CSPPLAZA光熱發電網報道:氫(qing)能(neng)(neng)(neng)今年來在能(neng)(neng)(neng)源(yuan)圈(quan)愈加(jia)火(huo)熱(re),備受爭議的(de)“青(qing)年汽車(che)水氫(qing)發動機下線”事(shi)件甚(shen)至直接(jie)把氫(qing)能(neng)(neng)(neng)送上(shang)了熱(re)搜排行榜。事(shi)實(shi)上(shang),太陽能(neng)(neng)(neng)與(yu)氫(qing)能(neng)(neng)(neng)也有一(yi)些淵(yuan)源(yuan)。
炙手可熱,各方紛紛布局入場
公開統計數據顯示,目前已有20多個省份出臺氫能和氫燃料汽車的發展規劃。
今年全國兩(liang)會(hui)“推動加氫(qing)站建設”首次寫入(ru)《政府(fu)工(gong)作報告》,3月28日(ri),李(li)克強總理在博(bo)鰲亞洲論壇(tan)中指(zhi)出“加快發展人工(gong)智(zhi)能(neng)、自動駕駛、氫(qing)能(neng)源等(deng)新興產業”,氫(qing)能(neng)源產業站上了(le)風口。
一系(xi)列導(dao)向政(zheng)(zheng)策的(de)(de)發布也徹(che)底(di)點燃了(le)各(ge)方熱情,各(ge)路玩(wan)家紛紛布局入(ru)場,上(shang)市公司(si)表(biao)現(xian)尤為積極(ji)。僅5月份(fen)至今,已經有10余家上(shang)市公司(si)披(pi)露(lu)了(le)涉足或(huo)者加大(da)氫能產業投入(ru)的(de)(de)公告(gao),其(qi)中包括與大(da)同市人民政(zheng)(zheng)府(fu)簽署氫能產業項(xiang)目框架合(he)作協(xie)議(yi)的(de)(de)光熱發電龍頭企(qi)業——北京首航艾(ai)啟威節能技(ji)術股份(fen)有限公司(si)(簡(jian)稱首航節能)。
太陽能制氫已發展40余年
氫(qing)(qing)(qing)經濟(ji)(ji)概念早(zao)在20世(shi)紀70年(nian)代(dai)就被提出(chu),近年(nian)來隨(sui)著氫(qing)(qing)(qing)能應(ying)用技術(shu)發展逐漸成熟,以及全球應(ying)對氣候變化壓力的(de)持續增(zeng)大,氫(qing)(qing)(qing)能產業的(de)發展在世(shi)界(jie)各國備受關注,氫(qing)(qing)(qing)能及燃料電(dian)池技術(shu)作(zuo)為促進經濟(ji)(ji)社會實現低(di)碳(tan)環保發展的(de)重(zhong)要創新技術(shu),已(yi)經在全球范圍內達(da)成了共識。
目前多國政(zheng)府都已(yi)出臺氫(qing)能及(ji)燃料電池發(fa)(fa)展戰略路線圖,美國、日本、德國等(deng)發(fa)(fa)達國家更(geng)是(shi)將氫(qing)能規劃上升到(dao)國家能源(yuan)戰略高度(du),而在近兩年新能源(yuan)各行業(ye)補(bu)貼普遍退坡、但氫(qing)能補(bu)貼力度(du)始終(zhong)持續(xu)不變的中國,氫(qing)能產業(ye)如(ru)上文所述已(yi)經迎(ying)來了(le)爆(bao)發(fa)(fa)之年。
氫能產業的發展(zhan)(zhan)(zhan)也在帶動制(zhi)(zhi)氫技術不斷(duan)發展(zhan)(zhan)(zhan)。目前(qian)工業上制(zhi)(zhi)備氫氣的方法(fa)(fa)可(ke)分為:煤氣轉化;熱(re)化學(xue)法(fa)(fa);生物制(zhi)(zhi)氫;電解水制(zhi)(zhi)氫;生物質熱(re)解技術等。其(qi)中,使用化石燃料作為主原料的煤氣轉化法(fa)(fa),占(zhan)世界氫氣制(zhi)(zhi)備總量(liang)的96%左右。而太陽能制(zhi)(zhi)氫雖然所占(zhan)比例甚微,但也有40余(yu)年的發展(zhan)(zhan)(zhan)歷史,并被看作是最具前(qian)景的制(zhi)(zhi)氫方法(fa)(fa)之一(yi)。
