基于可再生能源水电解制氢技术发展概述

2018-09-20郝伟峰贾丹瑶李红军

价值工程 2018年29期

郝伟峰贾丹瑶李红军

摘要：化石能源的枯竭、生态环境的恶化、极端气候的频发等问题导致可再生能源被高度重视和大力开发。然而可再生能源自身的间歇性在并网时将引起电网的波动和不安全，这部分不能并网的电力造成了大量的“弃水、弃风、弃光”。解决该问题有效的办法是将可再生新能源的电力用电解水制氢技术来制取高纯度的氢气和氧气，产生的气体直接使用或是转化成电力当时机并网，提高可再生能源的利用率和占比。

Abstract： The depletion of fossil energy， the deterioration of the ecological environment， and the frequent occurrence of extreme weather have led to the high priority and vigorous development of renewable energy. However， the intermittent nature of renewable energy itself will cause fluctuations and insecurity of the power grid when it is connected to the grid. This part of the power that cannot be connected to the grid causes a lot of "disposal of water， abandonment of wind， and abandonment of light". An effective way to solve this problem is to use the electrolyzed water hydrogen production technology to generate high-purity hydrogen and oxygen from the power of renewable new energy. The generated gas is directly used or converted into electricity and connected to the grid to increase the utilization rate and proportion of renewable energy.

关键词：氢能源；氢储能；可再生能源；水电解制氢技术

Key words： hydrogen energy；hydrogen storage；renewable energy；water electrolysis hydrogen production technology

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0236-02

1 绪论

1.1 我国可再生能源电力的消纳问题

自18世纪的工业革命以来，传统的化石能源（煤、石油、天然气）是人类发展中最主要的一次能源[1]，然而随着传统化石能源的大量开采和使用，导致的能源枯竭、气候变化和生态环境问题日益突出[2]。因此大力开发和利用可再生的能源已经成为世界共识[3]。然而可再生能源的不均匀性、间歇性造成并网输送会对电网造成冲击，引起电网的波动和不安全，因此造成大量的可再生能源电力无法并网使用，这部分不能并网使用的电力就造成了大量的“弃水、弃风、弃光”。

据国家能源局统计，2017年全年弃水电量515亿千瓦时，弃风电量419亿千瓦时，弃光电量73亿千瓦时[4]，表1为近三年我国“弃风、弃风、弃水”的电量统计。

1.2 氢能的优势

综合上述发展可再生能源，储能是关键。在众多的储能技术中，氢能及氢储能具有明显的优势。氢能作为一种理想的可再生的二次能源，与其他能源或是能源介质相比，其具有如下优点：①能量密度高，其能量密度可达142，351kJ/kg，是除核燃料外能量最高的燃料，其燃烧发热值约是汽油发热值的3倍；②可再生性，氢气燃烧后或是化学反应后，其产生的物质只有是纯水，纯水可以再次回收利用，因此具有可再生、循环使用的特性；③清洁性，与其他燃料相比，氢气燃烧时最清洁，其燃烧产物只有纯水，无任何一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等对环境有害物质产生；④氢能在自然界普遍存在，它主要氧化物-水的形态存在自然界，而水是地球上覆盖最广的资源，因此氢气获取无资源的壁垒问题[5]。

此外对可再生、可持续能源系统，氢气是一种极好的能量存储介质。氢气作为能源载体的优势在于：①氢和电能之间通过电解水技术可实现高效相互转换；②压缩的氢气有很高的能量密度；③氢气具有成比例放大到电网规模应用的潜力[5]。

2 水电解制氢技术

2.1 制氢技术目前主流的制氢技术主要有：化石燃料制氢、水电解制氢、生物质制氢、太阳能光解制氢等方式。目前我国工业用的氢气绝大多数是通过化石燃料制氢的方式获得的，其中以煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢为主[6，7]。化石燃料制氢技术是目前应用最多，最广泛的技术，但是由于其面临着资源有限，制氢过程污染严重，初期投资成本高等问题，因此是一种不可发展持续的制氢技术。此外生物质制氢以及太阳能光解制氢技术，目前均在研发、试验阶段，并没有大规模应用到实际中。

