大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展

新能源的快速发展为电力和化工行业带来了机遇和挑战，一方面，由于可再生能源电力消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费，另一方面，以绿氢为原料替代碳基化石能源合成氨，可以极大地减少化工行业的碳排放。因此，利用水力、光伏等可再生能源电解水制氢，为合成氨提供绿色原料，可显著提升可再生能源消纳能力，降低能耗与碳排放，服务国家“碳达峰、碳中和”目标。然而，可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程的平稳性要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需开展系统性研究突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。对此，本文首先对可再生能源电解水制氢合成氨的工艺组成及过程进行介绍，包括电解水制氢工段、压缩缓冲工段、化工合成氨工段，进而提出该系统建设的关键技术体系，包括可再生能源波动条件下的合成氨工艺流程优化和柔性调控技术、考虑“电-热-质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术、计及可再生能源波动性与化工多稳态特性的“源-网-氢-氨”的全系统协同控制技术、计及电、氢、氨等要素的全方位安全防护与市场运营机制。针对适用于柔性生产的合成氨工艺优化及多工段协同调控技术，在考虑氢储供量与催化剂性能下，综合合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等子系统开发了合成氨高保真代理模型；研究了可再生能源供给和市场需求波动下，充分考虑操作安全性和过程经济性的电解水制氢合成氨各子系统的适配方案与协同控制技术。针对大规模电制水制氢系统模块化集成和集群动态控制技术，基于奇异摄动和代理模型技术研究了集群系统多时间尺度时域仿真方法，建立了电解集群系统多物理耦合状态空间模型；综合考虑了模块启停组合调度、模块间功率分配调度及模块自身灵活调节，计及安全运行区间及电热气接口特性约束，以提高氢产量、提升能量利用效率、改善水光电源消纳和跟踪电网调峰调频指令为目标，构建了集群系统多目标分层调度与控制模型。针对氢能参与电网的全系统协同控制技术，研究了水光互补发电、电制氢、储氢、合成氨、储氨多工段间稳态运行特性的多工段间灵活运行方法，以及电制氢合成氨系统柔性动态协同控制方法；综合采用了静态等值和参数聚合等方法降维和等值电制氢合成氨系统仿真模型，研究了源网氢氨协同提升系统安全稳定性的优化控制方法和技术指标；结合电网调频和调峰特性，研究了电制氢合成氨系统参与电力辅助服务的策略。建设大规模可再生能源电解水制氢合成氨系统，提高可再生能源本地消纳率和并网调度友好性，降低化工碳排放，具有显著社会效益和战略意义。     

浅谈我国可再生能源发展现状及对策研究

在金球努力实现"绿色复苏"的大背景下,我国立足于"碳达峰、碳中和"工作的新形势和新要求,大力发展可再生能源,加快能源绿色转型,实现经济低碳发展.虽然我国可再生能源发展取得了举世瞩目的 成就,但是与实现"3060"双碳目标要求还存在差距,发展过程中面临着许多问题.因此,本文在分析我国可再生能源发展现状的基础上,深入剖析影...     

“可再生能源在建筑中高效利用”专刊征稿——西安建筑科技大学学报(自然科学版)

正面对"2030碳达峰、2060碳中和"的国家节能减排宏伟目标,建筑领域"开源"—可再生能源利用、"节流"—建筑本体节能是实现零碳化的两条主要路径。当今,建筑保温隔热等传统节能技术得到了充足发展,在降低建筑能耗方面起到了重要作用,当然,挖掘潜力也已非常有限。在建筑中充分利用太阳能、地热、风能、生物质能等可再生能源是实现建筑零常规能源运行的突破口,是建筑领域早日实现碳中和的必由之路。以此为背景,为了给从事可再生能源在建筑中利用的科研人员提供学术交流平台,特组织本专刊,主要征集建筑科学、暖通空调、建筑设计等相关学科关于"可再生能源在建筑中高效利用"原理、方法与技术类原创性科研论文,望广大学者赐稿。     

