氫能是理想的清潔(jie)二次能源，但尚未(wei)被大範圍應(ying)用，瓶頸(jing)就在於產氫成本高、用氫價格高。當前，我國市場上每公斤綠氫售價為50~60元，約是石油、煤炭、天然氣等(deng)其他能源價格的十數倍(bei)。全球都在致(zhi)力於研(yan)究開發低成本綠氫生產技(ji)術和應(ying)用模式，為5元/公斤的綠氫奮鬥。在近日(ri)舉辦的石化化工“行業發展趨勢與未(wei)來”論壇上，上海牧溢投資谘詢有(you)限公司執行董事、中國氣候投融資專委會委員(yuan)曹衛球先生介紹(shao)了(liao)其在低成本製氫方麵(mian)的觀點和實踐(jian)成果。
第一類(lei)綠氫製備技(ji)術是水電解製氫技(ji)術。用綠電電解水生產綠氫是一種非常(chang)普(pu)遍的製氫技(ji)術，這類(lei)製氫過程中需要大量純水。因為電解水製氫過程中若用低質水，會導致(zhi)電極很快被腐蝕，縮短壽命。“電解槽中部(bu)分(fen)部(bu)件(jian)，如隔膜、催化劑、質子交換膜(PEM)和多(duo)孔傳輸層，都可能受(shou)到鐵、鉻、銅(tong)等(deng)水中雜(za)質的破壞。這便要求(qiu)電解水的電導率(lv)小於1微西/厘米，總(zong)有(you)機碳小於50微克/升，也就是所謂的純水。”曹衛球解釋道。
電解水製氫究竟(jing)需要消耗多(duo)少水?曹衛球做了(liao)一番(fan)計算。如果綠氫每年總(zong)產量為2050萬噸，則需消耗1.8億噸純水，也就是需要32個10萬噸的海水淡化工廠，或者24個10萬噸的自來水工廠提供(gong)超濾淡水，而每項方案(an)都極為占地耗力。“在缺水地區，這些(xie)基(ji)礎設(she)施消耗的水將會和當地的生活(huo)用水、農業用水、工業用水形(xing)成惡性競爭。不但如此，建設(she)此類(lei)基(ji)礎設(she)施會直接增加本區域的生態足跡、碳足跡以(yi)及溫(wen)室(shi)氣體排(pai)放總(zong)量和排(pai)汙總(zong)量。”曹衛球表示。
如何降低生態和環境影(ying)響?曹衛球介紹(shao)了(liao)一種利(li)用海水直接電解製氫的技(ji)術。其主要原理是將鎳鐵氫氧化物分(fen)層到硫化鎳之(zhi)上，硫化鎳覆蓋了(liao)鎳泡沫芯。鎳泡沫充當導體從電源傳輸電力，鎳鐵氫氧化物電極將水分(fen)離(li)成氧氣和氫氣。在電解過程中，硫化鎳形(xing)成保(bao)護(hu)陽(yang)極的負(fu)電荷層。正如兩塊(kuai)磁鐵的負(fu)端相互推擠(ji)一樣(yang)，帶(dai)負(fu)電荷的層會排(pai)斥氯離(li)子，防(fang)止其到達(da)核(he)心部(bu)分(fen)的金屬電極。2019年9月，一個初創企業團隊應(ying)用類(lei)似的低成本電極保(bao)護(hu)材料提出了(liao)新一代電解水技(ji)術，其能效為98.7%，而傳統(tong)電解槽的設(she)備能效通常(chang)僅有(you)70%~80%。這一技(ji)術的另一優點是電解槽通電產生氫氣，斷(duan)電產生氧氣，氫氣和氧氣的產生有(you)先後(hou)順序，避(bi)免了(liao)氫氧直接反(fan)應(ying)發生爆炸的危(wei)險(xian)，也省去了(liao)分(fen)離(li)膜的應(ying)用，從而大大簡化了(liao)電解槽的構造、組裝，降低了(liao)運行和維護(hu)成本。據研(yan)究人員(yuan)估計，該設(she)備的生產成本大約是現有(you)技(ji)術的一半。
第二種技(ji)術是采(cai)用等(deng)離(li)子體直接裂(lie)解的方法，從生物甲烷及高濃度汙水(包括沼液)中生產氫氣、氮氣、一氧化碳、乙炔等(deng)氣體和高純度固體炭黑。該技(ji)術製氫過程中每生產一公斤氫耗電在10~20千瓦時，對(dui)比(bi)今天市麵(mian)上電解槽每生產一公斤氫的耗電量大於40千瓦時，節(jie)省了(liao)一半以(yi)上的電力。這種技(ji)術將捕集(ji)到的甲烷分(fen)解成了(liao)單(dan)質固體碳和氫氣，納(na)米級固體炭黑被生產出來後(hou)立(li)即包裝成為一類(lei)高附加值的工品，實現了(liao)完美的碳捕集(ji)與封存和利(li)用(CCUS)過程。另外，該技(ji)術不需要任何催化劑，僅需要普(pu)通工業氣體、循環水和綠色電力即可。通過緊湊的撬裝係統(tong)設(she)計，1兆瓦產氫量1噸/日(ri)的係統(tong)僅占地500~1000平方米。據曹衛球介紹(shao)，他正在積極推動相關各方共(gong)同搭(da)建產業生態係統(tong)並(bing)落地試點該項目。
第三種技(ji)術是從空(kong)氣中直接製氫。地球每天約有(you)1200億噸水蒸氣從陸(lu)地和海洋進(jin)入到大氣環流之(zhi)中。這項技(ji)術將大規模水蒸氣收(shou)集(ji)裝置與電解水裝置相結(jie)合，在陰極上產生的氫氣可被收(shou)集(ji)管道存入存儲(chu)裝置。這一精巧(qiao)的設(she)計讓電極產生氫氣和氧氣的過程被自然隔離(li)開來，因此無需擔心氫氣和氧氣相遇(yu)發生反(fan)應(ying)。另外，由於水蒸氣的水質接近工業級純淨水，因此在沿海或者海洋環境下製氫無需海水淡化工廠和自來水廠的投入，大大節(jie)省了(liao)製氫成本。據曹衛球介紹(shao)，該技(ji)術在大規模生產過程中需要催化劑的幫助(zhu)。目前研(yan)究團隊正在沙(sha)漠地區礦(kuang)區試點生產綠氫作為儲(chu)能介質。據初步數據來看，沙(sha)漠地區生產一公斤氫耗電約需40~50千瓦時，這些(xie)電可由當地離(li)網光(guang)伏和風電等(deng)發出的綠電提供(gong)。
低成本製氫技(ji)術將為氫能大規模應(ying)用提供(gong)堅實的基(ji)礎。曹衛球堅信：“時移勢遷，相信在技(ji)術的加持下，2025年全球湧現‘5元綠氫’不再是夢想!”
