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大连化物所俞红梅:可再生能源电解制氢与氢储能

北极星氢能网 来源:北极星储能网    2019/8/8 11:09:09 我要投稿

北极星氢能网讯:氢由于它运输的困难性,现场制氢应用是比较好的,而现场制氢最容易采纳的一个技术就是电解水制氢,最早是美国、日本都进行了小规模的电解制氢应用。每年可再生能源定性来讲我们国家的弃风弃光弃水还是挺严重的,如果用这些弃掉的电来生产氢,每年几百万吨。按照我们现在的加氢站来看,加氢站是氢利用的一个枢纽,我们看国外日本现在已经100多座了,德国现在是63座,美国现在是64座,今年的目标基本上德国和日本都要到100座,明年日本大概要160座。

— —中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅

8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“化学储能(氢储能)”分论坛上,中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅作“可再生能源电解制氢与氢储能”报告。

中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅

以下为发言实录:

中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅:各位老师,各位同学,各位业内专家,大家上午好!很高兴有这样一个机会跟我们储能界的同仁们讨论这样一个话题。

其实我们是做电化学工程的,原来我们参加电化学工程方面的研讨,跟储能有一定距离,燃料电池就是发电装置,燃料电池反过来以后就是电解制氢,我们燃料电池和制氢合在一起就是氢储能。

这是我今天跟大家汇报的提纲,三方面:1,氢储能,前面袁老师已经做了铺垫了,我就简单的讲一讲。2,电解水制氢的国际进展。3,我们所的电解制氢的状况。

前面几位老师都提到了,我们人类发展过程中是减碳加氢的过程,为什么这么说呢?从开始的钻木取火,全部是木头,里边有点没蒸发的水分,然后我们用的是煤炭,然后用的是石油、天然气,这样一个过程中碳的比例逐渐减少、氢的比例逐渐升高,我们现在看,碳如果到0以后是不是这个能源载体就有可能是氢,所以我们考虑这样一个问题。

随着经济发展,特别是我们中国的经济发展,二氧化碳排放越来越多,因为发展要耗能,因为目前用的能源载体和燃料是石油、天然气,碳的排放是一直在增加的,因此《巴黎协定》也好、《国际公约》也好,就趋向于能源转型,能源转型的需求来源于很多方面,电力供应、化石燃料、可再生能源的利用率,可再生能源的利用率刚才袁老师讲的,2018年新疆弃风24.6%,发展可再生能源有1/4不能用,我们怎么做这个事情。能源转型中如果我们把氢作为一个能源载体的话,考虑一下我们能用氢来做什么事情。第一个,氢其实不是一个新东西,它是元素周期表第一号元素,我们在学化学的时候氢是最简单的元素,实际上它在工业中有很多的用途,但是氢的来源不同。

最近几年随着全球的变暖,随着二氧化碳排放增加的情况下,有这样一个国际共识,就是说我们希望、人类希望把这个氢的使用量加大,含碳的燃料使用量降低。因此在2017年波恩气候大会上有一个共识,到2050年的时候预计氢能占人类总能耗的20%。我们做研究一直做氢相关的,至少在五年前我们这个行业发展的时候,还不敢说氢能占百分之几,去年我们国家的氢能联盟,就是国家能源集团牵头的能源联盟,估算了一下,到2050年氢能可能会占我国的能源总消耗的10%。在国际上2050年的能源消耗中,有1/5的氢消耗,可以做20%的贡献,就是说如果达到20%的氢能源消耗的话,可以把全球变暖的升温减缓0.4度,这也是不得了的事情。氢的用户在哪儿,除了传统的用户,可以给氢燃料电池车提供燃料,这个燃料电池车用纯氢,不用我们现在的汽油了,同时氢作为一个工业过程燃料,建筑过程中发电也可以来使用。国际理事会预计2050年氢的需求量是目前的10倍,我们现在传统工业上的制氢可能就不够了。

2050年的远景预计条件下,如果按照波恩气候大会的需求,可能要涨大概3倍以上,里面包括了发电、交通、建筑加热、工业用能、新的工业发展用氢。

氢能上升的导火索,就是2014年到2015年,日本丰田把氢燃料电池车终于产业化了,氢燃料电池这件事情实际上是一个很古老的事情,1839年英国人发明了氢燃料电池原理,经过170多年才产业化,这个产业化过程带来了整个氢行业的发展。实际上在氢燃料电池车产业化之前,日本首先进入市场的是小型家用燃料电池发电电站,日本家用发电已经达到30万台的市场拥有量,在建筑和家用发电氢燃料电池是走在前面的,然后是车。除了日本以外,韩国、加拿大、美国都有相应的燃料电池发电的用户。