“可再生能源在建筑中高效利用”专刊征稿——西安建筑科技大学学报(自然科学版)

正面对"2030碳达峰、2060碳中和"的国家节能减排宏伟目标,建筑领域"开源"—可再生能源利用、"节流"—建筑本体节能是实现零碳化的两条主要路径。当今,建筑保温隔热等传统节能技术得到了充足发展,在降低建筑能耗方面起到了重要作用,当然,挖掘潜力也已非常有限,在建筑中充分利用太阳能、地热、风能、生物质能等可再生能源是实现建筑零常规能源运行的突破口,     

碳中和目标情景下中国燃料电池车总拥有成本研究

以碳中和目标为情景,建立燃料电池车总拥有成本(Total Cost of Ownership, TCO)计算模型;应用学习曲线理论预测构成燃料电池车的关键部件的成本变化趋势;讨论当下主流制氢技术路径的未来制氢成本;通过TCO反映我国燃料电池车未来成本趋势、竞争力及关键影响因素.     

“碳中和与绿色能源”专刊前言

2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重提出中国碳减排两阶段目标：力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这彰显了中国积极应对气候变化、参与全球治理、推动构建人类命运共同体的坚定决心。在后疫情时代全球经济复苏的关键时期,构建碳中和目标更是中国实现可持续发展、推动生态文明建设的战略指引和重要机遇。“碳达峰、碳中和”目标的提出意味着中国能源和经济产业结构将迎来深刻变革,也给中长期能源产业的技术发展提出了新要求,指明了方向。与此同时,中国能源转型的加速推进也将促使传统的石油、天然气、煤炭等能源供应系统走上减碳增氢的绿色发展道路。随着世界主要发达及发展中国家相继提出碳中和目标的承诺,针对气候变迁、低碳循环经济、绿色能源、CCUS等国际社会重点关注议题的前沿研究和政策措施显得愈加紧迫和重要。尤其是欧美等主要发达国家从碳达峰到实现碳中和需要50～80年;而中国计划只用30年实现这个目标,因此面临着巨大挑战。这促使 中国需尽快制定“碳达峰、碳中和”战略规划、技术路线和行动方案,同时,加强联合各国学者开展更多的跨学科联合攻关与学术交流。在碳中和与能源转型的进程中,还必须探索适合中国国情的绿色低碳之路,并把技术创新放在首要位置,抓紧部署具有推广前景的低碳、零碳、负碳排放技术研究,提升能源电气化和智能化水平。针对碳中和与能源转型过程中的众多科学技术问题,必须进行认真的思考并开展针对性的研究工作。面向中国能源产业深化改革,建立健全绿色低碳循环发展经济体系的重大战略需求,《工程科学与技术》推出了“碳中和与绿色能源”专刊,重点关注碳中和目标导向下的区域性（地区）战略框架和行动方案、重点行业碳减排路径及发展前景、可再生能源多元转换与储存、CCUS技术等,以促进全球碳减排研究,尤其是为中国“碳中和”政策制定、利益相关者提供借鉴和科学指导。在此,向为本专刊奉献佳作的论文作者表示感谢！同时,也向广大参与碳中和与绿色能源工作的生产及科研人员的辛勤付出致敬！     

CO2的能源化利用技术进展与展望

在当前碳中和背景下,人类向着"少碳、用碳与无碳"的CO2减排之路前行.CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)作为最直接的"碳中和"技术策略,为促进大气CO2净减排发挥了重要作用.然而,当前CCUS技术普遍面临着低效率、高能耗、高成本的技术难题,限制了该类技术的大规模应用与推广.近年来,随着可再生电能的不断发展,CO2减排与能源体系耦合的电池技术、储能技术应运而生,这类CO2能源化利用技术有望解决当前CCUS技术体系高能耗、高成本的技术难题,同时,有利于新能源的周期性消纳.然而,在这类CO2能源化利用技术中,主要是将CO2作为一种能源介质,对外输出的能量并非来自CO2本身;但是,CO2转变为碳酸盐的过程是化学位降低的反应过程,意味着CO2本身也是一种潜在的能源.作者利用这一热力学有利的反应,成功开发了利用CO2本身蕴含的能量进行深度发电的CO2矿化发电技术,并将CO2矿化电池的最大功率密度提升至了96.75 W/m2.     

