基于可再生能源水电解制氢技术发展概述

化石能源的过度使用带来了一系列问题,双碳目标下,人们对于可再生能源的需求也在逐渐增加,电解水制氢技术的商业化、工业化生产也逐渐为人们所重视。本文分析了当前水电解制氢技术三种制氢工艺的优缺点,对其发展现状进行了总结与评判,并对可再生能源水电解制氢未来的发展趋势进行了展望。     

我国可再生能源发电制氢的发展概况

化石燃料的利用在短时间内带来重大的技术进步的同时也带来了诸多问题。选择绿色无污染的可再生能源作为化石燃料的替代品是实现"碳中和""碳达锋"目标的主要步骤。但是可再生能源的波动性和间歇性在并网时会造成电网的不稳定性,引起严重的弃光、弃风、弃水现象。电解水制氢技术被认为是脱碳制氢关键过程,同时也是实现能源转换提高能源的利用率的一种有效方式。本文对电解水制氢技术及我国可再生能源发电制氢项目的现状进行介绍,并列举了可再生能源发电制氢项目存在的问题及提出的建议。总之,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。     

清洁氢能源制备技术的研究现状及综合分析

传统化石能源是化学工程能源供应系统的主要贡献者，但随着“碳峰值”和“碳中和”等可持续发展战略的提出，目前的科学研究转向探索可再生或循环能源的转化技术。综述了再生资源转化氢能的典型工艺的化学工艺设计与强化、技术经济效益、热力学效率和环境性能。一些新兴的制氢技术比传统的生产氢气的技术具有更高的能源效率和更低的碳排放。此外，在短期内，工业副产氢是一种可以满足氢气需求的过渡性措施，从中长期内，可再生能源电解制氢将成为氢源的最终出路。值得一提的是，在可再生资源制氢的系统设计中，在风光水等可再生能源区域，一般都会离用氢负荷中心很远，因此，在储存和运输环节，也必须与之相适应，比如发展管道运氢，液罐运氢等，从而在拓宽经济运输半径、优化关键运行参数以降低处理和工艺基础设施成本方面，还需要进行更多的研究。综述了可再生能源制备清洁氢能源领域的前沿转化技术和终端产品，分析了清洁氢能源转化技术面临的挑战、前景和发展趋势。     

电解海水制氢的机遇与挑战

在双碳目标的背景下,氢能是传统化石能源的重要替代能源,相比化石能源的高碳排放和高污染,氢能表观上是一种绝对清洁的能源。各种制氢技术以及其发展方向是当下研究人员的关注热点,电解水制氢技术是实现将电能转换为氢载体进行储存的最理想方式,本文着重介绍了电解海水制氢技术,分析了电解海水制氢发展的机遇与挑战。     

基于可再生能源纯水电解制氢技术展望

化石能源的消耗、生态环境的不断恶化,导致大力开发和利用可再生清洁能源解决当前的能源危机成为当务之急。然而可再生能源因其本身具有不均匀性、间断特性,导致它的利用率和占比低。水电解制氢技术已相当成熟,尤其是基于PEM电解水制氢系统的响应速度快,适应动态操作的特点,适合于可再生能源消纳制氢,将制取的氢气作为燃料应用在工业P2G中,是近年来氢储能和能源循环的发展思路。     

加快生物质废弃物吸附增强制可再生氢气

作为全球性的优质能源载体,氢的主要生产方式包括碳氢化合物（例如天然气、煤炭和生物质）的热化学过程以及使用电力来源与可再生能源（如风能或太阳能等）的水电解过程。目前的水电解技术在大规模制氢方面经济竞争力亟待提升。本文指出：为了在2060年实现碳中和,迫切需要开发绿氢制备新技术,大力发展可再生制氢和低碳制氢。具有碳捕集、利用和封存的碳氢化合物低碳制氢（蓝色）技术将占重要地位,随后逐步转向可再生制氢（绿色）,并有望全面实现零碳制氢,进而对长期低碳化社会的发展至关重要。文章提出我国生物质资源非常丰富,但生物质废弃物制氢的技术成熟度仍然较低,迫切需要开发从生物质中高效生产可再生氢气的新技术,以显著提高氢气产量并降低成本;吸附增强反应代表了一种可用于可持续生产氢的有前景的新技术;氢气的产率和纯度可以通过过程强化得到显著提高,制氢过程的强化可以在多功能反应器中实现,其中重整和/或气化、水煤气变换和CO₂移除步骤可将重整/水煤气变换反应催化剂和CO₂捕集剂混合而集成到一个反应器中。最后指出：由于该过程潜力巨大,因此应助推耦合气化和吸附增强反应过程从生物质废弃物中生产可再生氢气的工艺过程,以加快推进碳中和进程。     

