儲氫、液態儲氫和固態儲氫。目前,70兆帕下的高壓儲氫技術已經在燃料電池汽車中廣泛使用,但這只是氫能商業化進程中的一個過渡性技術。液氫已在航天技術中成功使用,它可以同時滿足重量和體積儲氫密度的要求,但問題在于氫液化過程約耗費氫自身攜帶能量的30%,同時存在液氫蒸發的安全隱患。固態儲氫的體積儲氫密度最高,約合150㎏/m³,但目前其重量儲氫密度偏低、儲罐過重給直接上車帶來困難。目前高壓車載儲氫技術已能滿足燃料電池汽車行駛500公里的要求,但仍需降低成本,提高儲氫密度。

我國儲氫技術發展

從整體來看,我國儲氫技術的發展還有很長的路要走。輕質是車載移動儲氫的前提,我國目前以鋰鎂氮氫氨基化合物為儲氫材料,開發出輕質且高容量的儲氫罐,與國際同類型儲氫罐相比,具有一定優勢。作為固定式應用,加氫站對儲氫罐重量的要求相對較低,固態儲氫用于此處較為適宜。從美國加氫站的情況來看,采用高壓式加氫技術,壓縮機的故障率最高。為此,我們研制出一種新型加氫站用固態高壓混合儲氫罐,集靜態壓縮和高密度儲氫于一身,通過低品位熱源的作用,可使其持續保持45MPa的高壓,為35MPa氫罐充氫,從而減少壓縮機的開啟頻率,降低壓縮機的故障率;當室溫儲存時,罐內氫壓降低從而提高了儲罐的安全性;此外,罐內儲氫密度比同等體積的高壓罐高一倍,因而可以減少加氫站的占地面積,縮短加氫站的安全距離。固態儲氫在燃料電池分布式發電、備用電源用儲氫裝置、非穩定風/氫轉化用儲氫和太陽能集熱/氫化物儲熱中均有一定應用。

燃料電池是氫能應用的一種重要方式

來自環境污染和能源緊缺的壓力,倒逼兩個轉變:一是汽車產業由燃油動力向氫動力的轉變;二是供能模式由集中式向分布式供能的轉變。在這種形勢下,燃料電池技術的顯著進步,推動了燃料電池汽車產業和分布式電站產業的興起。從全球來看,燃料電池市場快速成長,一部分市場來自汽車,另一部分來自分布式發電。燃料電池汽車只排放水,不會帶來環境污染,目前世界各大汽車公司都在開展燃料電池汽車的研發。除此之外,燃料電池還可以應用在潛艇、深海空間站和無人機等方面。

為燃料電池汽車配套的加氫站也在迅速發展中。目前,全球在運行的加氫站有274個,其中日本有92個,占據總量的1/3,在西歐、北美、日本等發達國家和地區,已經初步形成加氫站網絡。

氫能研發已經得到世界各國的重視。我國近年來通過三個五年計劃的支持,已經形成以大學和研究所為主的研發體系,包括制氫、儲氫、輸氫及安全、燃料電池、標準等研發。目前,我國已經具備良好的制氫和儲氫工業基礎,煤制氫及變壓吸附純化等技術處于國際先進水平,燃料電池產業鏈已經初具雛形。

但是從整體講,我國氫能還是處于世界第二方陣,與國外先進水平相比還有差距。我國燃料電池的關鍵材料、氫氣循環泵等設備還依賴進口,燃料電池可靠性亟待提高,在氫氣泄露和爆炸等安全研究方面還有很多空白。

為此,對我國氫能發展提出一些建議:以應用為導向,以系統集成為主線,盡快形成可靠的終端產品,再逐次解決材料和部件全部自供問題;以企業為主導,以產品為目標,以資本為紐帶,集中國內優勢單位,建立協同創新聯盟,上下游密切結合,資源共享,快速研發;燃料電池汽車和分布式電站應同步發展,汽車先商用車后乘用車,分布式發電與可再生能源微網應密切結合,先供偏遠地區后供城市;加氫站應首先定位于“可自我持續運行”上,在初期示范車輛不足情況下,宜建混合站,以油養氫,以氣養氫;開展棄風(光)制氫、天然氣管網摻氫輸氫技術可行性和標準預先研究。

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