绿色氢能技术发展现状及应用展望

王宏铎

(中石油吉林化工工程有限公司,吉林 吉林 132001)

为了应对全球性温室气体排放,降低能源结构对化石燃料的依赖,世界各国积极寻求可再生能源的发展上,以推动能源转型,实现绿色经济发展模式,同时,减少对外部能源供应的依赖。这些努力将导致绿色电力份额的增加和绿色氢的逐步引入。“碳达峰”和“碳中和”目标,彰显了我国对绿色低碳发展道路的坚定意志和决策力。

氢能作为一种在全球范围内得到越来越多的认可,对氢作为环境友好且经济竞争力强的能源储存解决方案的兴趣正在迅速增长。传统的氢气生产方法主要依赖于化石燃料,如天然气和煤炭,这导致了大量的二氧化碳排放。根据不同的生产途径以及产生二氧化碳排放量与颜色相关联。生产氢气二氧化碳排放为零时通常被定义为绿色氢能,例如,通过太阳能和风能电解水,产生氢气,并且不产生二氧化碳排放,即为绿色氢能源。目前,最适合工业化应用技术是基于电解水技术。绿氢具有环保、可再生、储能、整合和经济竞争力等多方面的优势,随着技术的进步和规模效应的实现,绿色氢能源有望在未来发挥更重要的作用,为可持续发展和减少碳排放做出贡献[1-2]。

为实现可持续发展和能源转型以及双碳目标,我国着力推进绿色氢能源产业的创新与规模化发展,提高氢能产业的技术水平和市场竞争力,建设清洁、高效的氢能产业体系。本文基于我国绿色氢能在制备与应用技术发展的现状,以期为我国能源转型发展提供思路参考。

1 绿色氢能生产技术

生物质在我国储存丰富,具有经济性,我国生物质来源主要包括:木质纤维素生物质、农业残留物和能源作物,其内部硫氧化物和氮氧化物含量较低,环境友好程度高,生物质作为重要资源可以使用热解和生物转化等技术生产传统燃料、电力发电合成,高附加值的精细化学品合成,生物质可用于生产大量生物燃料,如生物柴油、合成气、生物油、呋喃、生物乙醇或生物丁醇。热解转化生物质可以通过调整升温速率、压力、温度和反应气氛等操作条件,发生多重并行反应,制备有价值的热能、液体燃料、固体和气体燃料。目前生物质在气化、热解以及液化制氢技术研究较为广泛[3-4]。

1.1 生物质热解制备氢气

生物质气化制备氢气技术是一种可持续能源解决方案,它通过将生物质转化为合成气,并进一步提取氢气作为能源。这种技术具有很高的潜力,可以为能源行业提供绿色、可再生的替代品。

生物质气化是一个复杂的过程,涉及到多个步骤和反应。首先,生物质材料,如木材、农作物残渣或废弃物,被送入气化炉。在气化炉中,生物质在缺氧或部分氧气的环境下被加热,产生可燃气体。在气化过程中,生物质发生热解和气化反应,生成合成气,其中包含氢气、一氧化碳和其他气体组分。为了提高氢气的产量和纯度,一些关键参数需要调整和控制。首先是温度,高温有利于生物质的热解和气化反应。通常,气化温度在800～1 000 ℃之间。其次是气化过程中的气氛,如氧气供应和气体流动。这些参数的调整可以影响反应的速率和产物的组成。另一个关键因素是气化剂的选择。常用的气化剂包括氧气、水蒸气和二氧化碳。气化剂的选择取决于所需的产物组成和用途。例如,如果希望获得高浓度的氢气,可以选择使用水蒸气作为气化剂,因为它会促使水蒸气重整反应,产生更多的氢气。在生物质气化过程中,生成的合成气需要经过一系列处理步骤来提取纯度较高的氢气。这些步骤通常包括气体冷却、净化和气体分离。冷却过程有助于降低气体温度,并将其中的一些杂质固定下来。净化步骤用于去除残留的固体颗粒、硫化物和其他杂质。最后,气体分离技术,如膜分离或压力摩擦吸附,可以用来分离氢气和其他气体组分,从而获得高纯度的氢气[5]。

生物质气化制备氢气技术具有许多优势。首先,生物质作为可再生能源的来源广泛且可持续,有助于减少对化石燃料的依赖。其次,氢气作为一种清洁能源,燃烧时只产生水蒸气,不产生二氧化碳等温室气体,对环境友好。此外,生物质气化技术还可以将农业废弃物和森林残渣等生物质资源充分利用,减少废弃物的处理问题。尽管生物质气化制备氢气技术具有许多优势,但仍然面临一些挑战。其中之一是技术成本和经济可行性。气化设备和气体处理系统的建设和运营成本较高,进一步的研究和技术发展可以降低成本并提高效率。此外,氢气的储存和运输也是一个挑战,因为它需要高压或低温条件下的特殊设备和基础设施。尽管存在挑战,生物质气化制备氢气技术在可持续能源领域具有巨大潜力。它为能源行业提供了一种可再生、环保的替代能源,有助于减少温室气体排放并推动能源转型。随着技术的不断进步和推广应用,我们可以期待生物质气化制备氢气技术在未来发挥更重要的作用,并为可持续发展做出贡献。

