“绿氢”在综合能源系统中的应用前景

＊薛道伟

（国核电力规划设计研究院有限公司 北京 100089）

前言

氢是宇宙中分布最广的物质。氢的高热值是同等质量的焦炭和汽油等化石燃料热值的三到四倍。日本、德国等国成立了氢能研究中心，国际氢能委员会于2017年公布了一份关于世界氢能未来发展的调查报告。全球每年排放60亿吨二氧化碳。本文介绍了基于新能源的绿色氢气及其应用，以促进生态系统和生态系统的发展。2020年12月21日，国务院发布了《关于煤炭作为日本能源供应基础能源的明确声明》，但氢能产业链的生产、储存等技术和设备的发展加快了氢能的应用，绿色氢气已成为我国能源供应的新发展方向。绿色氢循环消耗的碳是氢循环，而我国的低碳氢化合物，根据清洁氢和再生氢的标准和评价，单位氢碳排放的低碳氢阀值为14.51kg CO2e/kgH2，清洁氢和再生氢的阀值为4.9kg CO2e/kgH2，可再生氢作为可再生能源需要制氢能源。1g氢气的燃烧热为140kJ，热效率是汽油的三倍，氢燃烧产物实际上是零排放。需要降低制氢、储存、运输和应用成本。

从生产角度来看，碳排放需求是生产环境友好型氢气的主要系统，氢气是可再生能源。2019年，日本可再生能源开发利用规模迅速扩大，包括水、电、风电、灯泡发电等，累计以机器容量位居世界前列，非化石能源已占能源消费的15.3%。利用可再生能源生产大规模氢气是可能的。近年来，我国可再生能源基础设施建设取得了良好的成效。随着技术的发展和进步，氢气技术生产、存储、运输成本也在逐渐下降。利用可再生能源的电解水作为缓冲液，产生氢气，实现可再生能源稳定可靠的出口。技术进步不断提高电解水的能量转化率，有助于降低绿色氢气的生产成本。相关文件明确指出，氢燃料电池技术链促进了氢燃料电池汽车产业链的发展。目前，我国许多地区都制定了氢燃料电池汽车政策，以支持氢燃料电池汽车的储存和基础设施建设。

1.氢能在不同方面的研究

(1)氢能源的简单介绍

①氢能简介

氢主要以化合态的形式在大自然中存在，其主要储存形式是水。氢能也是人类通过各种科学技术，从自然界获得的最为丰富、最有效的能源之一，将是未来的主要能源。

②氢能优于其他能源

电解水以氢能为二次能源，提高电力系统的灵活性，跨越多能源领域。

这有利于促进氢燃料电池技术在交通领域的大规模应用，实现消费层面的清洁能源，降低交通领域对油气能源的整体依赖，降低能源的外部依赖。

作为能源协调工具，利用可再生能源电解水制氢，实现大规模储能，掌握电网与燃气网络的连接，有效解决储能问题，了解不同能源网络之间的合作促进清洁能源的发展。

氢能是大规模有效利用可再生能源的重要载体。可再生能源的动力流向交通、工业、建筑和其他部门，并减少碳排放。

③氢能与其他能源缺陷的比较

氢具有氢闪和氢脆的危险。氢清洗具有广泛的氢爆炸限制，更容易泄漏。钢中溶解的氢与氢分子熔合，导致应力集中，并超过钢的强度极限。在余江形成了小裂纹，也称为白点。只有防止氢脆，由氢脆无法彻底消除。因此，在生产、储存和运输过程中应特别小心。

它可以通过技术解决，但成本并不便宜。石油产量远远高于单个制氢厂的产量。石油可以通过运输罐运输，液化氢的生产是不连续的。因此，氢气分离采用罐车运输，运输和安全保护的等价折旧成本是对氢气使用的一个越来越高的限制，制氢和储氢技术不成熟。长距离氢气运输的高成本限制了氢能的发展。如何获得更有效的氢气以及如何解决储氢问题是当务之急。

(2)“绿氢”制取技术的介绍

①电解水反应制氢原理

以可再生能源风能、太阳能、水利等绿色能源所产生的“绿电”，在电解水原理的基础上，电解水制取氢气，用于社会各个方面。电解水其原理是基于氧气与氢气反应的可逆反应，阳极发生：4OH-=2H2O+O2（g）+4e；阴极发生反应：4e+4H2O=2H2（g）+4OH-；总反应方程式为：2H2O=2H2（g）+O2（g）。

②质子交换膜电解水制氢技术

在质子交换膜（PEM）技术中，阳极和阴极主要是贵金属催化剂，如铱阳极和铂阴极。质子以水合质子交换的形式通过膜还原到氢阴极。质子交换膜是电解质离子的传导和气体分离的功能。优点是电流密度高，氢气纯度高，设备尺寸和重量小。

缺点是成本高。RuO2和IrO2通常是PEM电解阳极的优良催化剂，而Pt被认为是氢沉积反应的电催化剂。质子交换膜价格昂贵，会变质，缩短膜的寿命。

图1 PEM制氢技术

图2 碱性电解水制氢

③碱性电解水制氢技术

碱性电解水制氢是一种成熟的制氢技术，广泛应用于电力、电子等行业。该结构包括阳极、阴极、电源、隔膜和电解质溶液。它不需要昂贵的催化剂，寿命长，通常超过10年。

存在的主要问题是响应时间慢。在碱性电解水系统中，由高欧姆损耗引起的低电流密度主要来自三个表面。外部电路电阻、转移电阻、电化学电阻。

3.氢能的综合应用前景

(1)氢能用于居民

目前，我国居民日常的生活所需的能源为天然气，反应方程式为CH4+O2=CO2+H2O+Q，燃烧过程中均产生温室气体二氧化碳，为了有效减少温室气体的排放，可在民用燃气管道中，根据技术的成熟度逐步添加由绿电制取的绿氢，直至完全代替，该技术已经在北京朝阳区进行试点，并取得了参氢10%的成绩，有效减少的碳排放量。

