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衣宝廉院士丨迎接电解水制氢储能高潮

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2020/7/24 15:30:17 我要投稿

北极星氢能网讯:前言:北极星氢能网获悉,衣宝廉院士在题为《迎接电解水制氢储能高潮》的演讲中提到:可再生能源电解水制氢可以解决可再生能源的波动性;并分析了目前3种电解水制氢技术的特点、难点及未来发展方向。

7月24日,中国石化邀请国内氢能领域顶级院士、专家进行研讨,召开“氢能发展战略研讨会”,中国工程院院士,中科院大连化物所研究员衣宝廉作题为《迎接电解水制氢储能高潮》的演讲。以下为嘉宾演讲水电解制氢储能相关部分内容:

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氢的制备技术路线

现在主要是要用绿氢,就是电解水制氢和副产氢。可再生能源电解水制氢可以解决可再生能源的波动性,特别是季节性的波动性,解决弃水、弃光、弃风的问题。可以替代石油用于汽车,可以替代天然气用于燃气轮机发电,也可以替代焦炭用于冶金工业。

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我国工业副产氢大概有近千万吨,每吨液氨弛放气约为150-250标方,氢含量60%左右,每吨甲醇驰放气量约780标方,氢气含量70%左右,每吨氯碱驰放气副产氢200-300方。

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我们对工业副产氢要采用精准脱氯,比如氯碱工业副产氢用于燃料电池车,就是把副产氢经过反应生成氯化氢就可以了。对合成氨工业释放气,要把碳脱净,其他的都可以不用脱。对焦炉释放气,它含有甲烷和碳氧化物,要全利用,需重整反应把甲烷变成轻氢气并净化,这个工艺比较复杂,要用变压器伏来进行净化。

我们国家在2018年2月11日由国家能源集团牵头数十家企业和科研机构共同发起的中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟(简称中国氢能联盟)正式成立。我国氢能联盟发布的白皮书预计:到2050年,氢能在中国能源体系中占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值将达到12万亿元,全国的加氢站达到一万座以上,交通运输、工业领域将实现氢能的普及应用,燃料电池车达到520万辆/年,固定式发电装置每年2万台套,燃料电池系统产能550台套/年。6000万吨氢利用,可减排约7亿吨二氧化碳。

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2

电解水制氢技术

现在有三类电解水制氢技术,比较成功的是碱水电解,还有就是质量交换膜的纯水电解,这个正在进行兆瓦级的工业实验,正在研发高温蒸汽电解。

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几种水电解技术特点,固体氧化物电耗最低,PEM正在进行兆瓦级工业性实验,可再生能源的功率变化适应性比较强,所以是现在各国未来的一个主力,目前的主力是电解水与碱水电解,但是对可再生能源变化的适应性比较低。

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碱性水电解工业比较成熟,现在成套的电解槽可以出售,我这里列的都是国外的电解槽,像Hydrogenics等等这些,我们国内有三家电解槽供应商,在武汉和苏州还有天津,我们就内三个厂家可以供应碱水电解。

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固体氧化物水电解正在研发,主要的特点是效率比较高,把液能可以变成氢能,但是目前还处在起步阶段。

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质子交换膜电解水制氢,这是我们所和燃料电池所一起研究的主攻方向,它的电解反应和碱水电解基本上一样的,阳极水分解变成氧气和氢,阴极产生氢气,阳极产生氧气,主反应是水变成氢和氧。这是电子槽的结构(PPT)。

PEM水电解特点:

1、隔膜比较薄,而且阳极和阴极和隔膜是结合在一起的,所以内阻比较小;

2、质子交换膜氢气渗透率比较低,所以产生的气体比较纯,可以达到99.999%,除了把水蒸气分离以后就是一个纯氢;