氢经济、CO2减排与氢碳经济

近期和未来一个时期内制氢将主要依靠化石燃料,因此也就存在一个潜在的CO2排放问题.常规的CO2收集和储存方法不仅成本高,而且从生态方面来讲也不是一个可靠的解决方法.旨在探索化石燃料制氢所涉及的能源和环境问题的解决方法,探讨了大规模催化分解天然气制氢和碳的技术性、环保性和经济性等方面的问题.碳产品主要被用于建筑材料、直接碳燃料电池发电、土壤改良和环境治理等方面.以化石燃料为基础的"氢-碳"经济格局为目前的碳氢化合物经济到未来最终的可再生氢能经济提供了一个平稳的过渡.     

河南省碳达峰与碳中和战略、技术路线和行动方案

河南省是中国重要的人口、农业、工业及能源消费大省,碳中和战略的实施对推动区域经济绿色低碳高质量发展、促进中国2060年碳中和愿景的实现具有重要意义.但长久以来煤炭主导的较单一能源结构导致河南省面临碳排放基数大、生态治理形势严峻、能源对外依存度持续增长、可再生能源开发程度低等关键问题.为此,详细梳理了河南省当前的能源供需...     

电解水制氢技术及其催化剂研究进展

随着社会经济的发展，能源和环境问题日益受到人们的广泛关注。氢能因其能量密度高、绿色无污染、储量丰富、应用广泛等优点，被认为是21世纪理想的清洁能源。电解水制氢是一种清洁的生产技术，在“双碳”的背景下得到蓬勃发展，其关键挑战在于开发高性能的析氢反应（HER）电催化剂，以降低水分解的过电势。详细介绍了目前主流的电解水制氢技术，分析了各技术的自身特性和优劣势，重点总结概括了HER催化剂的研究进展，最后对电解水制氢技术及其催化剂的发展方向进行了展望。     

机械制造中的低碳制造理论与技术

主要介绍了机械加工过程中的低碳制造相关理论和技术方法.将机械加工低碳制造技术体系结构重点划分为产品低碳设计,低碳生产过程,低碳能源开发等3个部分.涉及了轻量化、模块化及生态化的产品设计方法;生产过程中的加工设备部件优化与零部件再造技术,先进工艺及切削技术与优化方法,高效生产模式及调度管理方法等低碳制造技术相关方面的内容...     

石家庄市不同梯度大气颗粒物碳组分特征分析

为了探讨石家庄市大气颗粒物中碳组分浓度水平与梯度变化,于2013年7月采集了石家庄市不同梯度大气颗粒物PM2.5,PM10和TSP样品,采用重量法测定颗粒物浓度,采用热光碳分析仪测定颗粒物中的EC（元素碳）和OC（有机碳）的浓度,并采用相关分析及丰度分析探讨石家庄市不同梯度碳气溶胶污染变化特征.结果表明：大气颗粒物中EC和OC主要存在于细颗粒物中,不同梯度颗粒物中OC和EC相关性较好,说明OC与EC的来源相似;不同梯度的ρ（OC）/ρ（EC）大部分超过2.0,表明石家庄市空气中存在一定的二次污染.从颗粒物中8个碳组分丰度初步判断石家庄市颗粒物中碳组分的主要来源是燃煤、汽车尾气及道路扬尘.     

交联剂在碳／碳复合材料沥青基体中的作用

本文从C/C复合合材料的基体入手，分析了交联剂在沥青中的交联机理，并以此为基础对中温煤沥青在催化剂作用下进行交联反应。结果表明，交联剂在C/C复合材料基体中的交联作用非常明显，不仅基体本身的残碳率及耐热程度有很大提高，而且，以它制成的C/C复合材料的抗压强度也有显著增加。     

小城镇低碳科技发展策略浅析

保护自然环境实现可持续发展是人类目前面临的首要问题,城镇是解决该问题的核心所在.以"低碳经济"来打造"低碳城市"进而建设低碳社会是引领城镇发展的重要方向.从我国低碳城市发展及节能减排的背景入手,运用相关的低碳经济与技术知识对安徽省五河县进行浅要的低碳发展策略分析,以求加深对小城镇低碳经营的理解.     