(2)氢气输送的操作

商用车辆的发展大大降低了燃料电池和氢气的成本。水电站配套设施建设也扩大到汽车。商用车的发展主要集中在公共交通上，公共交通对社会的影响很大。燃料电池和氢气成本完成后，燃料电池和氢气成本将降低。商用车集中在固定线路上。这是一种支持液压设备的简单方法。随着水电站数量的增加，氢和燃料电池的成本将降低，为燃料电池汽车提供更广阔的市场，加快整个氢燃料电池产业链的快速发展，有效降低氢燃料电池产业链和氢电池产业成本。

(3)氢能取代了传统的能源

图3

绿色氢可以取代传统的化石能源，碳中和、风能、光能的概念基于太阳能和其他新能源产生的绿色电力，水被用来在电解过程中产生绿色氢，以代替化石能源产生的氢。下游产品的生产是气化产生的氢气，这与传统的化肥生产工艺相同。从牛粪和空气中分离出来的氮由氨合成，最终形成元素等化学肥料。绿色氢气的使用直接消除了气化和净化设备。还原法生产设备在减少投资的同时，形成了一种绿色发电工艺。

4.氢能源的储存技术

(1)高压储氢技术

氢气在正常大气压下，其状态是气态的，所以在一定程度上增加了储存和运输的难度。但是氢气能够被压缩成液体，这项技术类似于压缩气体储存技术。第二种方法是低压压缩氢气，原理与天然气注入技术相同。

(2)液态储氢技术

氢气是一种非常易燃的燃料，所以液态储氢技术是采用一种低温储氢技术，在低温条件下，它能将氢气转化为液态氢，并且还能再在低温下进行压缩和冷却，然后装入专用的低温容器中，在满足储存要求的情况下，以多种方式进行运输和管理。

(3)氢化物储氢技术

储氢的方法只有三种，即通过储氢合金、金属氢化物和无机非金属材料制成的不同容器进行封装。其主要条件一定要满足储存的要求（主要是温度和压力），否则氧气就可能与氢气反应，吸收大量氢气，然后在一定条件下（加热或减压）释放氢气，它主要由氢气和分子氢组成，氢化物储存技术可靠，但反应缓慢。

5.氢能源开发利用

(1)储氢技术

国家发展和改革委员会，7月，国家能源局寻求开发一种新方法，以加快新能源储存的发展。储氢能源显然已融入创新的储能技术中。储氢能可以利用过剩的电力和低成本的电力在电解水中产生氢气，通过燃烧燃气轮机来储存氢气发电，并利用燃料电池将其转化为电能。与缺陷储能和电化学储能的相对较短的储能时间（时间或日水平）相比，氢能的储能时间为几个月，在此期间不会发生能量衰减。未来，随着产量变化较大的新能源比例的增加，储氢能源在调峰方面将发挥更重要的作用。

在世界各地，日本、德国、法国和加拿大将根据各自的实际情况发展各自的储氢产业，并制定详细的发展地图，公布与氢能相关的产业政策。其中，日本在氢气和燃料电池技术及商业化领域处于世界领先地位，日本于2020年2月在福岛完成了一座10MW级制氢厂的试运行，这是目前全球最大的光学制氢系统。德国已经在勃兰登堡建造了世界上第一座风能和氢气混合发电厂。风能、氢能和沼气用于发电和风能发电。法国还在科西嘉岛建设光伏和储氢系统，利用储氢能源系统的调峰作用促进光伏发电，当光伏发电充足时，剩余的光伏设施通过电解产生氢气，氢气和氧气储存在高压储罐中。当光伏功率不足时，利用燃料电池系统为其供电和补充能量。近几年来，我国在氢能方面进行了尝试，建立了安徽、浙江、江苏等统一的新电力系统，已经拥有数十万瓦、兆瓦的氢能发电厂和氢气充电站。

(2)氢燃料电池技术

氢燃料电池是一种直接将氢和氧的化学能转化为电能的发电机。通过电解水的反向反应，氢和氧分别提供阳极和阴极，氢通过外电路到达阴极后，通过阳极的扩散与电解质反应，在电路中产生电流并到达阴极板的电子。空气中的氢离子和氧原子被重新组合成水。以氢燃料电池为代表的运输领域是氢利用的突破。主要市场：与现有汽车相比，氢燃料电池汽车的能量转换效率为60%～80%，是内燃机的2～3倍。氢燃料电池是氢和氧。产品为清洁水，不产生一氧化碳和二氧化碳，不排放硫和灰尘。

氢燃料电池汽车的主要优点是与新能源电动汽车相比，氢时间短，不受温度的影响。因为它将向车辆的氢罐中添加氢气，它与汽油相似，因此距离与汽油车相似。目前的技术水平高于电动汽车。收费单元的导航仪不受温度的影响，冬季不存在缩短运行时间的问题。有明显的缺点。铂贵金属的生产工艺。虽然燃料电池汽车具有成本效益，但并不十分经济。世界上还没有建立氢电站网络，加氢站很少，加氢存在主要问题。由于氢气的大规模运输，安全性仍在提高。

6.结语

近年来，我国氢能产业在项目规划和政策支持方面加快发展，随着可再生能源产业的快速发展，未来几年储能市场将快速增长。我国的储能产业仍处于发展的早期阶段，主要是在储能产业的应用方面。储存能源的商业应用包括高能源成本、不完整的电力市场交易、不完整的能源路径以及加速能源价格的问题。随着技术的不断突破和成本的不断下降，国内储能市场仍需发展，未来市场将出现氢能。