到目前為止,對太陽能制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)的研究主要集中(zhong)在:熱(re)化學(xue)(xue)法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)、光(guang)(guang)電(dian)化學(xue)(xue)分解法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)、光(guang)(guang)催化法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)、人工(gong)光(guang)(guang)合作用制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)和生(sheng)物制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)等,其中(zhong)的熱(re)化學(xue)(xue)法(fa)制(zhi)(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)(qing)(qing)便與光(guang)(guang)熱(re)發(fa)電(dian)技術息息相關。
聚光技術發展為熱化學制氫帶來曙光
據公開資料,熱化(hua)學(xue)制(zhi)氫(qing)(qing)即太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)直接熱分解水制(zhi)氫(qing)(qing)其(qi)實是最(zui)簡單的(de)制(zhi)氫(qing)(qing)方法(fa),就是利用太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)聚光(guang)器(qi)收集太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)直接加熱水,使(shi)其(qi)達到2500K(3000K以上)以上的(de)溫度(du)從而分解為氫(qing)(qing)氣和氧(yang)氣的(de)過程。
這(zhe)種方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)主要問題(ti)是(shi):①高溫(wen)下氫氣(qi)和氧(yang)氣(qi)的(de)(de)分(fen)離;②高溫(wen)太陽(yang)能反(fan)應器的(de)(de)材料問題(ti)。溫(wen)度越高,水的(de)(de)分(fen)解效率越高,到大(da)約4700K時,水分(fen)解反(fan)應的(de)(de)吉布(bu)斯函數變接(jie)近與零(ling)。但是(shi),與此同時上(shang)述的(de)(de)兩(liang)個問題(ti)也越難(nan)于解決。正是(shi)由于這(zhe)個原因,使得(de)這(zhe)種方(fang)法(fa)(fa)在1971年Ford和Kane提出來以后發(fa)展(zhan)比較緩慢。
隨著(zhu)聚(ju)光技術和膜(mo)科學(xue)(xue)技術的發(fa)展,這(zhe)種方法又重新激起了科學(xue)(xue)家的研究熱情。
來自以(yi)色(se)列魏(wei)茨曼研究所(WIS,Weizmann Institute of Science)的Abraham Kogan教授從(cong)理論(lun)和(he)(he)試驗上對太陽能直接熱(re)分解水(shui)(shui)制氫技術可(ke)行(xing)(xing)性進行(xing)(xing)了論(lun)證,并對如(ru)(ru)何提高高溫反(fan)應器(qi)的制氫效率(lv)和(he)(he)開發更為穩定的多孔陶(tao)瓷膜反(fan)應器(qi)進行(xing)(xing)了研究。如(ru)(ru)果在水(shui)(shui)中加入(ru)催(cui)化(hua)劑,使水(shui)(shui)的分解過程按多步(bu)進行(xing)(xing),就(jiu)可(ke)以(yi)大大降低加熱(re)的溫度(du)。由于催(cui)化(hua)劑可(ke)以(yi)反(fan)復使用,因此這種制氫方法又(you)叫(jiao)熱(re)化(hua)學循環法。
