在線留言
爆發(fā)式增長下的難題
根據(jù)國際氫能理事會(huì)預(yù)測,到2050年,氫能將滿足全球18%的終端用能需求,減排二氧化碳達(dá)60億噸。鑒于此,近年來,全球大約80個(gè)國家提出了氫能發(fā)展規(guī)劃,將氫能作為脫碳能源的重要組成部分和綠色經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的新引擎。比如,美國已發(fā)布國家清潔氫能戰(zhàn)略路線圖,加速清潔氫的生產(chǎn)、加工、交付、儲存和使用;德國發(fā)布新版《國家氫能戰(zhàn)略》,計(jì)劃于2027或2028年前改造和新建超過1800千米的氫氣管道,2030年將德國電解氫能力提高一倍。
在我國,2022年國家發(fā)展和改革委正式發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》并指出,到2050年,氫氣需求量將接近6000萬噸,實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7億噸,氫能在我國終端能源體系中占比超過10%,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬億元。
然而,受氫能制備、儲運(yùn)及使用的成本居高不下,基礎(chǔ)設(shè)施配套不足,產(chǎn)需脫節(jié)等多重因素影響,火熱的賽道背后,氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸不容小覷。
在制氫環(huán)節(jié),目前主流的制氫手段以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)制氫為主,技術(shù)成熟,且成本相對較低,但存在著碳排放的問題;水電解制氫可實(shí)現(xiàn)無碳排放且制取的氫氣純度高,但卻面臨耗電量大、投入資金高等難題。在氫儲運(yùn)環(huán)節(jié),安全性和效率制約著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。氫能從業(yè)者們亟需通過新材料新技術(shù)的推廣應(yīng)用,為氫能產(chǎn)業(yè)提速。
綠氫距規(guī)模化制備還有多遠(yuǎn)
目前,氫能可分為綠氫、藍(lán)氫和灰氫。綠氫是通過使用可再生能源制備的氫氣,生產(chǎn)過程中基本沒有碳排放,因此這種類型的氫氣也被稱為“零碳?xì)錃?rdquo;;灰氫是通過化石燃料(煤炭、石油、天然氣等)燃燒產(chǎn)生的氫氣,生產(chǎn)成本較低,碳排放量最高;藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上,應(yīng)用碳捕集、利用與封存技術(shù),實(shí)現(xiàn)低碳制氫。
從產(chǎn)量結(jié)構(gòu)來看,目前化石能源制備的灰氫占比較高,2021年全球灰氫占比達(dá)到99%,藍(lán)氫及綠氫占比均未達(dá)到1%,綠氫全球占比僅為0.04%。推動(dòng)化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫向電解水制氫(綠氫)轉(zhuǎn)變是必然趨勢。
對于綠氫制備來說,突破核心技術(shù)是重中之重。當(dāng)前,綠氫制備技術(shù)在關(guān)鍵材料、制氫成本方面還存在著短板。
綠氫制備技術(shù)包括堿性水電解技術(shù)(AEL)、質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)(PEM)、陰離子交換膜電解水技術(shù)(AEM)等制氫技術(shù)。
其中,AEL最為成熟、應(yīng)用較為普遍,在中國乃至全球都居于電解水制氫的主導(dǎo)地位。AEL的原理是在高濃度堿性溶液中通入直流電,水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),生成氫氣和氧氣。為了確保分隔開反應(yīng)產(chǎn)物,AEL在電解槽的陽極與陰極之間需設(shè)置一層多孔結(jié)構(gòu)的隔膜,因而限制了設(shè)備在受壓條件下的操作。和AEL相比,PEM具有電流密度大、氫氣純度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但由于PEM電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行,因此設(shè)備對于價(jià)格昂貴的金屬材料(如銥、鉑、鈦等)更為依賴,成本高昂。目前,全球市場電解水制氫基本被AEL和PEM瓜分,兩者占比分別約為80%和20%。
AEM相對來說是一項(xiàng)較新的技術(shù)。AEM電解槽的結(jié)構(gòu)與PEM相似:使用可以傳導(dǎo)氫氧根離子(OH-)的固體聚合物陰離子交換膜作為電解質(zhì),兩個(gè)電極分別位于膜兩側(cè),其上涂敷催化劑,電解液可以是純水或者弱堿性溶液。與PEM不同的是,AEM的電解槽可以依靠鎳基等非貴金屬催化劑,從而有效減少材料成本。而與AEL相比,AEM設(shè)備體積更小、電流密度更高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、能更好地適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性。因此,AEM兼具了堿性低成本和純水高效率的雙重優(yōu)勢,是目前較為前沿的電解水技術(shù)之一,也是未來綠氫大規(guī)模應(yīng)用的首選技術(shù)之一。
