電解水技術與光解水,、熱化學制氫的不同特點:電解水技術成熟、設備簡單,、無污染,,所得氫氣純度高、雜質含量少,,適用于各種場合,,缺點是耗能大、制氫成本高,;光解水技術目前難點是催化劑研制,;熱化學循環(huán)制氫系統(tǒng)更復雜,但制氫效率較高,,結合可再生能源,,利用效率更高。 目前商品化的水電解制氫裝置的操作壓力為 0.8~3Mpa,操作溫度為80~90℃,,制氫純度達到99.7%,,制氧純度達到 99.5%。 水電解制氫的關鍵是如何降低電解過程中的能耗,,提高能源轉換效率,。電解水制氫一般都以強堿、強酸或含氧鹽溶液作為電解液,。目前商用電解槽法,,能耗水平約為 4.5~5.5kwh/Nm3H2,能效在 72%~82%之間,。折算下來,,水電解制氫成本相當于 30~40 元/kg,用電解法生產(chǎn)氣態(tài)氫的價格比汽油約高 65%,,如果生產(chǎn)液態(tài)氫,,則比汽油高約 260%以上,。 中國電解制氫技術領域專利申請區(qū)域分布 中國電解制氫專利申請個數(shù) 熱化學循環(huán)水分解制氫可耦合核能、太陽能甚至是工業(yè)廢熱進行高效制氫,,每一步反應條件溫和,,理論上不會排放任何污染物;若能在高溫耐腐蝕材料等方面實現(xiàn)突破,,將是最有希望實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模應用的技術方式,。根據(jù)循環(huán)過程中使用過的不同物質,一般將熱化學循環(huán)水分解制氫分成 4 大類:金屬氧化物體系,、金屬鹵化物體系,、含硫體系以及電解-熱化學聯(lián)合的雜化體系。 熱化學硫碘循環(huán)水分解制氫原理 使用電解水的方法大規(guī)模制氫有兩條主要的降本途徑:1)降低電解過程的能耗,;2)充分利用可再生能源,,使用棄風棄水棄光所產(chǎn)生電能進行電解水。 各國通過研發(fā)新型技術降低電解過程中的能耗,,但是根據(jù)熱力學原理,,電解水制備 1m3氫氣和 0.5m3氧氣的最低電耗為 2.95度電。由此可知,,該途徑降低成本的空間有限,、技術復雜。 日本的新型技術將能耗降低到 3.8kwh/Nm3H2,;美國 GE 公司開發(fā)的固體高分子電解質(SPE)水解法,,以離子交換膜作為隔膜和電解質,使電解過程的能耗大大降低,。針對電解水技術方面的改進主要集中在電解池、聚合物薄膜電解池和固體氧化物電解池等種類,,電池能效率由 70%提高到 90%,,但考慮到發(fā)電效率,實際上電解水制氫的能量利用效率不足35%,。 各地大工業(yè)谷電價格 2016年調(diào)整后的燃煤發(fā)電標桿上網(wǎng)電價 我國可再生能源豐富,,每年棄水棄風的電量都可以用于電解水。我國擁有水電資源 3.78億 kw,,年發(fā)電量達到 2800億 kwh,。水電由于豐水器和調(diào)峰需要,產(chǎn)生了大量的棄水電能,。我國風力資源也非常豐富,,可利用風能約2.53 億 kwh,相當于水力資源的 2/3,。但風電由于其不穩(wěn)定的特性,,較難上網(wǎng),,因此每年棄風限電的電量規(guī)模龐大。如果將這部分能源充分利用起來,,產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是可觀的,。 例如,三峽電站建成后,,在每年的 5~8月棄水電能高達 45億kwh,,即使建設一座 180 萬千瓦的抽水蓄能電站聯(lián)合運行,三峽電站的棄水電能仍有 21億 kwh,。若將此電能用于電解水制氫,,可生產(chǎn)氫氣 4~4.5億Nm3,可見利用水電站的棄水電能來制氫,,將會使我國出現(xiàn)一個巨大的氫源基地,。 目前燃料電池汽車的分布主要以東部沿海城市為主,如果考慮到氫氣的運輸成本,,使用中西部地區(qū)的棄水電能進行氫氣的制備尚不具備成本優(yōu)勢,。 2010 年至 2015 年,我國棄風電量累計達到 997 億千瓦時,,直接經(jīng)濟損失超過 530 億元,。僅過去一年棄風電量就達到 339 億千瓦時,直接經(jīng)濟損失超 180 億元,,幾乎抵消全年風電新增裝機的社會經(jīng)濟效益,。解決這樣的一個現(xiàn)狀的合理方式之一是采取儲電的方法。若利用氫能燃料電池來儲電,,則可解決風能發(fā)電的平衡問題——利用風能發(fā)電的電能來電解水制氫,,它成為氫能燃料電池的燃料,而燃料電池又用來儲電,。這個循環(huán)過程,,既可解決風能發(fā)電的負荷平衡,又可制得一定數(shù)量的氫能,。 例如,,江蘇鹽城周邊有 1000 多家風電廠,目前所產(chǎn)生的電能無法并網(wǎng),,使用這些風電所產(chǎn)生的電能,,結合海水電解技術,所產(chǎn)生的氫氣成本可以達到2元/Nm3,,相對而言已經(jīng)具備了和汽油能源競爭的能力,。 江蘇省風電項目分布 全國棄風限電統(tǒng)計 風能太陽能互補制氫原理框圖 |
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