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靠可再生能源養(yǎng)肥“氫犀牛”

   2020-12-09 中國科學(xué)報(bào)

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核心提示:犀牛雖體形笨重、反應(yīng)遲緩,可一旦向你狂奔而來,會(huì)讓你猝不及防。氫能就被認(rèn)為最有可能成為新能源革命的犀牛。而要想養(yǎng)肥這頭犀

犀牛雖體形笨重、反應(yīng)遲緩,可一旦向你狂奔而來,會(huì)讓你猝不及防。氫能就被認(rèn)為最有可能成為新能源革命的“犀牛”。而要想養(yǎng)肥這頭“犀牛”,如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)制氫就成為能源界關(guān)注的焦點(diǎn)。

實(shí)際上,包括海水在內(nèi)的水資源就是地球上最大的“氫礦”,電解水制氫被認(rèn)為是制備氫氣的有效方法。針對(duì)可再生能源面臨的時(shí)空波動(dòng)性和并網(wǎng)困難等問題,利用光伏發(fā)電、風(fēng)電和水電等可再生能源大規(guī)模制備氫氣被認(rèn)為是一條理想途徑。

但受現(xiàn)有電解水制氫技術(shù)的制約,實(shí)施上述途徑面臨諸多挑戰(zhàn)。如何在可再生能源規(guī)模化電解水制氫生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模”“低能耗”“高穩(wěn)定性”三者的統(tǒng)一,日前被中國科協(xié)列為2020年重大工程技術(shù)難題之一。

最大優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)生“綠氫”

氫不但可以直接作為能源使用,在石化工業(yè)中也有著重要的用途,被譽(yù)為未來世界能源架構(gòu)的核心。中國科學(xué)院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長(zhǎng)鄒才能表示,中國是全球最大的新能源消費(fèi)國,2018年消費(fèi)量4.8億噸油當(dāng)量,占世界總消費(fèi)量的23%。利用新能源規(guī)模化低成本電解水制氫,將是未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

然而,目前商用氫氣96%以上是從化石燃料中制取。制氫過程中會(huì)排放大量CO2,這類氫氣也被稱為“黑氫”。而可再生能源電解水制氫最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)“零碳排放”,產(chǎn)生“綠氫”。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦告訴《中國科學(xué)報(bào)》,利用可再生能源規(guī)模化電解水制取“綠氫”,一方面可極大地消除氫氣生產(chǎn)過程中的碳排放問題,構(gòu)建真正潔凈的新型能源體系;另一方面可將間歇、不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存為化學(xué)能,實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能源供給。

而為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》規(guī)定的將氣候變暖限制在2℃以下這一目標(biāo),需要2050年在全世界實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。通過利用可再生能源制取“綠氫”,構(gòu)建零碳排放的能源利用體系,在業(yè)內(nèi)看來,其帶來的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益是難以估量的。

“目前,可再生能源電解水制氫產(chǎn)能規(guī)模已經(jīng)從每小時(shí)幾十方提升到上千方,可以逐步滿足規(guī)模化工業(yè)需求。而隨著電催化劑技術(shù)的進(jìn)步,能量轉(zhuǎn)換效率還將大幅提升。”李燦告訴記者,傳統(tǒng)工業(yè)電解水裝置能量效率約50%~70%,最新技術(shù)已將工業(yè)電解水的能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高到80%以上。

三大要素缺一不可

要想實(shí)現(xiàn)減排污染物和二氧化碳的初衷,就需要發(fā)展綠色氫能并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,工業(yè)化應(yīng)用的前提就是“大規(guī)模”。在李燦看來,由于現(xiàn)行工業(yè)設(shè)備單臺(tái)制氫規(guī)模較小、制氫效率低、投資成本高,“規(guī)模化”就成為工業(yè)化電解水制氫的必要條件。

而在規(guī)模化條件下提高效率是一大挑戰(zhàn)。“由于‘綠氫’與‘黑氫’的商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)在于制氫成本,成本又與電解水制氫的效率和耗電量直接相關(guān),這就需要研發(fā)更高活性的電催化劑技術(shù)。因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)‘低能耗’制氫,‘綠氫’才能被市場(chǎng)所接受。”李燦說。

不僅如此,可再生能源的間歇特性,對(duì)電解水制氫催化劑及其系統(tǒng)技術(shù)也提出了更為嚴(yán)苛的穩(wěn)定性要求,因?yàn)橹挥性陂g歇變化的條件下仍能穩(wěn)定工作,才能實(shí)現(xiàn)“低能耗”“規(guī)模化”生產(chǎn)綠氫。因此,在李燦看來,對(duì)于可再生能源規(guī)模化電解水制氫,“大規(guī)模”“低能耗”和“高穩(wěn)定性”三大要素缺一不可。

李燦指出,要想實(shí)現(xiàn)這三者的統(tǒng)一,需要研發(fā)新型電極催化技術(shù)、先進(jìn)的隔膜和電解槽組件技術(shù)及其系統(tǒng)工程技術(shù),才能克服電解水電極催化劑活性低、能量轉(zhuǎn)化效率低等關(guān)鍵技術(shù)問題。例如在低電壓下增大產(chǎn)氫電流密度、降低制氫能耗,提升穩(wěn)定性、擴(kuò)大單體設(shè)備制氫規(guī)模等,都是需要克服的工程技術(shù)難題。

值得關(guān)注的是,目前,電解水制氫均采用純度較高的淡水為原料,若全球需氫量劇增,用豐富的海水資源直接制備氫氣也被工業(yè)界看好。在李燦看來,電解海水同樣必須具備“大規(guī)模”“低能耗”和“高穩(wěn)定性”,才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前,淡水條件下的電解水技術(shù)將為電解海水制氫奠定基礎(chǔ),從技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)看,實(shí)現(xiàn)電解海水制氫勢(shì)在必行,技術(shù)上也完全可行。

鄒才能評(píng)價(jià)道,聚焦可再生能源“大規(guī)模”“低能耗”“高穩(wěn)定性”電解水制氫,把可再生能源消納與電解水制氫相結(jié)合,對(duì)構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”能源體系,形成氫氣工業(yè)體系,建設(shè)“氫能中國”,保障國家能源安全具有重大意義。



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