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一文读懂氢能应用

日期:2022-02-28 20:15:01


提要

如何制备氢气,来源是什么?由于大气中不含氢,氢气不能通过简单的空气分离直接获得。需要通过制备获得。

目前,制氢技术主要包括传统能源和生物质的化学重组、水的电解和光解。其中,天然气制氢是目前最主流的形式,但电解水制氢有更广阔的改进空间。气化制氢和天然气重组制氢CO? 排放量高,对环境不友好。为了实现3060的目标,化石燃料制氢越来越不可持续。电解水制氢是可持续和低排放的,将成为未来制氢的主流方式。从成本分析来看:在主流制氢方法中,化石燃料制氢成本远高于石化燃料①煤炭制氢煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的合成气。合成气通过变换和分离产生氢,可以产生纯度超过99%的氢。氢成本为 10~15 元/kg。②天然气、石油:天然气、石油产品产生一氧化碳合成气,然后通过 PSA 法或膜法分离法转化为二氧化碳和氢气,从而产生高纯度氢气。这种方法产生的氢成本与煤相似。③甲醇、氨:甲醇裂解制氢、氨分解制氢等均属于含氢化合物高温热分解制氢含氢化合物。④工业尾气制氢:合成氨生产尾气;炼油厂回收富氢制氢;氯碱厂回收副产氢制氢;焦炉煤气中氢的回收利用。平均成本为8-14元/kg。⑤电解水制氢:目前每生产1m常温常压氢气(1)m3氢气约为0.09kg)需要消耗大约55的电能~5.5kWh,使用最便宜的谷电制氢(如 0.3 元/kWh),加上电费以外的固定成本(约 0.3~0.5 元/m3)综合成本为 1.8~2.0 元/m3.制氢成本为 20~22元/kg。根据国家发展和改革委员会能源收入研究,如果使用当前可再生能源弃电制氢,则弃电按 0.1 元/kWh按计算,制氢成本可降至10 元/左右kg,这相当于煤制氢或天然气制氢的价格;但如果电价是2017年全国大工业平均电价0.6元/kWh 制氢成本约为35-37元/kWh,成本远高于其他制氢方法。

表1 制氢成本(发改委能源研究所数据)根据光大证券提供的数据,95%以上的主要制氢原料来自传统能源的化学重组(48%来自天然气重组, 30%来自酒精重组,18%来自焦炉煤气),约4%来自电解水。此外,由于日本的氢能利用处于世界的前沿。日本盐水电解产能占所有制氢产能的 63%。此外,天然气改制(8%)、乙烯制氢(7%)、焦炉煤气制氢(6%)和甲醇改质(6%)也占比较高。那么氢气生产能做什么呢?---也就是说,和氧气(空气)在特定环境中进行化学反应,释放电能和热能。

阳极:2H2-4e→4H 阴极:O2 4e 4H →2H2O图1 燃料电池这里的特定环境指的是燃料电池。(如图1所示)燃料电池是一种发电装置,通过电化学反应将燃料(氢气)和氧化剂(空气中的氧气)的化学能量直接转化为电能。理论上,燃料电池可以在100%的热效率下运行,实际上接近60%-80%的效率和高经济性。此外,燃料电池装置不含或含有少量运动部件,工作可靠,维护少,比传统发电机组安静。此外,电化学反应清洁完整,无有害物质。所有这些都使燃料电池被视为一种非常有前途的能源动力装置12019 年两会期间,氢能首次写入政府工作报告,---继续实施新能源汽车采购优惠政策,推进充电、加氢等设施建设。对于氢能来说,这是国家政府工作报告中第一次单独提出,具有重要意义。说到燃料电池技术,许多人会认为它是一种新的高但不一定成熟的技术。事实上,燃料电池已经在军事领域得到了应用和研究。20世纪60年代。由于载人航天器迫切需要大功率、高功率和高功率电池,燃料电池引起了一些国家和军工部门的高度重视。美国成功开发了阿波罗登月飞船上的主电源培根中温氢氧燃料电池。20世纪70年代~20世纪80年代,由于世界能源危机和燃料电池在太空中的成功应用,以及其高能量转化效率。促进以美国为首的世界发达国家大力支持民用燃料电池的发展。4如果读者对海军武器感兴趣,他们将了解现代德国海军的212A级和214级AIP(Air Independence Power)不依赖空气推进装置技术潜艇。氢燃料电池技术用于这两级潜艇。

一文读懂氢能应用

1980年代,西门子开始研究燃料电池潜艇PEMFC(质子交换膜燃料电池---该电池是目前主流的燃料电池)供电AIP(不依赖空气动力装置)今天的潜艇在德国AIP2003年4月7日,技术相当成熟和完善,试航投资27.2126亿德国马克A型U31潜艇是世界上第一艘现代潜艇AIP燃料电池潜艇质子交换膜。U31采用由燃料电池和柴一电力系统组成的混合动力系统,其中燃料电池动力系统总功率306kW,体积小,无腐蚀,功率密度大,使用寿命长,无空气。U当31由燃料电池提供的动力驱动时,它可以3周。2在民用领域,氢燃料电池在重型交通领域具有明显的优势。根据国泰君安的研究,燃料电池汽车的成本将逐渐接近甚至低于纯电动汽车汽车的成本将逐渐接近甚至低于纯电动汽车。在轻型客运方面,耐久性在 600 公里以内,纯电动汽车的成本明显低于氢燃料电池汽车,但在600公里以上,电动汽车的成本大幅上升,超过燃料电池汽车的成本。在重型货运方面,耐久性在 400公里以上,燃料电池汽车的成本将明显低于纯电动汽车。因此,与锂电池氢燃料电池相比,它在重型交通领域具有更强的技术适应性。

图3 燃料电池客车如图3所示。氢气瓶布置在车辆顶部。氢气本身是无毒的,但它具有很强的扩散能力。任何泄漏的氢气都很容易被周围的空气稀释,因此不容易被发现。一方面,它很容易在泄漏过程中迅速扩散。另一方面,泄漏的氢气不会扩散到乘客区和其他电气集中区,以避免爆炸的风险。布置在屋顶上也可以提高整体空间利用率。上述潜艇或燃料电池汽车不是唯一的动力源。燃料电池潜艇包括三种动力:传统柴油机、锂电池组和燃料电池组。燃料电池汽车包括燃料电池和锂电池(如图4所示)

为什么图4 燃料电池汽车系统原理图如此设计?因为燃料电池慢。燃料电池的输出受到许多因素的限制。由于气体参与反应,燃料电池的输出特性非常软,无法应对功率需求的剧烈变化。例如,驾驶员经常踩油门,系统增加氢输出,增加压力,逐渐提高电流密度,但电压正在下降,不仅响应缓慢,而且变化的电压也影响了整个电气系统的效率。如图5所示,它是一个额定功率55kW燃料电池从启动到最大功率的输出仿真曲线需要近20个-25s时间可以达到最大的额定功率。由于缓慢,燃料电池很难像电池或发动机那样成为电动汽车的单一能量源。在实际设计中,一般燃料电池将与电池或超级电容器组成-电动混合动力系统。依靠输出更稳定、响应更快的电池来满足高频功率需求,使燃料电池尽可能平稳地输出3。换句话说,锂电池用于加速,燃料电池用于保持速度。

图5 燃料电池功率-时间曲线

数据来源:索比光伏网


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