1.2 生物质热解制备氢气

生物质热解将生物质在无氧条件下仅通过加热转化为气体、液体和固体产品的最简单过程,是一个复杂的反应的过程,在不同温度范围内的受控热效应的影响下其产物分布也会变化热解过程中的温度和停留时间是关键的操作参数。根据热解的过程条件,可以将其分为缓慢热解、快速热解和闪热解。缓慢热解用于制造生物炭,而快速热解产生更多可凝结挥发物(生物油)。在缓慢热解中,非凝结性气体中的H2含量在低温下相对较低,并在较高温度下增加。在快速热解中,H2的产量在较高温度下相对较高,而使用催化剂可以进一步增加产量。在较高温度下,更高的加热速率和较长的停留时间有利于H2的产生。热解的温度范围为400～800 ℃,压力500 kPa。尽管热解过程的主要目标是生产生物油,但在高温下进行快速或闪蒸热解,并配合适当的停留时间,可能会产生氢气。在高温条件下,生物质中的碳水化合物会经历裂解反应,生成气体、液体和固体产物。快速或闪蒸热解是在极短的停留时间内进行的,通常在几秒钟到几分钟之间。这种快速的热解过程有助于最大限度地提高氢气的产量。热解过程中还可以通过添加催化剂来改善氢气产率和选择性。催化剂可以促进碳水化合物的裂解和氢气的生成,同时抑制副产物的生成。常用的催化剂包括Al2O3,CaO,Mo2C,FeO,MnO,Cr2O3,CuO,Na2CO3。通过选择适当的催化剂和优化反应条件,可以提高热解过程中氢气的产率和质量。含有纤维素和半纤维素的生物质比含有木质素的生物质更容易热解,因为木质素的活化能远高于纤维素和半纤维素。

生物质热解过程有多重反应器类型可供选择,固定床反应器:固定床反应器是操作最简单、处理不同生物质最灵活的一种配置。它由一个固定的床层组成,生物质颗粒在床层中进行热解和重整反应。然而,固定床反应器产生的生产气中的氢气含量较低,同时也容易受到焦油的污染。此外,生物炭在催化剂表面的沉积会影响后续重整过程的性能。流化床反应器:流化床反应器通过将气体或液体介质以足够速度通过床层,使床层颗粒悬浮在气流或液流中,形成流化状态。流化床反应器具有更高的气固接触,这提高了传热和转化速率。因此,相对于固定床反应器,流化床反应器能够提供更高的氢气产量。后续的蒸汽重整通常在固定床或流化床中进行。循环流化床反应器:循环流化床反应器是一种特殊的流化床反应器,它通过将床层内的固体颗粒循环回到床层顶部来实现反应过程。这种配置可以进一步改善气固接触,增强传热和转化效率。气泡流化床反应器:气泡流化床反应器通过在床层底部引入气体来形成气泡,并使床层颗粒在气泡的作用下悬浮和流动。这种配置适用于一些具有较小颗粒尺寸的生物质。喷射床反应器:喷射床反应器是一种特殊的流化床反应器,它通过高速气体射流将床层颗粒从反应器底部抛起并悬浮在气流中。这种配置可以实现更高的气固接触和更快的传热速率[6]。

研究显示生物质慢热解并不适合用于氢气生产,因此更需要关注快速的热解催化剂的开发,以实现高效的氢气产生。为了进一步推动氢气生产技术的发展,一些新的热解技术也应该得到更多地探索。例如,等离子体热解和微波热解等新技术被认为具有潜力,可以提高氢气产量和质量。将生物质热解与生物炼制概念相结合,可能是一个经济突破的概念。通过热解生物质获得的生物油可以进一步转化为氢气。此外,将气化系统与热解装置整合在一起,有助于将生物油有效地转化为氢气。然而,与气化相比,在低温但无焦油的条件下进行的慢热解的氢气产量相对较低。对于100 g生物质,氢气产量仅为5～10 g。尽管如此,这种热解过程仍然具有重要的价值,因为它可以提供可再生的氢气资源,为清洁能源的生产和使用做出贡献。在整个生物质热解制备氢气过程中,生物油的热解是获得氢气最重要的步骤之一。与在较低温度下操作的气化相比,热解过程需要消耗更多的能量。因此,有必要进行过程集成,例如将热解过程与联合发电或联合供热和制冷项目相结合,以提高能源利用效率。

总结而言,生物质热解制备氢气技术具有广阔的前景。通过开发更稳定的催化剂,探索新的热解技术,并实现生物炼制的概念,我们可以实现更高效、清洁和可持续的氢气生产,为能源转型和环境保护做出重要贡献。

1.3 电解水制氢技术

电解制氢技术是一种利用电能将水分解为氢气和氧气的过程。它被认为是一种可持续的氢能生产方法,因为电能可以通过多种可再生能源,如太阳能和风能来提供。以下是电解制氢技术的现状。

