氢能技术发展趋势调研(一)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-07-26 10:07

 

1.2氢能产业

氢能产业是涵盖氢气制备、储存、运输、加注、燃料电池到终端应用的庞大产业链,产业链整体具有技术含量高、投入大、产出慢、市场化程度高、竞争激烈、政策依赖性强等特点。其不同环节具有各自特点。

1.2.1制氢环节

氢作为二次能源,每年氢气产量约2500万吨,占全球总产量40%以上,年产值超过1200亿元。总体上,国际上制氢的方式有很多种,我国超过95%的氢气生产主要依靠化石资源,化石资源制氢工艺成熟,原料价格相对低廉,其中煤制氢是当前最为经济的制氢途经,但会排放大量的温室气体,对环境造成污染,而电解水制氢仅占比2%至4%。

1.2.2储运环节

氢作为能源,用在燃料电池上,由于制氢与用氢不在同一地点,必然需要储存和运输两个服务性环节。运氢方式主要有气氢拖车运输、气氢管道运输和液氢罐车运输。其中,气氢拖车运输技术成熟,是国内最普遍的运氢方式,但运输效率低,适用于小规模、200公里内的短途运输,40吨重的长管拖车大约只能运输400千克氢气。随着用氢量的逐渐增加,迫切需要解决氢气的长期、大规模、低成本储运难题。

氢的储存是一个至关重要的技术,已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。储氢问题涉及氢生产、运输、最终应用等所有环节,储氢问题不解决,氢能的应用则难以推广。氢是气体,它的输送和储存比固体煤、液体石油更困难。一般而论,氢气可以气体、液体、化合物等形态储存。氢的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢等。

高压气态储氢是最常用的氢气储存方式,也是最成熟的储氢技术,氢气被压缩后在钢瓶里以气体形式储存。应用较广泛的是灌装压力为15.2MPa的储氢钢瓶,它是一种应用广泛、简便易行的储氢方式,成本低,充放气速度快,且在常温下就可以进行。但是,它最大的弱点是单位质量的储氢密度只有1%(质量分数)左右,无法满足更高应用的要求。因此,需在满足安全性的前提下,通过材料和结构的改进来提高容器的储氢压力以增大储氢密度,同时降低储氢的成本,满足商业应用。

低温液态储氢是指在在101kPa下,氢气冷冻到-253℃以下即变为液态氢。液化氢气具有存储效率高、能量密度大( 12至34MJ/kg)、成本高的特点。氢的液化需要消耗大量的能源。理论上,氢的液化消耗28.9kJ/mol能量,实际过程消耗的能量大约是理论值的2.5倍,每千克液态氢耗能在11.8MJ以上。因为液化温度与室温之间有200℃以上的温差,加之液态氢的蒸发潜热较小,所以不能忽略从容器渗进来的侵入热量引起的液态氢的气化。罐的表面积与半径的二次方成正比,而液态氢的体积则与半径的三次方成正比,所以由渗透热量引起的大型罐的液态氢气化比例要比小型罐的小。因此,液态储氢的适用条件是存储时间长、气体量大、电价低廉。

氢能的运输主要包括压缩氢气的运输、液态氢的运输、利用储氢介质输送、利用管道输送和制造原料的输送。压缩氢气的运输是把氢气压缩成高压气体后进行的输送,适用于往离站制氢型加氢站输送的场合。该方法的特点是在输送、储存、消费过程中不发生相变,能量损失小,但一次输送的量也比较少,因此适合距离较近、输送量少的场合。如果是实验室用等小规模场合,一般可采用氢气瓶来输送压缩氢气,而加氢站的场合则需要大规模的输送方法,为此开发出了转载大型高压容器的牵引车。对牵引车输送来说,重要的是一次可输送的量,但是行驶在普通道路上的牵引车的大小要受到道路交通法的限制,尤其是对质量和大小的管制。由于钢制容器过重,无法提高装载量,正努力实现轻型化及高压化,从而提高氢气装载量。

液态氢输送的原理和压缩氢气差不多,主要区别是储存罐装的是液态氢,对保温性能要求更高。因为液态氢制造时的液化效率低,因此会导致整体输送的能量效率降低。另外,将液态氢从液氢罐转移到加氢站储氢罐里时,不能忽略把配管冷却到液态氢温度时的蒸发损失。此外,防止水蒸气、氮气、氧气等可能聚集于液氢罐内的物质的混入也是很重要的。可以看出,当运输的规模较大时,有利于提高能量效率,降低运输成本。