3、可在较高电流密度小于每平方米两个安培;3、SPE对输入功率变化响应比较快,适用于智能电网,可在更宽的部分负荷范围工作,安全性比较高。

4、使用纯水电解,腐蚀性比较低,性能比较稳定,现在已经有5万小时的运行数据,寿命可以达到8-10年。

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国际上能够提供PEM水电解槽的厂家,主要是美国的质子能公司、吉纳公司和德国西门子公司,电流密度越高,能耗越高。

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PEM还有一个要点成本比较高,主要原因第一个是双极板,氢的一侧可以用不锈钢,氧的一侧一定要用钛板,而且要改性。另外它的催化剂现在还是以贵金属涂层为主,所以这两部分的成本大概占了整个成本的70%左右,所以要想降低PEM水电解的成本,一定在极板、和催化剂上要有突破,催化剂是我们的强项,极板改性也是燃料电池经常用的,所以我们用这个工作是和燃料电池并行进行的。

电解槽的水池主要是极化,分为三类,欧姆极化、能差极化和化学极化,化学极化主要催化剂决定的,欧姆极化主要膜的厚薄决定,现在一般采用薄膜,和燃料电池是一样的,采用10微米左右的膜,能差极化主要在结构上要进行改进,这也是和燃料电池基本上并行的,所以我们做燃料电池的同时就做电解水。

3

电解水制氢的难点

1.高活性的析氧催化剂

做电解水第一个难题就是要开发高活性的析氧催化剂,我们有几代研究生做了这方面的工作,所以我们现在催化活性还是比较高的。

2.薄的质子交换膜

第二块是要有薄的质子交换膜,在这方面和燃料电池是完全一致的,要用增强的自由基淬灭交换膜,国际上最好的单位提供这个质子交换膜是美国的戈尔公司,所以燃料电池不管是丰田的还是韩国现代的都是用戈尔膜来做的,国内比较高性能的电堆也是用戈尔膜,我们已经在实验室做出和戈尔膜完全一致的膜,但是现在还没有产业化,只能是小批量的进行实验。

3.一体化的膜电极

另外做质子交换膜水电解还有一个比较难的技术问题,因为电解是析气过程,在电解过程当中如果催化层和膜接触不牢,会造成分层,达不到寿命要求。我们把催化层通过预喷涂过程能够做到紧密的结合而不分层,这是专利技术,就是要做一个一体化的膜电极。这是实验结果(PPT),膜和催化层,不采用这种技术电解就要分层,采用了这种技术就不分层。所以一定要和现在的燃料电池有所区别,要把膜和电极之间牢固结合,有一个过渡层。

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4.双极板对双极板来说,现在是靠一个不锈钢板和钛板,钛板上镀膜,激光焊接在一起解决。我们正在通过不锈钢板表面改性解决这个问题,这样用一块板可以大幅度降低成本。

如果说我们电解出来的氢气要直接的送到天然气管网当中,通过压力电解槽的工作压力要提高,所以对密封设计要有特殊的考虑,产生的氢气要达到60个大气压左右,我们现在已经做到了40个大气压,如果再提高一点我们就可以直接把电解产生的氢气不通过压缩送到天然气管道当中。

评价电解槽的指标还有一个就是一致性问题,因为一个电解槽是由几十个到上百个电解池构成的,所以各个电解池一致性要一致,要解决流体分配问题,要解决析气问题,把这些问题解决了电解槽的一致性就解决了。

我们已经完成了三代制氢机的研发,能耗达到国际先进水平,美国Hydrogenics在这部分每千瓦小时氢能耗是4.9,美国的Proton Onsite是4.6,我们现在密度稍低一点4.2,所以我们能耗还是比较好的。另外我们得了大连市一等奖,我们牵头制定了国际标准,已经发布了。

这是电解槽对功率变化的响应,可再生能源直接接到电解槽上功率是变化的,所以质子交换膜水电解膜对这个功能的变化响应很快,你要用碱水电解有做不到,要很长时间采用达到稳态。所以质子交换膜用可再生电解时候中间不需要稳压气。