然而,AEM至今尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,究其原因,其最大的發(fā)展瓶頸在于關(guān)鍵材料的研發(fā),特別是陰離子交換膜。
陰離子交換膜是AEM電解槽的核心部件,膜的性能直接影響了AEM電解槽的穩(wěn)定性、壽命、運(yùn)行效率以及生產(chǎn)成本等。目前,AEM膜研發(fā)的痛點(diǎn)包括耐化學(xué)性、氫氧根離子傳導(dǎo)率低,電流密度低、化學(xué)穩(wěn)定性差、無法兼顧性能和使用壽命等。全球范圍內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)和高校在研究開發(fā)AEM膜。
未來,隨著相關(guān)材料不斷革新,綠氫的制備成本有望持續(xù)降低,繼而隨著規(guī)?；奶嵘?最終實(shí)現(xiàn)普及。
尋找氫能儲運(yùn)的最優(yōu)路線
目前,氫能的資源側(cè)與市場側(cè)極度不平衡,需要大規(guī)模的儲運(yùn)調(diào)配。氫儲運(yùn)成本在整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的占比約為30%-40%,影響著氫能的降本空間和規(guī)模化發(fā)展。
氫氣單位質(zhì)量的能量密度極高,單位體積的能量密度又很低,且易燃、易爆、易泄漏,這為氫的儲運(yùn)帶來了諸多挑戰(zhàn)。
在儲氫方面,高壓氣態(tài)儲氫是發(fā)展最成熟的儲氫技術(shù)之一,具有成本較低、能耗低、易脫氫、工作條件較寬等特點(diǎn)。目前,高壓儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型),鋼制內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶(II型),鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶(III型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)4個(gè)類型。后三種采用復(fù)合材料的耐壓容器以消除氫氣泄露與容器爆破等不安全因素。其中,IV型瓶質(zhì)量最輕,適合于車載,是未來車用儲氫體系發(fā)展的主流技術(shù)路線。
內(nèi)膽是這種儲氫瓶的核心部件之一,需要具備耐氫氣滲透性和耐熱性、良好的高低溫力學(xué)性能、良好的工藝性等特性。高性能纖維復(fù)合材料是氣瓶外殼的重要增強(qiáng)體,需要高性能固化劑提供核心材料性能。
液氫具有較高的體積能量密度,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、遠(yuǎn)距離氫氣運(yùn)輸,且對于跨洋運(yùn)輸與國際氫貿(mào)易具有顯著優(yōu)勢。直接將氫氣低溫液化的過程能耗較高且存在氫的蒸發(fā)損失和安全性問題。而液態(tài)有機(jī)儲氫(Liquid organic hydrogen carrier,LOHC)技術(shù)將氫氣存儲在不飽和液體有機(jī)物中,通過可逆的加氫和脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣的儲放,兼具儲氫量大和常溫常壓下氫運(yùn)輸安全性的特點(diǎn)。目前,德國、日本等均處于LOHC技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的前列,代表企業(yè)包括德國Hydrogenious LOHC Technologies、日本千代田公司等。
在氫運(yùn)輸方面,管道運(yùn)輸是一種更具成本效益的大規(guī)模、長距離氫能源運(yùn)輸方式。利用現(xiàn)有天然氣管線摻氫和新建純氫管道輸氫都是現(xiàn)實(shí)可行的方案。
氫氣管道面臨的主要挑戰(zhàn)是材料的氫腐蝕。現(xiàn)有的輸氣管道通常為金屬材料,在高濃度氫氣的高壓環(huán)境下會(huì)造成其性能的劣化,導(dǎo)致氫脆、氣體泄漏等問題。因此,目前輸氫管道的研究方向主要是纖維增強(qiáng)的聚合物材料。聚合物材料制成的非金屬柔性管具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕的性能,且具有連續(xù)結(jié)構(gòu),可以生產(chǎn)更長管段。采用全聚合物結(jié)構(gòu)則能保證管道在更高的壓力下也不會(huì)產(chǎn)生氫脆,大幅降低氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
化工在賦能氫能產(chǎn)業(yè)鏈中扮演了至關(guān)重要的角色,在未來還將繼續(xù)助推氫能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。有很多新材料、新技術(shù)都將在氫能產(chǎn)業(yè)增長的過程中獲得用武之地,扛起能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重任。