電解水制氢是一种应用广泛、技术成熟、工艺简单、制取的氢气和氧气纯度高的制氢技术，其优点有：①工艺流程短；②制氢过程清洁，无任何的有害气体或是“碳排放”；③消耗电力较大，可以消纳多余的可再生能源电力；④制氢装置启动快，反应迅速，可以较好适应和匹配可再生能源电力的波动性。但是由于消耗电能较多，制氢成本较高，因此未大规模使用。但是利用“弃水、弃风、弃光”的电力来制取二次能源氢气，不仅实现可再生能源电力的利用，同时使电解水制氢去的氢气成本更低。

2.2 水电解制氢技术的发展电解水原理是在电解液中通入直流电，在电节的阴极和阳极上分别发生放电反应，阴极反应：4e+4H20=2H2↑+4OH-，阳极反应：4OH-=2H20+O2↑+4e，总反应式为：2H2O=2H2↑+O2↑，从而在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。发展至今，电解水制氢设备主要有三种不同的电解槽，分别为：碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽，三种电解槽虽然采用的材料，工作温度，电解液均由区别，但是电解的原理均相同。

①碱液电解。碱性电解槽通常采用NaOH和KOH溶液作为电解液，在电解过程中不消耗碱液，碱液只起到离子转化的作用。碱性电解槽是发展时间最长，技术最为成熟的电解槽，具有操作简单，成本低的优点。缺点是电解效率低，同时碱液也存在这一定的腐蚀性。碱性电解槽通常的工作温度在40℃至80℃。

②聚合物薄膜电解（Proton Exchange Membrane）。聚合物薄膜电解也称质子交换膜电解，PEM电解水技术是利用交换膜代替了传统碱液电解槽中的隔膜和电解质，质子交换膜两侧是催化剂构成的多孔电极。PEM电解槽的优点是电解过程中无任何化学药品，电解效率较高，同时由于质子交换的隔离作用，因此安全系数高，此外电解槽的体积也较小。缺点是通常电极材料需要常用贵重的铂合金，以及PEM膜相对较贵，因此造价高。

③固体氧化物水解（SOEC）。固体氧化物电解槽是韩国能源研究所，开放出来的一套效率更高的水电解系统。原理仍是电流将水分子电解成氢气和氧气并分别收集起来。不同的是，这套电解系统在电解和电解质上够改成了固态。这套固定电解状态在高温下运行，因此整套系统电解效率更高。但是电解槽在较高的温度下工作（700-1000℃）[8]，电解和电解质的材料和寿命均是较大的考验和挑战，此外该技术目前还在实验室阶段，还未大规模的应用在工程实际中。（表2）

3 水电解制氢技术与可再生能源的结合

利用“弃水、弃风、弃光”的电力来制取氢气，将氢气作为二次能源或是燃料应用工业中是近年来氢储能和氢能源发展的思路。氢储能技术已被认为是解决弃电问题的最有效途径，目前我国和欧美国家均开展了广泛研究，并在部分地区建成了示范运行项目。比较著名的案例有挪威在优特西拉岛建设了一套风力发电和氢气储能并发电全面结合的供电系统，岛上的供电系统在风力较大时，风能电力过剩时，用过剩的风电通过水电解技术制取氢气并储存起来，在风力较小时，氢气燃料电池会利用储存的氢气生产必需的电力，从而保证岛上居民正常用电[9，10]。

近年来我国也加快了可再生能源制氢示范项目的建设，例如，2016年河北建投新能能源公司借鉴德国勃兰登堡州在开发利用可再生能源、改善生态环境等方面的经验和做法，引起德国McPhy能源公司的风电制氢技术，规划、建设“沽源风电制氢示范项目”。此外金凤科技集团在吉林获批的风电桩桩基100MW，也包含了10MW的制氢容量。这些项目的实施和开展为我国后续的风、氢耦合项目以及氢能源综合利用提供了较好技术参考。

4 弃电制氢技术的展望

基于“弃水、弃风、弃光”的电力制取氢具有重要的意义，不仅可以降低直接的经济损失，同时对推进我国的氢能源综合利用和开发具有重要的意义。为此，我国实施顶层规划，积极推动此类技术和项目的研究和应用。利用可再生能源制氢气和储氢气技术，并通过燃料电池这个关键的设备产生电力。这种可持续的循环能源思路思路非常非常适合国土辽阔、可再生能源丰富但不均匀的国家，对于消减电力峰值、高效储运电力作用明显。加快制氢、储氢、氢燃料电池技术的研发和应用对于推动我国的可再生能源产业健康发展、优化能源结构都具有十分重要的意义。随着国家的高度重视，相信在未来几年我国的氢能和燃料电池技术会有重大的突破和发展。