我们已经中标了国网安徽六安兆瓦级氢能科技示范工程,另外和阳光电源和大连化物所成立了电解水制氢技术联合实验室,我们把我们的专利许可阳光电源做,另外阳光电源和我们成立了电解水制氢技术的联合实验室,主要是两方面,一个提高性能,一个是降低成本。

4

氢储运

下面我讲一下氢的储运。

氢的能量密度比较高,但是氢的体积能量密度是最低的,因为氢气很轻,所以氢能源作为能源载体最难点就在氢的储运。

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从国际上来看,氢的储存有液氢,把氢液化,但是氢一液化能量消耗比较高。还有高压氢瓶,现在电动汽车主要用高压储氢,原来可以用夜氢,特别发展重卡以后大概用液氢。另外还有储氢材料,最近国际国内都在搞的有机化合物储氢,比如说日本现在就从澳大利亚做成氢气,氢气和甲苯加氢之后运到日本,再脱氢变成甲苯和氢气,氢气就可以利用了,国内也在搞有机化合物储氢,这种储氢主要储氢量比较低,重量比能达到2%左右就好了。

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高压气瓶储氢有三型瓶和四型瓶,三型瓶我们已经国产化了,沈阳斯林达可以提供。四型瓶我们正在研究,现在在攻关瓶的组合阀,如果能成功我们就可以采用70兆瓦的加氢系统。

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氢的储运短期来讲可以用鱼雷车,200公里以内,每天运输10吨氢,每公司氢大概两三块钱,还是比较廉价的。要是采用储氢材料这个费用就比较高,因为储存量比较高。另外采用有机化合物储氢可以达到5-6%,它有一个好处,可以用原油的运输设备,到时候一个加氢、一个脱氢把氢进行运输,这也是国际研究的一个方向。

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我们提出一个解决氢长距离输送方法的建议。因为我们国家东北、西北和西南可再生能源比较丰富,东北和西北风能、太阳能比较丰富,西南水能非常丰富,所以我们就想利用西南、西北、东北丰富的水电与风电、太阳能来电解水制氢,把氢输送天然气管网,利用天然气管网把氢和天然气一起运到全国各地。

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国外现在正在做的是天然气当中氢的含量可以做到5-20%,输出去的管道要重新布设,用原先天然气管道比较费劲,内部还要加一个涂层。欧盟的计划就是在原先天然气管道的那块再并一个运输纯氢的管道,所以我们现在国内建议把氢送到天然气观望。在用氢的地方我们再把天然气里边当然可能有一点氢,用天然气重整来做氢,把氢进行净化以后再用,这样做长距离的运氢问题基本解决,电解水厂长距离做出来的氢储存不用考虑,直接通过天然气管网运输业不用考虑,在用户这里就是用天然气做氢,好处是二氧化碳不用分类、储存和掩埋,因为我是用氢气换天然气,这样做出来每公斤氢成本,包括加氢这一部分,送到加氢站里面进行加氢,每公斤我预计要小于40块钱,完全可以和燃油进行竞争。

所以这是我们国家解决长期输送氢气的一个有效方法,但是这之前要进行一个实验,输天然气的管道加入氢以后会产生哪些变化。因为氢加到天然气里边,对天然气的应用特性有改进作用,比如用含氢的天然气用于燃气轮机发电,二氧化碳氮氧物的排放大幅度下降,所以有好处。如果这种天然气用于家庭,也不用往里加发味剂,直接可以在房间里面加上氢的传感器,就知道家庭用天然气漏没用漏,因为天然气漏出来氢早就漏出来了,因为氢是非常容易检测的气体,因此我们建议国家尽快攻克用天然气管网输送氢气的问题,用户这部分进行天然气重整制氢,这个部分是比较成熟的,大小我们国家都有,不用开发,只要设计、建造就可以了。