目前,科(ke)(ke)學(xue)家(jia)(jia)們已研究出100多種利(li)用熱化(hua)(hua)學(xue)循環(huan)(huan)制氫(qing)的(de)方法,所采(cai)用的(de)催化(hua)(hua)劑(ji)為鹵族元素、某些金屬及其化(hua)(hua)合物、碳和(he)一(yi)氧(yang)化(hua)(hua)碳等。熱化(hua)(hua)學(xue)循環(huan)(huan)法可在低于1000K的(de)溫度下制氫(qing),制氫(qing)效率(lv)可達50%左右(you),所需(xu)熱量主要來(lai)自核能和(he)太陽(yang)能,為了適應未來(lai)大規模(mo)工業制氫(qing)的(de)需(xu)要,科(ke)(ke)學(xue)家(jia)(jia)們正在研究催化(hua)(hua)劑(ji)對環(huan)(huan)境的(de)影響、新的(de)耐腐蝕材料(liao)、以及氧(yang)和(he)重(zhong)水等副(fu)產品的(de)綜合利(li)用等課題。
光熱高效制氫裝置有望10年內實現工業化應用
多年(nian)來,很多國家(jia)的研(yan)究機構和企業(ye)一直(zhi)在致力于熱化學制氫相關的研(yan)究并已取得一定進展。
2013年8月,美(mei)國科羅拉(la)多(duo)大(da)學(xue)波德(de)分(fen)校化學(xue)和生物(wu)工程學(xue)院的教授(shou)阿蘭?維摩與其團隊設計(ji)出了一種塔式太陽(yang)能熱利用(yong)系統(tong),該系統(tong)可以用(yong)太陽(yang)光有效地將(jiang)水分(fen)解成氫氣和氧氣,而且成本(ben)很低。
該系統工作原理是(shi):將(jiang)聚(ju)光(guang)系統收(shou)集的熱(re)(re)量輸入(ru)到含有(you)金(jin)屬(shu)(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)的反(fan)應器內(nei),當(dang)金(jin)屬(shu)(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)被加熱(re)(re)時,會釋(shi)放出氧(yang)原子(zi),留下的新(xin)化(hua)(hua)合(he)物(wu)會四(si)處(chu)搜尋新(xin)的氧(yang)原子(zi)。隨后(hou),他們再將(jiang)蒸汽流(liu)(由(you)聚(ju)集到塔上的太陽光(guang)束(shu)加熱(re)(re)反(fan)應器中(zhong)的水形成(cheng))引入(ru)該系統中(zhong),水分子(zi)中(zhong)的氧(yang)氣(qi)會依(yi)附到金(jin)屬(shu)(shu)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(由(you)鐵、鈷、鋁和氧(yang)組成(cheng))的表面,釋(shi)放出的氫(qing)分子(zi)聚(ju)合(he)在一(yi)起(qi)就形成(cheng)了氫(qing)氣(qi)。
2016年(nian),歐(ou)盟2020地平(ping)線(H2020)計劃(hua)提供資金支持的歐(ou)洲HYDROSOL-PlANT研發團隊【由(you)歐(ou)盟4個(ge)成員(yuan)國(guo)希臘(總(zong)協調)、德國(guo)、西班牙和荷蘭,跨(kua)行(xing)業跨(kua)學科科技(ji)人員(yuan)組(zu)成】也傳(chuan)來好消息。
該(gai)團隊從2014年1月開始(shi)研究太陽能(neng)(neng)制氫HYDROSOL技術,在西班(ban)牙建(jian)(jian)設了一座750KW額定功率(lv)的太陽能(neng)(neng)熱反應堆中試示(shi)范項目,經過反復檢測(ce)驗(yan)證(zheng)的指標參(can)數,顯示(shi)出強勁的競爭力。同時,該(gai)太陽能(neng)(neng)制氫熱反應堆實現了真正意(yi)義上清潔能(neng)(neng)源(yuan)生產的溫室氣體零排放,更(geng)適合建(jian)(jian)立在“太陽高照(zhao)”廣袤的荒漠戈(ge)壁區域。
