大连化物所俞红梅:可再生能源电解制氢与氢储能

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氢由于它运输的困难性,现场制氢 应用是比较好的,而现场制氢最容易采纳的一个技术就是电解水制氢,最早是美国、日本都进行了小规模的电解制氢 应用。那目前太阳能制氢储能这个技术到了什么程度呢?已经到了国际标准的程度,从电堆方面,我们正在负责氢储能的太阳能电解的国际标准。

1835年英国人发明了氢燃料电池原理,经过160多年才产业化

我们人类发展过程中是减碳加氢的过程,为什么这么说呢?从开始的钻木取火,全部是木头,里边有点没蒸发的水分,然后我们用的是煤炭,然后用的是石油、天然气,这样一个过程中碳的比例逐渐减少、氢的比例逐渐升高,我们现在看,碳如果到0以后是不是这个能源载体就有可能是氢,所以我们考虑这样一个问题。

中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅

同时现在随着我们的经济发展,特别是我们中国的经济发展,二氧化碳排放越来越多,因为我们发展要耗能,因为我们用的能源载体和燃料是石油、天然气,碳的排放是一直在增加的,因此《巴黎协定》也好、《国际公约》也好,就限制了我们能源要转型,能源转型核心扩散,需求来源于很多方面,电力供应、化石燃料、可再生能源的利用率 。

可再生能源的利用率 问题 ,2018年新疆弃风多少,我们新用户发展可再生能源有1/4不能用,我们怎么做这个事情。能源转型中如果我们把氢作为一个能源载体的话,考虑一下我们能用氢来做什么事情。第一个,氢其实不是一个 新 东西,是元素周期表第一号元素,我们在学化学的时候氢是最简单的元素,实际上它在工业中有很多的用途,但是我们现在工业用途来源不同。

最近几年随着全球的变暖,随着二氧化碳排放增加的情况下,有这样一个国际共识,就是说我们希望、人类希望把氢的使用量加大,含碳的燃料使用量降低。因此在2017年波恩气候大会上有一个共识,到2050年的时候预计氢能占人类总能耗的20%。我们做研究一直做氢相关的,至少在五年前我们这个行业发展的时候,还不敢说氢能占百分之几,去年我们国家的氢能联盟,就是国家能源集团牵头的能源联盟,估算了一下,到2050年氢能可能会占我国的能源总消耗的10%,就是说中国的预计。

这样一个国际1/5的氢消耗,可以做20%的贡献,如果达到20%的氢能源消耗的话,可以把低温的升温减缓0.4度,这也是不得了的事情。

氢的用户在哪儿,除了传统的用户,可以给氢燃料电池车提供燃料,这个燃料电池车用纯氢,不用我们现在的汽油了,同时氢作为一个工业过程燃料,建筑过程中发电也可以来使用。这样一个用途氢的年需求量是目前的10,我们现在传统工业上的制氢可能就不够了,这是欧盟理事会总结出来的和我前面说过的类似工业用氢等等。 件下,简单的按目前的氢的用途大概 的情况 ,如果按照波恩气候大会的需求,可能要涨大概3倍以上,里面包括了发电、交通、建筑加热、工业用能、新的工业发展用氢。

最近在国内我们和氢相关的行业,前两天有人说,我们的企业现在如果不做氢的规划有点不好意思,因为氢能在上升,上升的导火索,就是2014年到2015年,日本丰田把氢燃料电池车终于产业化了,氢燃料电池这件事情实际上是一个很古老的事情,1835年英国人发明了氢燃料电池原理,经过160多年才产业化,这个产业化过程带来了整个氢行业的发展。

实际上在氢燃料电池车产业化之前,日本家有的燃料电池发电里面,日本家用发电已经30万台的市场拥有量,是在建筑和家用屋顶发电氢燃料电池是走在前面的,然后是车。除了日本以外,韩国、加拿大、美国都有相应的燃料电池发电的用户。其实氢的用途如果从可再生能源来做的话,所谓Power To Gas,从电到气,或者衍生以后电解燃料,最先德国开始进行示范应用的。 路线氢来自于可再生能源发电+二氧化碳合成燃料。

最近有几个生产方式,在我们国家兰州,我们所用加氢的办法和二氧化碳来推广合成甲醇,这也是一个氢+二氧化碳的工业示范。氢在运输上的一个门槛大家想,氢材料怎么运输, 目前状况下,我们目前有现成的天然气管网,天然气管网里面我们不加任何处理就可以做到5%的氢气注入,就是说这个天然气管网可以容纳5%的氢气,如果天然气不足的情况下,像我们国家前年弃光时候,如果我能加进去5%的氢气,这样可以提供5%天然气的供给量。美国国家实验室评价将近1520%容纳这么高的氢。