利用储氢介质输送是利用储氢技术把氢吸收于载体进行输送的方法。但是上述的几种储氢载体的储氢质量百分比较低,意味着,运输相同质量的氢,该种方法总质量更大。可知,运输过程中为了降低运输成本,质量的重要性要高于体积,所以这是该方法的主要缺点。以有机氢化物为例介绍该种方法。通过一定的条件将氢气与环己烷进行反应生成液态的苯,之后将苯储存在油罐中,然后利用油罐车将苯运送到目的地,再通过一定的化学反应将苯进行脱氢分离得到氢气。

管道输送无论在成本上还是在能量消耗上都将是非常有利的方法。在大型工业联合企业,氢气的管道输送已被实用化。人们正在研究发挥管道特色的新组合。例如,利用现有的城市煤气管道输送天然气和氢气的混合物,在加氢站里根据需要抽取提纯氢气的设想正在探讨之中。如果把管道本身的压力提高,则在加氢站里不需要压缩机。由于氢气的储存输送有着或多或少技术问题或者经济问题,所以可以直接把制氢原料运送到加氢站,然后制备氢气直接进行使用或储存。常见原料有各种烃类物质、甲醇等,这些原料的运输技术成熟,成本较低。但是要求加氢站的规模较大,才有较好的效益。

1.2.3加氢站环节

加氢站建造是高科技含量、高成本和高附加值环节。随着氢燃料电池汽车的广泛应用,未来加氢站具有分布广、需求量大的特点,总体上,我国在运加氢站数量较少,基础设施建设和氢气储运成本高,导致加氢站的加氢费用高,用户选择加氢的意愿不强。利用已有的加油站,建造油氢合建站是提高加氢普及度和经济性的一种现实选择。

1.2.4氢燃料电池环节

燃料电池理想的燃料是氢气,因为它是电解制氢的逆反应。燃料电池的主要用途除建立固定电站外,特别适合作移动电源和车船的动力,因此也是今后氢能利用的孪生兄弟。

氢燃料电池是整个产业链的核心技术和制高点,诸多国内外企业纷纷开展技术攻关和产业化发展,竞争激烈,未来需求量大,需要与氢燃料电池汽车等动力装置配套发展。燃料电堆是燃料电池的核心部件,降低燃料电堆成本的关键在于核心组件膜电极的技术突破,膜电极中的催化剂大量使用稀缺的铂金属为原材料,价格昂贵。因此,降低铂金属用量或寻找铂金属替代品将成为降低氢燃料电池成本的主要方向。

20世纪70年代以来,日美等国加紧研究各种燃料电池,现已进入商业性开发,日本已建立万千瓦级燃料电池发电站,美国有30多家厂商在开发燃料电池.德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究,这种新型的发电方式已引起世界的关注。

燃料电池的种类很多,主要有以下几种:

磷酸盐型燃料电池

磷酸盐型燃料电池是最早的一类燃料电池,工艺流程基本成熟,美国和日本已分别建成4500千瓦及11000千瓦的商用电站。这种燃料电池的操作温度为200℃,最大电流密度可达到150毫安/平方厘米,发电效率约45%,燃料以氢、甲醇等为宜,氧化剂用空气,但催化剂为铂系列,发电成本尚高,每千瓦小时约40至50美分。

融熔碳酸盐型燃料

融熔碳酸盐型燃料电池一般称为第二代燃料电池,其运行温度650℃左右,发电效率约55%,日本三菱公司已建成10千瓦级的发电装置。这种燃料电池的电解质是液态的,由于工作温度高,可以承受一氧化碳的存在,燃料可用氢、一氧化碳、天然气等均可。氧化剂用空气。发电成本每千瓦小时可低于40美分。

固体氧化物电池

固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池,其操作温度1000℃左右,发电效率可超过60%,不少国家在研究,它适于建造大型发电站,美国西屋公司正在进行开发,可望发电成本每千瓦小时低于20美分。

此外,还有几种类型的燃料电池,如碱性燃料电池,运行温度约200℃,发电效率也可高达60%,且不用贵金属作催化剂,瑞典已开发200千瓦的一个装置用于潜艇。美国最早用于阿波罗飞船的一种小型燃料电池称为美国型,实为离子交换膜燃料电池,它的发电效率高达75%,运行温度低于100℃,但是必需以纯氧作氧化剂。后来,美国又研制一种用于氢能汽车的燃料电池,充一次氢可行300公里,时速可达100公里,这是一种可逆式质子交换膜燃料电池,发电效率最高达80%。

1.2.5终端应用环节

氢燃料电池汽车是氢能产业的重要应用领域,相比传统燃油汽车,具有无污染的优势;相比电动汽车,具有高续航、加注时间短的优势,这些优势决定了氢燃料电池汽车可成为能源交通领域的发展趋势。但是目前由于成本不具备竞争力,发展初期严重依赖政策支持。随着技术进步以及规模效应带来的成本下降,将推动氢燃料电池汽车产业快速发展。