2017年底,德國宇(yu)航中(zhong)心(xin)及(ji)其(qi)國際項(xiang)(xiang)目(mu)合作伙伴聯合展示(shi)了這個規模最大的(de)可用于制氫(qing)的(de)太陽能化學裝置。DLR太陽能研究所項(xiang)(xiang)目(mu)經(jing)理MartinRoeb表示(shi):“通過HYDROSOL_Plant項(xiang)(xiang)目(mu),我(wo)(wo)們(men)首次設計(ji)出(chu)了一(yi)(yi)(yi)個可實(shi)現從發(fa)電→高(gao)純氫(qing)提取→氫(qing)存(cun)儲等完整(zheng)過程(cheng)的(de)太陽能制氫(qing)裝置。雖(sui)然我(wo)(wo)們(men)的(de)工作目(mu)前尚(shang)處于研究階段,但(dan)我(wo)(wo)們(men)現在每周已經(jing)可以(yi)生產一(yi)(yi)(yi)公(gong)(gong)斤的(de)氫(qing)氣,這是一(yi)(yi)(yi)個相當(dang)大的(de)數字。一(yi)(yi)(yi)輛高(gao)效(xiao)的(de)燃料(liao)電池汽車可以(yi)在一(yi)(yi)(yi)公(gong)(gong)斤氫(qing)氣驅動(dong)下行駛(shi)100多(duo)公(gong)(gong)里。”
同樣在2017年底,德國(guo)宇(yu)航中心(DLR)還成功研發出一(yi)種名(ming)為Synlight的光熱(re)發電模擬系(xi)統,該系(xi)統可模擬上千面定日鏡聚集(ji)太(tai)陽(yang)能(neng)的效果(guo),通過太(tai)陽(yang)能(neng)反(fan)應堆生產太(tai)陽(yang)能(neng)燃(ran)料。研究人(ren)員(yuan)預(yu)測,未來10年內,即可在光照充(chong)足的沙漠(mo)地區利用集(ji)中太(tai)陽(yang)能(neng)進(jin)行氫(qing)的裂(lie)解生產。
圖:德(de)國宇(yu)航(hang)局研究人(ren)員(yuan)操作該模擬系統
中國在熱化學制氫領域的探索和布局
在(zai)中國,中國科學院大連化學物理研(yan)究所、首航節能(neng)等也在(zai)開展相關研(yan)究。
2019年2月份(fen),中國科(ke)學院(yuan)大(da)連化學物(wu)理研究所航天(tian)催化與新(xin)(xin)材料(liao)研究中心王曉東研究員團隊(dui)在兩步法太(tai)陽能高溫熱化學儲能研究方面(mian)取得新(xin)(xin)進展,相(xiang)關(guan)研究成果以全文的形式發(fa)表于《能源和環(huan)境科(ke)學》(Energy Environ.Sci.)上(shang)。
據(ju)悉(xi),兩步法(fa)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)高(gao)溫熱(re)化(hua)(hua)學儲(chu)能(neng)(neng)是利用聚焦太(tai)陽(yang)能(neng)(neng),高(gao)溫熱(re)裂解(jie)二氧化(hua)(hua)碳(tan)和(he)水的過程。該方法(fa)可將間歇性、能(neng)(neng)量密(mi)度低、分(fen)布不均勻的太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)轉化(hua)(hua)為(wei)穩定、能(neng)(neng)量密(mi)度高(gao)、易于儲(chu)存運輸的太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)燃料(合(he)成氣或氫氣),實現太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)到(dao)化(hua)(hua)學能(neng)(neng)的直接(jie)轉化(hua)(hua)。