在工业特殊用途情况下,我们国家现在就有比如法液空这个公司做了纯氢,有70公里和几十公里的纯氢管道,是百分之百的氢,里面不加天然气,因此有必要在100公里左右的纯氢管道,纯氢用途就可以发挥了。

欧盟对氢能未来的远景,欧盟预计整个能源消耗1/4,都有比较好的预期,包括二氧化碳的排放。 而 美国氢能规模化的核心就是制氢和储氢,它的能量来源就是风电、可再生能源,当然天然气也可以。电力不足的时候就制氢,制氢的应用是这样一系列的应用。

国际能源署就氢能发展提出了七个建议、四个机会

基于这样一个认识,最新的消息跟大家分享一下,今年6月份在日本东京G20会议,今年 G20会议之前国际能源署单独为氢开了一个会议,提出了七个建议、四个机会。七个建议,确立氢在长期能源战略把它商业化,要支持新的研发和政策,加强合作。四个机会,主要是说天然气管道、工业管口作为加氢输氢的枢纽,整个储运,希望开通氢气贸易线。

按照目前来讲,全球氢气需求是这样一个途径。这是氢气产业的供给和需求的统计,这也是G20前国际能源署发布的数据。

目前我们从定性来讲,氢的来源,我们除了数字以外可以定义一个概念,氢根据来源不同,国际能源署分成这样几个概念,分成灰氢,或者有人叫棕色氢,还有蓝氢、绿氢,什么叫灰氢?从煤炭来源的,叫灰氢或者棕氢。天然气就是相对干净一点的,少排一点二氧化碳,叫蓝色的氢。终级,我们将来2050年20%的能源消耗,我们当然不希望灰氢、也不希望有二氧化碳,希望绿氢,绿氢就是过程中没有二氧化碳排放的,是这样一个远景的希望。

电解水制氢现在最成熟的是碱性水电解

目前的成本,按目前的电网价格和制氢的工艺来看,国内的制氢成本最高应该说用电网电来电解质制氢,当然谁也不会这么土豪用电网电,我们用可再生能源,即使可再生能源也比较高,因为可再生能源的度电成本大概也得几毛钱,最便宜的是煤制氢,但是恰恰是煤制氢我们可以从中国国家能源集团举动看出来,因为国家能源集团就是前面的神华,现在国家能源集团是中国氢能联盟的盟主,国家能源集团正在用可再生能源制氢希望把下面类的降下来、把绿的提上去,电解水制氢感觉比煤制氢干净一些。

每年可再生能源定性来讲我们国家的弃风弃光弃水还是挺严重的,如果用这些弃掉的电来生产氢,每年几百万吨。按照我们现在的加氢站来看,加氢站是氢利用的一个枢纽,我们看国外日本现在已经100多座了,德国现在是63座,美国现在是64座,今年的目标基本上德国和日本都要到100座,明年日本大概要160座。美国有一个特别的规定,今年美国的加氢站40%需要可再生能源制氢,而不是说从天然气和煤来制氢,这是我们国内加氢站的现状,在建的、在用的情况。但是国内加氢站里面我们可以看,现在里面有几座是可再生能源制氢,结合风电、太阳能+电解水制氢的,其他的有很多槽车运输氢现场加氢的,特别在城市中心的地带,氢的运输就是至少在交通高峰的时候,由于氢的安全管辖,安全有一定的障碍。

这是我们国家自己现在多方面进行能源规划有这样几个用途,可再生能源制氢和氢应用,我们主要是对季节性可再生能源,利用它的电来发电制氢,制氢以后可以替代石油、替代天然气、替代焦炭。

电解水制氢的技术本身,大概有三种,分别是现在最成熟的碱性水电解、纯水电解,未来的SO电解,成熟度来讲碱水制氢是最成熟的,我们国内有三四家公司做这个。目前考虑技术先进性来讲,PEM制氢可能是技术选择,从能耗、从成本来讲,可以考虑电源密度,目前碱水制氢大概是200毫安/立方米,PEM制氢这个单位是每平方厘米,至少我们是碱水操作的大概5倍10倍,是不是可以这样理解,我可以比它贵510倍。同时效率大家可以知道,冲刺的时候跑的能耗和漫步的时候跑的能耗是不一样的,因此高密度运行的时候这个能耗可能高一些,这是我们的技术先进性。