目前,电解制氢技术已经取得了显著的进展,并在许多领域显示出潜力。主要的电解制氢技术包括碱性电解、酸性电解和固体氧化物电解。

碱性电解是最成熟和商业化程度最高的一种技术。它使用碱性电解质溶液,如氢氧化钾或氢氧化钠,作为电解质。碱性电解具有高效率和较低的操作温度,同时具备较低的成本和较长的寿命。这种技术已经在工业领域得到广泛应用,例如氢气生产、氨的制造以及石油加工等。酸性电解是另一种重要的电解制氢技术。它使用酸性电解质溶液,如硫酸或盐酸。相较于碱性电解,酸性电解具有更高的电解效率和较高的电流密度,但操作温度较高。近年来,酸性电解技术在研究和开发中取得了重要突破,如采用新型催化剂和膜材料,以提高效率和降低成本。固体氧化物电解是一种高温电解技术,使用固体氧化物作为电解质。固体氧化物电解具有较高的能量转换效率和较高的电流密度,但需要较高的操作温度。这种技术主要用于大规模氢气生产和集成能源系统。尽管固体氧化物电解技术的商业化程度相对较低,但它在能源存储和能源转换方面具有巨大的潜力。

电解制氢技术的应用前景广阔。随着可再生能源的不断发展和普及,电解制氢技术有望成为储能和能源转换的关键技术。它可以将可再生能源转化为氢气,实现能源的长期储存和可再生能源的平稳供应。此外,电解制氢技术还可以用于工业氢气生产、交通运输、燃料电池等领域。随着技术的进一步改进和成本的降低,电解制氢技术有望在未来实现更广泛的商业应用,并为可持续发展做出重要贡献。此外,电解制氢技术还在能源转型和碳减排方面扮演着重要的角色。随着全球对减少温室气体排放和应对气候变化的迫切需求,电解制氢技术被视为一种清洁能源解决方案。通过使用可再生能源来供应电解制氢过程所需的电能,可以实现零排放的氢气生产。这种可再生氢气可以用于取代传统的化石燃料,用于电力生产、交通运输、工业加工等领域,从而减少了温室气体的排放和环境污染[7]。

在交通领域,电动汽车配备氢燃料电池系统成为一个具有潜力的选择。与传统的锂离子电池相比,氢燃料电池车辆具有更长的续航里程和更短的加氢时间,同时也可以实现零排放。电解制氢技术为这些氢燃料电池车辆提供了可持续的氢气供应,为推动交通领域的清洁能源转型提供了支持。此外,电解制氢技术还可以结合其他工业过程,如钢铁和化学工业。传统的工业过程通常依赖于高碳排放的燃料,而电解制氢技术可以提供清洁的氢气作为替代燃料,从而降低碳排放。这为工业领域实现低碳化和可持续发展提供了新的选择。

尽管电解制氢技术在可持续能源领域具有巨大的潜力,但仍面临一些挑战。其中之一是成本问题。目前,电解制氢技术的设备和运营成本较高,限制了其广泛应用。然而,随着技术的进步和规模效应的实现,预计成本将逐渐下降。此外,建设氢气基础设施也是一个挑战。由于氢气的低密度和高易燃性,需要建立安全可靠的氢气储存和分配系统。这需要制定相关的法规和标准,并投资于基础设施建设。

综上所述,电解制氢技术在可持续能源领域具有巨大的潜力,并具备广泛的应用前景。通过利用可再生能源进行氢气生产,可以实现碳减排和能源转型。随着技术的进步和成本的降低,电解制氢技术有望在未来成为一个重要的能源解决方案,为建设清洁、可持续的能源未来做出贡献。

2 结论

绿氢制备技术作为可持续能源领域的重要组成部分,具有广阔的应用发展前景和潜力。随着全球对减少温室气体排放和实现能源转型的需求日益增长,绿氢制备技术有望在未来发挥重要作用。绿氢制备技术可以为能源存储和能源转换提供可行的解决方案。由于可再生能源的间歇性和不可控性,能源存储成为实现可再生能源大规模应用的关键。绿氢制备技术可以利用多种可再生能源,如太阳能和风能,将其转化为氢气,实现长期储存和平稳供应。这为能源系统的可靠性和灵活性提供了支持,促进了可再生能源的大规模应用。绿氢制备技术还可以用于工业领域的碳减排。许多传统工业过程依赖于高碳排放的燃料,导致环境污染和气候变化。通过使用绿氢替代传统燃料,可以降低碳排放,实现工业领域的低碳化和可持续发展。然而,绿氢制备技术在实际应用中面临一些挑战。成本是其中一个重要的因素,目前绿氢的生产成本较高。但随着技术的进步和规模效应的实现,预计绿氢的成本将逐渐下降,使其更具竞争力。总的来说,绿氢制备技术在能源转型和碳减排方面具有重要的应用发展前景。随着可再生能源的不断发展和绿氢制备技术的进一步成熟,绿氢有望成为一个重要的能源解决方案,为建设清洁、可持续的能源未来做出重要贡献。