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作为清洁能源,氢能被许多专家学者视为21世纪最具发展潜力的能源之一。主要原因在于,各国对于控制大气污染、降低温室气体排放的呼声日益高涨,为氢能发展提供了良好的舆论环境;而近年来可再生能源(风电、光伏发电等)的迅猛发展和电动汽车产业的兴起提高了市场对于氢能技术的预期。
年我国政府工作报告明确提出“推动充电、加氢等设施建设”。各地方政府密集出台氢能产业政策,已有四川、广东、北京、上海、天津等近20个省市动工氢能产业园,中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟已于年成立。“氢能社会”“未来能源”“基础能源”等概念层出不穷,氢能甚至被推到“未来能源终极形态”的高度。
另一方面,氢是一种常见的化工原料,无法从自然界直接获取,只能作为其他能源的载体,和电一样属于二次能源。氢能在生产、储运和应用等诸多环节存在产业链复杂、效率较低、技术门槛较高、经济性差等问题。急需从氢能技术的本源出发,结合我国能源资源、电力生产的特点及发展趋势,界定氢能在我国未来能源系统中的角色定位,理性引导氢能技术和产业发展。
本文将通过分析氢能产业链各环节技术特征,研究我国氢能未来大规模应用的可行性,初步探讨我国未来能源和电力发展的适宜模式,论证“再电气化”路径及相关问题。
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氢产业链概述
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.1氢的基本性质
氢气燃烧只产生水,因此被认为是最清洁、真正实现零排放的能源。但由于其二次能源的基本属性,氢气的清洁和环保性不应仅体现在最终被利用时,还要着眼于生产氢气的一次能源的来源以及氢气的制备、运输、存储和最终使用等环节,从全生命周期的角度来考察。这些环节都需要消耗能源资源,也可能会带来相应的污染物与温室气体排放。氢气的物性参数见表1。
虽然氢气的质量能量密度远高于常见的液化天然气(liquefiednaturalgas,LNG)和汽油等液体燃料,但常压下氢气的体积能量密度很低,需要压缩或液化,才有可能体现其质量能量密度高及在储运和使用方面的优势。氢气的高密度运输和储存需要大壁厚的容器或管道,通常用储氢密度衡量氢气在储存和运输时的效率与便利性。美国能源部提出的车载氢源的目标要求是:质量储氢密度和体积储氢密度分别为6%和60kg/m3。由于氢气的沸点低,深度压缩与液化能耗高,且氢气易于扩散和泄露,爆炸范围宽,同时氢分子还会渗入金属内部发生氢脆,影响容器和管道的安全性,因此,储存和使用氢气需要遵守严格的安全和技术规范,这会增加其使用成本。
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.2制氢技术
1.2.1煤气化制氢
目前,主要以煤或天然气等为原料来制取氢气,来源于化石燃料的氢气约占氢气总产量的95%。几种相对成熟的制氢技术见表2。我国是世界上氢气产量最大的国家之一,年产氢气量约万t,占世界氢总产量的1/3,并以煤气化制氢为主。在煤炭价格为元/t的情况下,煤制氢的成本约0.7元/m3。但是,此类技术需要结合CO2捕集和封存技术才能解决碳排放问题,因此不能作为氢能的长久来源。
1.2.2电解水制氢
电解水制氢被视为未来可应用于可再生能源消纳的主流技术,主要分为3类:碱性电解水制氢质子交换膜(protonexchangemembrane,PEM)电解水制氢和固态氧化物电解质(solidoxideelectrolyte,SOE)电解水制氢。目前,前2种技术发展已经比较成熟,SOE电解水制氢技术还处于研发示范阶段。
制氢装置在国内外均有商业化运行。其中,PEM电解水制氢装置成本较高,一般是碱性电解水装置的3倍左右3种电解装置的主要技术特点对比见表3。
从经济性考虑,目前碱性电解水制氢装置比较适合规模化可再生能源制氢。
为提高电解水效率,需提升电极材料性能,如降低电极的析氢和析氧过电位。虽然铂族金属的综合性能较优,但由于其成本过高,在实际应用中,通常采用铁族金属特别是镍基材料作为电极材料,高效率、低成本的电极材料仍待进一步开发。
目前,电解水制氢的主要问题是能耗高、效率低,关键技术的突破应集中在降低设备成本、提高电解槽的能源转化效率以及搭建集中式大规模生产系统等方面。
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.3储氢技术
氢气的储运是制约氢能大规模发展的瓶颈之一。常用的氢气储存方式主要有高压气态储氢、液态储氢和固态氢化物储氢等。3种技术概述及优缺点对比见表4。因为氢气的体积能量密度和沸点(–℃)低,其储存运输成本为等能量天然气的数倍。常用的氢气输运技术及特点对比见表5。
目前应用最广泛的高压气态储氢多采用25~35MPa的碳纤维复合钢瓶储运氢气。常见的压力等级为35MPa和70MPa。常温下,氢气在35MPa时密度约为23kg/m3,70MPa时约为38kg/m3。35MPa储氢瓶的质量储氢密度仅有5%。氢气压缩是耗能过程,根据压缩条件不同,能量损失10%左右。
液态氢的体积可减小到气态氢的1/左右,液态储氢需要配合深冷技术(低于–℃)。氢液化是高耗能过程,伴随30%~40%的能量损失,而且由于储存温度与室温温差大,液态氢的逸散损失也比较大,只适合大规模高密度的存储。
在一定温度压力条件下,金属可以大量吸收氢生成固态金属氢化物,如LaNi5H6、MgH2和NaAlH4,且该反应具有很好的可逆性。金属固态储氢花费的能量约是压缩方式(70MPa)的1/2,液化方式的1/5;体积能量密度比压缩和液化储存高约3倍,但质量能量密度较低。金属氢化物储存罐的重量是汽油罐的4倍左右,使其在运输方面受限。储氢材料目前价格较高,难以规模化应用,此外还存在使用寿命的问题。考虑到目前使用的储氢罐单体容量有限且其成本相对高昂(约85元/(kW·h)),储氢罐目前并不适用于大规模氢储能。
与压缩空气储能应用的情况类似,将高压气体压缩储存于地下盐洞中可以实现大规模储能。美国在得克萨斯州已验证了地下m处盐洞中万m3氢气的储存。该方案避免了使用高压金属容器,可大大降低氢的储存成本,是未来大规模储氢的可选方案,但受地质条件制约,难以大范围推广。
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.4氢能发电
燃料电池能将氢的化学能直接转化为电能,具有较高的能量转换效率,因此燃料电池发电是未来氢能利用的主流技术。根据工作温度和电解质的不同,燃料电池分为中低温条件下工作的质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)、碱性燃料电池(alkalinefuelcell,AFC)和磷酸燃料电池(phosphoricacidfuelcell,PAFC),此外还有在高温工况下工作的熔融碳酸盐燃料电池(moltencarbonatefuelcell,MCFC)和固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,SOFC)。据美国能源部发布的氢燃料电池技术比较,各种燃料电池的特性和应用场景见表6。
在氢能利用中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)可作为电动车上的移动电源而备受
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