面向能源转型的化石能源与可再生能源制氢技术进展

面向能源转型的化石能源与可再生能源制氢技术进展

刘志明

新疆立新能源股份有限公司

摘要：近年来,在我国工业化飞速发展的过程中,推进了各个领域的发展得到了前所未有的提高,与此同时能源的消耗也呈上升趋势增加。然而，氢能是来源丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源，正逐步成为未来能源绿色转型发展的重要载体之一，是现有能源形式的有益补充，也是未来能源体系的重要组成部分。基于此，本文就能源与动力工程系在制氢领域取得的基础研究和应用开发的系列成果。在可再生能源电解领域，依托风电制氢、光电化学分解水制氢、天然气制氢等技术缩减碱水电解能耗。发展制氢技术是氢能燃料电池产业的首要技术环节，有助于推进未来能源利用方式变革，是构建低碳、安全和高效现代能源体系的重要举措。

关键词：面向；能源转型；化石能源；可再生能源；制氢技术进展

引言

人类的发展与化石燃料息息相关，化石燃料的利用在短时间内带来了重大的技术进步，但同时也带来了诸多问题。氢能作为能源转换的桥梁，可以简洁高效又安全环保地实现能源的存储与利用，科学合理地选择制氢工艺路径，是将可再生能源转化为氢能的关键步骤。可再生能源制氢技术被认为是脱碳制氢关键过程，同时实现能源转换的一种有效方式。尽管这一技术朝着大规模推广和稳定发展的道路需要较长的时间和昂贵的成本，但氢的特性被证明这是一种值得冒险的选择。

1可再生能源发展现状

近年来，我国在可再生能源领域地位日益突显，逐渐成为推动全球能源结构转变的主角，作为“可再生能源第一大国”，风电、太阳能等可再生能源装机容量均列世界第一。截至2021年底，我国可再生能源装机容量为10.64亿千瓦，占全国发电总装机容量的44.76%，其中水电装机容量为3.91亿千瓦，风电装机容量为3.28亿千瓦，光伏发电装机容量为3.07亿千瓦，生物质发电装机容量为3798万千瓦。预计到2030年，我国光伏和风电装机规模将超过16亿千瓦，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右；到2060年，我国光伏和风电装机规模将超过50亿千瓦，非化石能源占一次能源消费比重将达到80%左右。虽然我国可再生能源发展成绩斐然，但是目前能源结构仍以化石燃料为主。2020年，我国化石燃料占一次能源需求85%左右，仅煤炭占比就达60%，导致我国成为世界最大的温室气体排放国，占全球温室气体排放总量的四分之一。为了切实推进并实现“3060”双碳目标，为我国经济高质量发展注入新动能，可再生能源规模化发展已迫在眉睫。

2面向能源转型的化石能源与可再生能源制氢技术进展

2.1风电制氢技术

风能也是一种被大力开发应用的可再生能源，相较于太阳能的利用，风能的随机性和不稳定性导致弃风率明显高于弃光率，截至2021年6月，全国弃风电量约126.4亿kW时，约占总发电量的3.6%。在国家和政府的指挥引导下以及氢能技术的持续性发展和不断突破，一些风电制氢综合示范项目先后落地，项目利用风力驱动产生电能，再通过电解水制氢技术生产氢气，最终输送至氢能应用终端。譬如，我国节能环保项目负责的国家863计划利用风电直接制氢，氢气用于燃料电池发电。之后，我国与国外合作建设了风电制氢项目，项目由风力发电、电解水制氢、氢气的应用组成，对风电消纳、氢气综合利用具有重要意义。

2.2光电化学分解水制氢技术

光电化学分解水制氢原理，即在太阳光照射的条件下，光阳极半导体受激发产生光生载流子，这一点与光催化分解水制氢类似，不同之处是光阳极产生的光生电子在外部偏压作用下，通过外电路流向对电极，与H+结合生成H2。其中光电化学分解水制氢系统核心部件为光电化学电池，含工作电极、辅助电极、参比电极、电解液和外部电路，其中工作电极即光阳极，一般使用半导体材料，辅助电极也称对电极，实验操作中常用Pt材料，参比电极一般使用Ag/AgCl，主要作用是协助光阳极正常工作。相比起光催化分解水制氢，光电化学分解水制取的H2和O2更易分离，并且，由于电极之间偏压的存在，电子空穴复合概率大大降低，提高了制氢效率。目前，对光电化学分解水制氢技术的研究主要集中于高效率、抗腐蚀、低成本的光电极材料及催化剂材料的研发方面。

2.3天然气制氢技术

天然气制氢虽然适用范围广,但是投资成本高、建设周期长、占地面积大、原料利用率低,工艺复杂,操作难度高,其催化剂5年左右就需要更换。在玻璃企业使用方面,目前还较少,根据玻璃用氢不能中断的特点,在用一套天然气制氢的同时,还需另用一套水电解制氢或氨分解工艺作为备用,这样一来更增大了初次投资。但其根本性的缺点有以下两个方面。首先,目前国内每年都会发生天然气荒,且是一个长期趋势。国内企业在燃料使用方面已经不能单单以天然气作为保障,还需备用液化天然气气化站、备用燃料油作为补充。市场上天然气价格也是节节走高,所以天然气制氢原料成本会越来越高,极端情况可能会出现无气可用。其次,天然气制氢其生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低,增加碳排放,因此通过此工艺制取的氢气被称为“蓝氢”。虽然可以通过利用碳捕获、利用与封存技术,把生产过程排放的二氧化碳进行捕获提纯,再投入到新的生产过程中进行循环再利用或封存,理论上能够实现二氧化碳的大规模捕集。但是现有技术捕集成本高,且目前来看社会总捕集与再利用完全不是一个体量。若打到地下做驱油和埋藏封存使用,驱油这个阶段也是一部分二氧化碳进到地里,还有一部分会跟着油出来,也不能做到完全的埋藏封存。

结语

中国能源结构受绿色低碳的消费理念影响，如今更倾向于能源消费方式变革，构建多元清洁的能源供应体系，氢能的技术革新及市场需求是调整能源结构的重要支点，随着环保要求的日益严格，氢气资源愈发被能源转型高度需要，当下对制氢方案的深入研究具有相当高的实用价值，为可再生能源制氢资源优化提供理论依据。氢能产业未来一段时间内应是以化石原料制氢为主导，多种可再生原料制氢方式并存的多元发展格局。随着新时代中国的能源发展，我国制氢技术将会取得显著成果，有力推动可再生能源制氢进一步完善，为中国经济社会持续健康发展提供有力支撑，也为维护世界能源安全、应对全球气候变化、促进世界经济增长做出积极贡献。

参考文献

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