碱性水电解镍基析氧催化材料最新进展

通过碱性水电解制氢技术,将可再生能源转化为绿氢,是实现能源储存和分布再平衡的最具应用前景的方法。开发低过电位的碱性水电解电催化剂是降低绿氢电耗和成本的必要条件。镍基材料是目前商业化碱性水电解制氢应用最广泛的电催化剂,但不断追求高电流密度和快速动力学的高效电催化剂是提高碱性水电解制氢设备性能的主要研究方向之一。综述碱性水电解制氢镍基析氧催化材料的研究进展,包括反应机理、评价指标和制备-结构-性能关系。同时,对目前存在的问题进行剖析,并对未来发展方向进行展望。     

太阳燃料甲醇合成

我国将力争于2060年前实现碳中和,而实现碳中和的根本途径是能源利用形式由化石能源向可再生能源转变。本文指出太阳燃料甲醇合成（又称“液态阳光”）是利用太阳能等可再生能源分解水制取绿氢,再将二氧化碳与绿氢结合转化为甲醇的综合性技术,它不仅可将再生能源存储在液体燃料甲醇中,还可解决重要领域如冶金、建材、化工中的刚性二氧化碳排放,是实现碳中和目标切实可行的技术路线和有力手段。本文就作者团队研究发展的液态阳光水分解制氢和二氧化碳加氢制甲醇技术进行总结,并对当前液态阳光技术的工业应用进行了介绍。     

碳达峰与碳中和目标下PEM电解水制氢研究进展

氢能作为重要的能源载体，燃烧过程绿色无污染，能够助力碳达峰和碳中和目标实现。本文通过对比化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢等方式，分析各制氢方式的优缺点，阐述了质子交换膜（PEM）电解水制氢与可再生能源结合的重要意义。之后从PEM电解槽内部结构和可再生能源电解水制氢两个方面展开综述，详细介绍了PEM电解槽双极板、催化剂、扩散层、质子交换膜研究进展、存在的主要问题和未来发展方向。文中通过分析我国太阳能、风能分布特征，总结可再生能源利用存在的问题，从研究现状和产业发展的角度介绍了太阳能制氢、风电制氢、可再生能源多能互补制氢的发展。最后对可再生能源PEM电解水制氢的未来发展方向进行了展望，期望为可再生能源PEM电解水制氢的发展提供借鉴和参考。     

质子交换膜水电解制氢膜电极研究进展

质子交换膜水电解（PEMWE）制氢具有可适用于风能太阳能等可再生能源的间歇性和波动性、能量转换效率高、启动快速、占地小等优点,成为目前绿氢制取重点关注的技术。膜电极作为水电解制氢关键核心部件,对于水电解制氢的性能、效率和寿命至关重要,并随着量产规模的扩大在系统成本中的占比越来越高。发展高性能、低成本和高耐久性的膜电极对于绿氢的低成本大规模制取具有重要意义。本文综述了近年来质子交换膜电解水制氢膜电极中质子交换膜、催化层、多孔传输层等关键材料部件以及膜电极制备技术的研究进展和成果,并进行了简要评述。从膜电极设计和开发的角度系统地梳理了如何提高电解制氢性能、降低水电解制氢膜电极成本等方面的进展。最后,就未来膜电极研发的方向提出了建议。     

我国石化化工原料低碳化发展路径

介绍了为我国石化化工行业提供碳、氢元素的化石能源矿产、循环回收原料、生物基原料和可再生能源制氢等四类主要原料的碳排放特点;重点分析了我国炼化、石化、煤化工三个重点行业原料低碳化发展路径;指出,在碳达峰阶段,我国石化化工原料低碳化发展的主要目标是提高化石能源矿产中碳氢元素利用效率,通过适度进口低碳原料满足行业发展需求。在碳中和阶段,应将可再生能源制氢、循环回收原料、生物基原料作为增量原料的主要来源,并部分替代化石能源,形成化石能源矿产、可再生能源制氢、循环回收原料、生物基原料四足鼎立的原料格局。     

在“双碳”目标下可再生能源电解水制氢的发展机遇

随着“碳达峰,碳中和”目标的提出,我国能源结构调整成为关键点,煤炭、石油、天然气等传统化石能源占比正在逐步下降。氢能作为低碳、清洁,高效、安全、应用广泛的新型二次能源,可以同时满足资源消耗、环境保护和可持续发展三方面的需要。利用“弃水、弃风、弃电”等可再生能源水电解制取氢气,将制取的氢气作为可再生的二次能源或是燃料应用在P2G中,建立电-氢协同系统,能够有效提高可再生能源电力可调度能力、降低系统碳排放。     