所谓Power To Gas,从电到气,最先德国开始进行示范应用的。

氢由于它运输的困难性,现场制氢应用是比较好的,而现场制氢最容易采纳的一个技术就是电解水制氢,最早是美国、日本都进行了小规模的电解制氢应用。氢+二氧化碳合成燃料是非常好的概念,为什么这么说呢?因为二氧化碳排放在目前是不可避免,把二氧化碳捕捉回来加上氢以后我们就可以合成燃料,奥迪公司就做了氢+二氧化碳产油,这条路线氢来自于可再生能源发电+二氧化碳合成燃料。在兰州,用加氢的办法和二氧化碳来合成甲醇,这也是一个氢+二氧化碳的工业示范。

氢材料怎么运输,目前状况下,我们目前有现成的天然气管网,天然气管网里面我们不加任何处理就可以做到5%的氢气注入,就是说这个天然气管网可以容纳5%的氢气,如果天然气不足的情况下,如果能加进去5%的氢气,这样至少增加5%的供给量。美国国家实验室甚至在评估将15—20%的氢注入管道。

在工业特殊用途情况下,纯氢的管道输送也是有实际应用的。国内就有70公里和几十公里的纯氢管道,是百分之百的氢,就是里面不加天然气,如果100公里左右的铺设纯氢管道,纯氢的作用就可以充分发挥了。

这个就是欧盟对氢能未来的远景,欧盟预计整个能源消耗1/4,都有比较好的预期,包括二氧化碳的排放。这个图是美国氢能规模化的图,美国氢能规模化的核心就是制氢和储氢,它的能量来源就是风电、可再生能源,当然天然气也可以。电力不足的时候就用燃料电池发电。

今年6月份在日本东京G20会议之前国际能源署提出了七个建议、四个机会。七个建议,确立氢在长期能源战略把它商业化,要支持新的研发和政策,加强合作。四个机会,主要是说天然气管道、工业管口作为加氢输氢的枢纽进行储运,希望开通氢气贸易线。

按照目前来讲,全球氢气需求是这样一个途径。这是氢气产业的供给和需求的统计,这也是G20前国际能源署发布的数据。

目前我们从定性来讲,氢根据来源不同,国际能源署分成这样几个概念,分成灰氢,或者有人叫棕色氢,还有蓝氢、绿氢,什么叫灰氢?从煤炭来源的,叫灰氢或者棕氢。天然气就是相对干净一点的,少排一点二氧化碳,叫蓝色的氢。终级,我们将来2050年20%的能源消耗,我们当然不希望灰氢、也不希望有二氧化碳,希望绿氢,绿氢就是过程中没有二氧化碳排放的,即可再生能源发电,再电解制氢。

目前的成本,按目前的电网价格和制氢的工艺来看,国内的制氢成本最高应该说用电网电来电解质制氢,当然谁也不会这么土豪,用电网电,我们用可再生能源,最便宜的是煤制氢,但是煤制氢,国家能源集团正在用可再生能源制氢希望把煤制氢的灰氢降下来、把绿氢提上去。

每年可再生能源定性来讲我们国家的弃风弃光弃水还是挺严重的,如果用这些弃掉的电来生产氢,每年几百万吨。按照我们现在的加氢站来看,加氢站是氢利用的一个枢纽,我们看国外日本现在已经100多座了,德国现在是63座,美国现在是64座,今年的目标基本上德国和日本都要到100座,明年日本大概要160座。美国有一个特别的规定,今年美国的加氢站40%需要可再生能源制氢,而不是从天然气和煤来制氢,这是我们国内加氢站的现状,在建的、在用的情况。但是国内加氢站里面我们可以看,现在里面有几座是可再生能源制氢,结合风电、太阳能+电解水制氢的,其他的有很多槽车运输氢现场加氢的,特别在城市中心的地带,氢的运输就是至少在交通高峰的时候,由于氢的安全管辖,安全有一定的障碍。

这是我们国家自己现在多方面进行能源规划有这样几个用途,可再生能源制氢和氢应用,我们主要是对季节性可再生能源,利用它的电来发电制氢,制氢以后可以替代石油、替代天然气、替代焦炭。