在(zai)前期水(shui)裂解研究工作中(AIChEJ),該團隊(dui)開發(fa)了一種(zhong)CeO2-SnO2復合氧化物相變(bian)材料,可(ke)有效降低第一步(bu)熱還原溫度,提高氫氣(qi)的(de)(de)產量。在(zai)此基礎上,該團隊(dui)開發(fa)了一種(zhong)CeO2-TiO2復合氧化物負載的(de)(de)鎳基催化劑,并在(zai)第一步(bu)熱還原過程中引入(ru)還原劑——甲烷,可(ke)以大(da)幅提高太陽能燃料的(de)(de)產生速率和產量。
首航節(jie)能(neng)方面(mian)則在今年(nian)4月份回(hui)答投資者提問時表示,塔式點(dian)聚(ju)光(guang)(guang)技術(shu)在聚(ju)光(guang)(guang)點(dian)會產(chan)(chan)生高能(neng)量(liang)密(mi)度,利用(yong)這種高能(neng)量(liang)密(mi)度產(chan)(chan)生極高的反(fan)應(ying)溫度,從(cong)而熱(re)化(hua)學氧化(hua)還原反(fan)應(ying)制(zhi)氫。首航節(jie)能(neng)經過多年(nian)的積累掌(zhang)握了(le)光(guang)(guang)熱(re)塔式點(dian)聚(ju)光(guang)(guang)技術(shu),而熱(re)化(hua)學制(zhi)氫反(fan)應(ying)器(qi)正在研發推進之中。
圖:運行中的敦煌100兆瓦塔(ta)式光熱電站
今(jin)年6月(yue)17日,由首(shou)航節能(neng)自主(zhu)設計、投資建(jian)設的敦煌首(shou)航節能(neng)100兆瓦國家光熱示(shi)范電站(zhan)順利滿負荷發(fa)電,同(tong)時夏季工(gong)況下晝夜連續發(fa)電突(tu)破180萬度,各項指(zhi)標(biao)均達到或(huo)優于設計值,這(zhe)意味著該公司光熱發(fa)電技術商(shang)業化推進再獲重大突(tu)破。
同(tong)時,首(shou)航節(jie)(jie)能(neng)(neng)在(zai)氫(qing)能(neng)(neng)產業(ye)領域(yu)動(dong)作頻(pin)頻(pin)。在(zai)4月(yue)(yue)18日發布(bu)公(gong)(gong)告(gao)中,首(shou)航節(jie)(jie)能(neng)(neng)稱(cheng)擬(ni)以(yi)估值(zhi)不(bu)高(gao)于3.98億元對新研氫(qing)能(neng)(neng)源科技(ji)有限公(gong)(gong)司進行增(zeng)資;5月(yue)(yue)14日,首(shou)航節(jie)(jie)能(neng)(neng)公(gong)(gong)告(gao)稱(cheng)與大同(tong)市人(ren)民政府(fu)簽署氫(qing)能(neng)(neng)產業(ye)項(xiang)目框架合作協議;5月(yue)(yue)22日,首(shou)航節(jie)(jie)能(neng)(neng)公(gong)(gong)告(gao)稱(cheng)擬(ni)以(yi)1億元設立氫(qing)能(neng)(neng)公(gong)(gong)司。
未來如熱(re)化(hua)學制(zhi)氫(qing)(qing)技術獲(huo)得突破,首(shou)航節能(neng)在光熱(re)發(fa)(fa)(fa)電(dian)領域(yu)的(de)領先技術和氫(qing)(qing)能(neng)產(chan)業(ye)(ye)的(de)先發(fa)(fa)(fa)優勢將可能(neng)實現有效整(zheng)合。而(er)快速(su)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)的(de)氫(qing)(qing)能(neng)產(chan)業(ye)(ye)或可為目前處(chu)于商業(ye)(ye)化(hua)示范階段、相對發(fa)(fa)(fa)展(zhan)速(su)度較慢的(de)光熱(re)發(fa)(fa)(fa)電(dian)產(chan)業(ye)(ye)提(ti)提(ti)速(su),有望(wang)側面助攻光熱(re)技術進步和成本下(xia)降。