水电解制氢设备评价体系现状与完善

随着发展低碳清洁氢能已成为全球共识,各国制氢技术路线均立足本地氢源潜力和未来氢能产业需求,呈现低碳氢、清洁氢到可再生氢的递次发展趋势,并重点围绕可再生能源电解水制氢技术进行项目示范和产业布局。本文主要介绍了水电解制氢设备评价体系的国内外现状以及其中存在的问题,并提出了几点建议。     

绿氢在炼化产业减碳中的作用研究

随着我国能源系统中可再生能源占比逐年增加及成本下降，炼化企业利用可再生能源生产绿氢、用绿氢替代化石能源生产灰氢将成为深度脱碳的重要手段。未来原油加工量将继续下降，炼化企业氢气需求将随之减少，而随着氢能交通的发展，交通用氢需求将大幅增长，炼化绿氢装置将成为交通用氢的重要供应者。同时，炼化企业的制氢和储氢装置也可作为储能单元，为平抑可再生能源波动性，平衡电网负载，实现电力系统与工业、交通运输部门之间的产业互连提供支持。     

氢能及炼厂制氢技术低碳化转型发展

为实现“双碳”目标及加快能源结构绿色低碳转型，氢能作为一种高效、清洁的可再生能源被列为未来大力发展的能源。通过对我国能源结构发展及炼厂制氢技术的分析，总结了氢能作为能源的优势。我国炼厂制氢以轻烃蒸汽转化及煤气化制得的“灰氢”为主，为实现“灰氢”向“蓝氢”的转型，介绍了几种炼厂制氢装置与CCS或CCUS技术结合的案例，说明我国炼厂制氢技术低碳化转型发展方向。     

甲醇燃料的研究进展与展望

随着化石资源的不断枯竭,能源消费将逐步向可再生能源时期发展.甲醇燃料不仅可以替代汽柴油作为内燃机燃料,而且也可以作为燃料电池等燃料或新型C1化工原料;不仅可以由化石能源生产,而且也可以由可再生能源生产:不仅具有高效、清洁燃料的特征,而且具有生产技术成熟、原料来源丰富的特点,能够实现可持续发展.甲醇燃料是理想的能源载体,在化石能源和可再生能源时期均可发展应用,特别是对于以煤为主要能源的中国,在由化石能源向可再生能源时期过渡的阶段,选择甲醇燃料为发展方向,意义将十分重大.     

PEM电解制氢技术问题及现状分析

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称PEM)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外PEM制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。     

风光氢储综合能源系统优化配置

由于能源危机和大量使用化石能源造成的环境污染,可再生能源技术在近几年中得到迅速发展。但风电、光伏等发电设备出力的波动性及其大规模并网带来的扰动也逐渐成为限制可再生能源更大规模应用的严峻问题。氢能源具有来源众多、清洁无污染、能量密度大、可再生、易存储、用途广泛等特性,适宜作为可再生能源的二次载体,因此,含可再生能源发电和氢储能设备的综合能源系统将成为未来能源系统的主要发展方向。本文立足于风光氢储综合能源系统,通过建立运行模型,研究其以经济效益为目标的优化配置方法,为综合能源系统的建设和氢能源的应用提供有效参考。     

氢气制取技术应用现状及发展趋势分析

介绍了各类氢气制取技术及当前的应用现状,包括以天然气为主的传统化石燃料制氢和以核能、可再生能源为主的新型制氢技术,并综合考虑制氢技术的CO_2排放量、制氢效率及经济成本,阐述了各类制氢技术的优势及现存问题。最后指出利用核能的热化学循环制氢符合可持续发展要求,有望替代传统制氢成为工业大规模制氢的主流技术;基于风电和光伏发电的可再生能源制氢技术具有清洁环保、零碳排放的优势,未来将会成为小规模制氢的重要补充。     

碱性电解水制氢催化剂的研究现状与进展

与可再生能源相结合的电解水制氢是绿氢生产的主要技术路线,在“双碳”目标的驱动下,这一绿色科技有望成为能源变革的核心,也是清洁能源版图中的重要一环。碱水电解制氢技术发展最为成熟、商业化程度最高,是电解水市场的重要组成部分。电解槽作为电解水技术的关键设备,其技术发展程度影响着绿氢规模化发展进程,而高效稳定的电催化剂是碱水电解槽性能提升的关键。文章综述了碱性电解水的反应原理以及近年来阴极和阳极电催化剂的研究进展,对碱性电解水技术发展面临的关键问题和解决思路进行了分析和展望。