电解水制氢的技术本身,刚刚王老师也提到了大概有三种,分别是现在最成熟的碱性水电解、纯水电解,未来的SO电解,成熟度来讲碱水制氢是最成熟的,我们国内有三四家公司做这个。目前考虑技术先进性来讲,PEM制氢可能是近期产业化技术的选择,从能耗、从成本来讲,可以考虑电源密度,目前碱水制氢大概是200毫安/平方米,PEM制氢这个单位是毫安/平方厘米,至少是碱水电解电流密度的大概5倍—10倍。这是PEM电解制氢技术的先进性,同时PEM电解可以适应可再生能源的波动特性。

国外的PEM电解水制氢和燃料电池几乎是并行的,最开始航天和水下,近期迅速产业化,这几个图都是今年的图,尤其是左上角这个图,所谓H2ONE,把燃料电池和电解水制氢放在一起,有太阳能的时候电解水制氢放在这里,没有太阳的时候应急的时候就用燃料电池发电,这个技术在日本已经运行了四五年,安全性、可靠性得到了进一步的验证。在大规模制氢方面,这个是日立造船,做2兆瓦以上的制氢,它的用途就是从可再生能源制氢,加二氧化碳制燃料,这个图是英国的ITM的3兆瓦的电解制氢,这个是1兆瓦的电解制氢。

国际来看有这样几个公司可以提供大规模的太阳能电解制氢的产品,国内我们和中船重工718所,分别做了大概几十千瓦左右的PEM电解制氢的技术开发。

最后说一下我们所的电解制氢技术,说到大连化物所,公众的第一反应是大连化物所做燃料电池,电解制氢实际上来源于可再生燃料电池,就是在特殊领域应用的时候,有太阳的时候电解水制氢,把水变成氢、氧存起来,没有太阳的时候变成燃料电池发电,电解制氢可以借用很多燃料电池方面的技术,但是PEM电解制氢有很多电化学问题需要单独来解决。

这是简单的原理,中间是质子交换膜,这边是纯水,纯水电解后生成氢气、氧气,这样带来生成的产品氢气、氧气的纯度高,可以高到4个9以上。这是PEM水电解池的结构,这样组合到一起就是一个电解池。

这里面关键的成本主要在于膜电极和双极板,因为这里面是在酸性电解质的条件下,因此酸性电解质条件下OER催化剂、HER催化剂都是要贵金属。同时双极板一般用钛,钛材料也比较贵。

关键材料有这样几个,高效的电催化剂,我们催化剂的担载量现在几毫克,要降低成本的话有很大的空间的。另外,质子交换膜,这个很关键。核心部件是膜电极,析气条件要做处理。薄层双极板技术,可以输出比较高的压力,做到几十公斤的话,对它的加工技术也是很高的要求。

整个电解池结构,目前做了几个兆帕,如果设计得当的话可达到几十个兆帕的输出,当然这里面消耗的代价是电,因此我们如果密封结构做好以后,可以把整个电解液做直接高压产氢的方式,对于后续的氢气运输和给燃料电池加注的时候,对氢气压缩机的要求就降低了许多。另外一个,和所有电化学电源类似的一个特点就是说,PEM电解制氢也需要高度均一性,因此要提供兆帕级以上的产品必须还是需要工业化的生产装置。

整个PEM制氢现在在我们实验室也做了几十千瓦,这是我们实测的数据,两侧的数据跟踪非常迅速,也可以跟可再生能源非常迅速,都是几秒钟的数据,PEM电解制氢和碱水电解制氢相比,欧盟选择了PEM制氢,原因是PEM可以快速跟进可再生能源的波动。

这个概括一下,是我们化物所做PEM制氢的进展,分别给中海油和国网都提供了样机,给国网可以做到3.5兆帕的输出,我们现在实验室正在做100千瓦的单堆。从技术来讲电解水制氢的核心专利,如果大家去搜的话可能有很多很多专利,不止这个数,但是我们筛选以后对它的制造和加工有作用的,其中一多半是日本的,然后欧美的,国内有一小部分。

目前PEM制氢储能这个技术已经到了国际标准的程度,从电堆方面,我们正在负责氢储能的PEM电解的国际标准。与此同时,日本东芝负责的是氢储能系统的,我们可以来推测,日本东芝为什么要负责氢储能的系统标准。

可再生能源PEM电解制氢,制的是绿色的氢给我们蓝色的星球。

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