国外的PEM电解水制氢和燃料电池几乎是并行的,最开始航天和水下,类似的我们国内在那个时期我们也开展了类似的工作,只不过没公开而已。近期迅速产业化,所谓H2ONE,把燃料电池和电解水制氢放在一起,有太阳能的时候电解水制氢放在这里,没有太阳的时候应急的时候就用燃料电池发电,这个东西在日本已经运行了四五年,安全性、可靠性进一步的验证。同时在大规模制氢方面,日立造船,做2兆瓦以上的制氢,它的用途就是从可再生能源制氢,加二氧化碳制燃料,英国的ITM的3兆瓦的电解制氢,这个是1兆瓦的电解制氢。

国际来看有这样几个公司可以提供大规模的太阳能电解制氢的产品,国内我们和中船重工718所,分别做了大概2千瓦左右的太阳能电解制氢的基础开发。

太阳能电解制氢也需要所有材料高度均一性

最后说一下我们所的电解制氢技术,说到大连化物所电化学上第一反应是燃料电池,我们确实做了已经几十年了,我们这个电解制氢实际上来源于可再生燃料电池,就是在特殊领域应用的时候,有太阳的时候电解水制氢,把水变成氢、氧存起来,没有太阳的时候变成燃料电池发电,大家一想就知道大概什么用途。我们这两边,一边是电解制氢,一边是燃料电池,燃料电池现在正在全国进行产业化,电解制氢可以借用很多燃料电池方面的技术,但是太阳能电解制氢和SO不一样,所以我们不可能把它单独拿过来用,对电解制氢有很多电化学问题需要单独来解决。

这是简单的原理,中间是质子交换膜,这边是纯水,纯水就社成氢气、氧气,这样带来的产品纯度高,可以高到4个9以上。这是PEM水电解池的结构,这样组合到一起就是一个电解层。 件下释氧的催化剂、OER催化剂、HER催化剂都是要推进储能。同时这里面因为是高释氧,双极板一般用钛,钛材料也比较贵。国外做太阳能电解技术厂商很多在国内采购材料,就是我们可以保留国产化的。 件要做处理。薄层双极板技术,可以输出比较高的压力,做到几十公斤的话,对它的加工技术也是很高的要求。

整个电解质结构,我们目前做了几个兆帕,如果我们设计得当的话可以让它做几十个兆帕的输出,当然这里面消耗的代价是电,因此我们如果密封结构做好以后,可以把整个电解液做直接高压产氢的方式,对于后续的氢气运输和给燃料电池加注的时候,对氢气压缩机的要求就降低了许多,所以这是一个可能。另外一个,和所有电化学电源类似的一个特点就是说,太阳能电解制氢也需要所有材料高度均一性,因此要提供兆帕级以上的产品必须还是药工业化的生产装置。

整个太阳能制氢现在在我们实验室也做了几十千万,这是我们实测的数据,两侧的数据跟踪非常迅速,也可以跟可再生能源非常迅速,都是几秒钟的数据,太阳能制氢和碱水相比,在碱水和太阳能之间欧盟选择了太阳能制氢。

这个概括一下,是我们化物所做太阳能制氢的进展,这几个都是再生燃料电池,个别领域应用的,后来民用以后,分别给中海油和国网都提供了这样的产品,给国网可以做到3.5兆帕的输出,我们现在实验室正在做100千瓦的单极。从技术来讲电解水制氢的核心专利,如果大家去搜的话可能有很多很多专利,不止这个数,但是我们筛选以后对它的制造和加工有作用一多半是日本的,然后欧美的,国内有一小部分。

目前太阳能制氢储能这个技术到了什么程度,已经到了国际标准的程度,从电堆方面,我们正在负责氢储能的太阳能电解的国际标准。与此同时,日本东芝负责的是氢储能系统的,我们可以来推测,日本东芝为什么要负责氢储能的系统标准,一定是它为了它的产品国际化服务。所以经过这些,我想把我们的可再生能源电解制氢,是绿色和蓝色的氢。

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8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“化学储能(氢储能)”分论坛上,中国科学院大连化学物理研究所高效电解制氢研究组组长俞红梅作“可再生能源电解制氢与氢储能”报告。该文根据报告速记整理。 北极星氢能网 氢小星(微信号:chunengshequn)

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