氫能是理想的清潔二次能源，但尚未被大范圍應(yīng)用，瓶頸就在于產(chǎn)氫成本高、用氫價(jià)格高。當(dāng)前，我國(guó)市場(chǎng)上每公斤綠氫售價(jià)為50~60元，約是石油、煤炭、天然氣等其他能源價(jià)格的十?dāng)?shù)倍。全球都在致力于研究開(kāi)發(fā)低成本綠氫生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用模式，為5元/公斤的綠氫奮斗。在近日舉辦的石化化工“行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)”論壇上，上海牧溢投資咨詢有限公司執(zhí)行董事、中國(guó)氣候投融資專(zhuān)委會(huì)委員曹衛(wèi)球先生介紹了其在低成本制氫方面的觀點(diǎn)和實(shí)踐成果。
第一類(lèi)綠氫制備技術(shù)是水電解制氫技術(shù)。用綠電電解水生產(chǎn)綠氫是一種非常普遍的制氫技術(shù)，這類(lèi)制氫過(guò)程中需要大量純水。因?yàn)殡娊馑茪溥^(guò)程中若用低質(zhì)水，會(huì)導(dǎo)致電極很快被腐蝕，縮短壽命。“電解槽中部分部件，如隔膜、催化劑、質(zhì)子交換膜(PEM)和多孔傳輸層，都可能受到鐵、鉻、銅等水中雜質(zhì)的破壞。這便要求電解水的電導(dǎo)率小于1微西/厘米，總有機(jī)碳小于50微克/升，也就是所謂的純水。”曹衛(wèi)球解釋道。
電解水制氫究竟需要消耗多少水?曹衛(wèi)球做了一番計(jì)算。如果綠氫每年總產(chǎn)量為2050萬(wàn)噸，則需消耗1.8億噸純水，也就是需要32個(gè)10萬(wàn)噸的海水淡化工廠，或者24個(gè)10萬(wàn)噸的自來(lái)水工廠提供超濾淡水，而每項(xiàng)方案都極為占地耗力。“在缺水地區(qū)，這些基礎(chǔ)設(shè)施消耗的水將會(huì)和當(dāng)?shù)氐纳钣盟⑥r(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水形成惡性競(jìng)爭(zhēng)。不但如此，建設(shè)此類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)直接增加本區(qū)域的生態(tài)足跡、碳足跡以及溫室氣體排放總量和排污總量。”曹衛(wèi)球表示。
如何降低生態(tài)和環(huán)境影響?曹衛(wèi)球介紹了一種利用海水直接電解制氫的技術(shù)。其主要原理是將鎳鐵氫氧化物分層到硫化鎳之上，硫化鎳覆蓋了鎳泡沫芯。鎳泡沫充當(dāng)導(dǎo)體從電源傳輸電力，鎳鐵氫氧化物電極將水分離成氧氣和氫氣。在電解過(guò)程中，硫化鎳形成保護(hù)陽(yáng)極的負(fù)電荷層。正如兩塊磁鐵的負(fù)端相互推擠一樣，帶負(fù)電荷的層會(huì)排斥氯離子，防止其到達(dá)核心部分的金屬電極。2019年9月，一個(gè)初創(chuàng)企業(yè)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用類(lèi)似的低成本電極保護(hù)材料提出了新一代電解水技術(shù)，其能效為98.7%，而傳統(tǒng)電解槽的設(shè)備能效通常僅有70%~80%。這一技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是電解槽通電產(chǎn)生氫氣，斷電產(chǎn)生氧氣，氫氣和氧氣的產(chǎn)生有先后順序，避免了氫氧直接反應(yīng)發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，也省去了分離膜的應(yīng)用，從而大大簡(jiǎn)化了電解槽的構(gòu)造、組裝，降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。據(jù)研究人員估計(jì)，該設(shè)備的生產(chǎn)成本大約是現(xiàn)有技術(shù)的一半。
第二種技術(shù)是采用等離子體直接裂解的方法，從生物甲烷及高濃度污水(包括沼液)中生產(chǎn)氫氣、氮?dú)狻⒁谎趸肌⒁胰驳葰怏w和高純度固體炭黑。該技術(shù)制氫過(guò)程中每生產(chǎn)一公斤氫耗電在10~20千瓦時(shí)，對(duì)比今天市面上電解槽每生產(chǎn)一公斤氫的耗電量大于40千瓦時(shí)，節(jié)省了一半以上的電力。這種技術(shù)將捕集到的甲烷分解成了單質(zhì)固體碳和氫氣，納米級(jí)固體炭黑被生產(chǎn)出來(lái)后立即包裝成為一類(lèi)高附加值的工品，實(shí)現(xiàn)了完美的碳捕集與封存和利用(CCUS)過(guò)程。另外，該技術(shù)不需要任何催化劑，僅需要普通工業(yè)氣體、循環(huán)水和綠色電力即可。通過(guò)緊湊的撬裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，1兆瓦產(chǎn)氫量1噸/日的系統(tǒng)僅占地500~1000平方米。據(jù)曹衛(wèi)球介紹，他正在積極推動(dòng)相關(guān)各方共同搭建產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)并落地試點(diǎn)該項(xiàng)目。
第三種技術(shù)是從空氣中直接制氫。地球每天約有1200億噸水蒸氣從陸地和海洋進(jìn)入到大氣環(huán)流之中。這項(xiàng)技術(shù)將大規(guī)模水蒸氣收集裝置與電解水裝置相結(jié)合，在陰極上產(chǎn)生的氫氣可被收集管道存入存儲(chǔ)裝置。這一精巧的設(shè)計(jì)讓電極產(chǎn)生氫氣和氧氣的過(guò)程被自然隔離開(kāi)來(lái)，因此無(wú)需擔(dān)心氫氣和氧氣相遇發(fā)生反應(yīng)。另外，由于水蒸氣的水質(zhì)接近工業(yè)級(jí)純凈水，因此在沿海或者海洋環(huán)境下制氫無(wú)需海水淡化工廠和自來(lái)水廠的投入，大大節(jié)省了制氫成本。據(jù)曹衛(wèi)球介紹，該技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中需要催化劑的幫助。目前研究團(tuán)隊(duì)正在沙漠地區(qū)礦區(qū)試點(diǎn)生產(chǎn)綠氫作為儲(chǔ)能介質(zhì)。據(jù)初步數(shù)據(jù)來(lái)看，沙漠地區(qū)生產(chǎn)一公斤氫耗電約需40~50千瓦時(shí)，這些電可由當(dāng)?shù)仉x網(wǎng)光伏和風(fēng)電等發(fā)出的綠電提供。
低成本制氫技術(shù)將為氫能大規(guī)模應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。曹衛(wèi)球堅(jiān)信：“時(shí)移勢(shì)遷，相信在技術(shù)的加持下，2025年全球涌現(xiàn)‘5元綠氫’不再是夢(mèng)想!”