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氢能源目前发展情况

以下为嘉宾演讲氢能形式方面内容:人类能源是一个逐渐的减碳过程,从木材、煤炭、石油、天然气到氢,这是逐渐来减碳的。我们国家的能源特点:贫油,2018年燃油消耗达到6亿多吨,对外依存度达70%。少气,2018年我国天然气进口超日本,对外依存度达到45.3%。为保证国家能源安全,减少对国际油和天然气的依赖,我国也要发展油、天然气的替代燃料——氢。

世界氢能协会预测到2050年:全球20%的二氧化碳减排可以通过用氢能完成,氢能消费将占全球能源的18%,氢能汽车将占全球车辆的25%,氢能产业将创造3000万个就业岗位,创造2.5万亿美元以上的市场价值。

选摘氢做能源载体的原因:

原因一,巴黎协定。

巴黎协定规定,在本世纪要小于2度。本世纪末要实现温室气体、二氧化碳零排放。2015年11月我国在巴黎气候大会承诺:2030年左右,国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60-65%,非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右。

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氢作为能源载体它有物质性、可储运,还可以作为贸易商品,潜在分布广,可以淡化地缘政治,所以氢作为能源载体是很好的。

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原因二,可再生能源高速发展。

可再生能源高速发展,但可再生能源时间上不均匀性,催生物理储能和电化学储能如抽水储能,各种电池储能的发展,但这些储能只能解决短时间的可再生能源的不均匀性,不能解决长时间如季节性的不均,还存在大量的弃风,弃光与弃水现象,如新疆2018年弃风达到24.6%。

为解决可再生能源长时间不均,选摘氢能,采用电解水制氢解决可再生能源的储存、再分配问题,提高可再生能源的利用率。据报道德国已制定氢能战略,成立由内阁任命的国家氢能委员会,投资90亿欧元促进氢能的生产与应用。德国在汉堡将建100MW的电解水厂,每小时可生产2吨即22000立方米的氢气。08.jpg

原因三,燃料电池技术的突破。

丰田在2014年12月15日正式宣布燃料电池车Mirai公开销售。同时丰田也宣布5680件燃料电池的专利可以无偿使用,到现在丰田已经销售未来车1万多辆,韩国现代也销售了1万多辆燃料电池出来。我们国家已经有6000多辆燃料电池的商用车在运行,主要是大巴和各种特种车。

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欧盟的氢能战略。

欧盟战略的核心是将可再生能源生产的氢用于工业、交通、发电、建筑等部门,具体计划是2020-2024年安装600万千瓦的可再生能源生产氢的电解槽,生产100万吨的氢。2025-2030年氢能成为能源系统的重要组成部分,电解槽容量提升到4000万千瓦,生产氢1000万吨。2031-2050年可再生制氢技术成熟,在所有难以去碳化领域大规模应用。欧盟委员会还成立了欧洲清洁氢能联盟,该联盟由企业家、官员、银行家组成,宗旨是对清洁氢能的需求和促进投资。

能源转型中氢能的作用。

第一,可以实现大规模、高效可再生能源的消纳;

第二,在不同行业和地区间进行能量再分配;

第三,充当能源缓冲载体提高能源系统韧性;

第四,降低交通运输过程中的碳排放;

第五,降低工业用能领域的碳排放;代替焦炭用于冶金工业降低碳排放,降低建筑采暖的碳排放。

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(以上内容北极星氢能网根据新华网、光明网直播整理,未经嘉宾审核)


原标题:衣宝廉院士丨迎接电解水制氢储能高潮

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氢是一种用途广泛、清洁、安全的能量载体,可以作为动力燃料或工业原料。氢能在能源转型中可以发挥实现大规模、高效的可再生能源消纳;在不同行业和地区间进行能量分配;充当能源缓冲载体以提高能源系统的韧性;降低交通运输、工业用能、建筑采暖过程中的碳排放等作用。目前,世界主要发达经济体,已经把氢能源的利用放到了一个战略的高度来对待。 欢迎和北极星氢能网团队一起,追寻氢能行业发展,关注能源变革未来。

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