Microstructural study of the ablation behaviors of 3D fine weave pierced Carbon/Carbon composites using plasma torch at ultra-high temperature

Carbon/carboncompositesareafamilyofad vancedcompositematerials.Theyarethemostad vancedformofcarbonandconsistofafiberbasedon carbonprecursorsembeddedinacarbonmatrix.Thisuniquecompositiongivesthemsuchpropertiesaslowdensity,highthermalconductivity,goodtherma…     

凝固浴中加入碳纳米管对ＰＡＮ碳纤维原丝结构性能的影响

在凝固浴中加入经酸处理的多壁碳纳米管（MWNTs）,制得多壁碳纳米管-聚丙烯腈纤维,并对其进行了表征．结果表明：在凝固浴中加入酸处理MWNTs,对填补PAN碳纤维原丝内部的微孔有明显的作用;对PAN原丝的结晶结构几乎没有影响;降低了原丝的晶区取向;提高了原丝的断裂强度、断裂伸长率及拉伸韧度．     

碳包覆粒子的制备与表征

通过热处理在多壁纳米碳管上负载2种金属氧化物颗粒,以其为催化剂,用化学气相沉积法制备碳包覆金属粒子,并利用XRD、TEM、FESEM和EDS对催化剂和产物的物相组成、形貌和结构进行表征。结果表明,金属氧化物颗粒均匀地负载于纳米碳管的管壁上,所制备的碳包覆金属粒子粒径较为均匀,具有明显的核一壳结构。     

脱硫对活性碳表面结构的影响

研究了气体脱硫对活性碳纤维(ACF)和粒状活性炭(GAC)表面结构影响的规律.。在不同的含SO2体系下分别对ACF和GAC进行了脱硫实验,利用扫描电子显微(SEM)分析、比表面及孔结构参数测定、X-射线光电子能谱(XPS)分析等研究了活性炭脱硫前后表面结构的变化。实验结果表明:脱硫前后活性炭表面形貌变化比较大,而活性碳纤维的表面形貌没有明显的变化;含水状态下的混合含硫气体的脱硫效果明显提高,增加活性炭表面“COOH(R)”的含量有利于提高脱硫效率;不同条件下脱硫ACF表面官能团变化量大于GAC。     

采用浸渍-还原法在炭纤维表面制备纳米镍催化剂颗粒

为了在炭纤维表面原位生长纳米炭纤维／纳米碳管，研究它对炭／炭复合材料微观界面结构和导热性能的影响，以硝酸镍为催化剂前驱体，H2为还原气体，N2为载气，采用浸渍-还原技术在炭纤维表面制备纳米Ni催化剂颗粒。用扫描电镜观察Ni颗粒形貌和粒径，分析讨论还原温度和时间对纳米Ni颗粒的影响及纳米颗粒的形成原因。研究结果表明：随着还原温度升高，Ni颗粒逐渐变大；随着还原时间增加，催化剂前驱体涂层先分裂，再逐渐形成纳米Ni颗粒，而后又因烧结变大；H2和N2气在Ni颗粒形成过程中还起到刻蚀涂层、吸附弱化颗粒间粘结力的作用；合成纳米Ni颗粒的最佳工艺条件是：还原温度为400-450℃，还原时间为30～60min。     

关门山低碳旅游景区的构建

在分析了关门山构建低碳旅游景区的重大意义、拥有的优势和存在的问题的基础上,借鉴国内外已开发的低碳旅游景区的成功措施和经验,从旅游者、旅游景区、地方政府及当地社区四个方面探讨了如何构建低碳旅游景区。对关门山构建低碳旅游景区提出了相关建议。