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聚光技術(shù)發(fā)展為熱化學(xué)制氫帶來(lái)曙光

2019-07-31 10:17  來(lái)源:CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)  瀏覽:  

氫能今年來(lái)在能源圈愈加火熱,備受爭(zhēng)議的“青年汽車水氫發(fā)動(dòng)機(jī)下線”事件甚至直接把氫能送上了熱搜排行榜。事實(shí)上,太陽(yáng)能與氫能也有一些淵源。

炙手可熱,各方紛紛布局入場(chǎng)

公開(kāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,目前已有20多個(gè)省份出臺(tái)氫能和氫燃料汽車的發(fā)展規(guī)劃。

今年全國(guó)兩會(huì)“推動(dòng)加氫站建設(shè)”首次寫入《政府工作報(bào)告》,3月28日,李克強(qiáng)總理在博鰲亞洲論壇中指出“加快發(fā)展人工智能、自動(dòng)駕駛、氫能源等新興產(chǎn)業(yè)”,氫能源產(chǎn)業(yè)站上了風(fēng)口。

一系列導(dǎo)向政策的發(fā)布也徹底點(diǎn)燃了各方熱情,各路玩家紛紛布局入場(chǎng),上市公司表現(xiàn)尤為積極。僅5月份至今,已經(jīng)有10余家上市公司披露了涉足或者加大氫能產(chǎn)業(yè)投入的公告,其中包括與大同市人民政府簽署氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目框架合作協(xié)議的光熱發(fā)電龍頭企業(yè)——北京首航艾啟威節(jié)能技術(shù)股份有限公司(簡(jiǎn)稱首航節(jié)能)。

太陽(yáng)能制氫已發(fā)展40余年

氫經(jīng)濟(jì)概念早在20世紀(jì)70年代就被提出,近年來(lái)隨著氫能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟,以及全球應(yīng)對(duì)氣候變化壓力的持續(xù)增大,氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國(guó)備受關(guān)注,氫能及燃料電池技術(shù)作為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保發(fā)展的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù),已經(jīng)在全球范圍內(nèi)達(dá)成了共識(shí)。

目前多國(guó)政府都已出臺(tái)氫能及燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略路線圖,美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家更是將氫能規(guī)劃上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度,而在近兩年新能源各行業(yè)補(bǔ)貼普遍退坡、但氫能補(bǔ)貼力度始終持續(xù)不變的中國(guó),氫能產(chǎn)業(yè)如上文所述已經(jīng)迎來(lái)了爆發(fā)之年。

氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也在帶動(dòng)制氫技術(shù)不斷發(fā)展。目前工業(yè)上制備氫氣的方法可分為:煤氣轉(zhuǎn)化;熱化學(xué)法;生物制氫;電解水制氫;生物質(zhì)熱解技術(shù)等。其中,使用化石燃料作為主原料的煤氣轉(zhuǎn)化法,占世界氫氣制備總量的96%左右。而太陽(yáng)能制氫雖然所占比例甚微,但也有40余年的發(fā)展歷史,并被看作是最具前景的制氫方法之一。

到目前為止,對(duì)太陽(yáng)能制氫的研究主要集中在:熱化學(xué)法制氫、光電化學(xué)分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫等,其中的熱化學(xué)法制氫便與光熱發(fā)電技術(shù)息息相關(guān)。

聚光技術(shù)發(fā)展為熱化學(xué)制氫帶來(lái)曙光

據(jù)公開(kāi)資料,熱化學(xué)制氫即太陽(yáng)能直接熱分解水制氫其實(shí)是最簡(jiǎn)單的制氫方法,就是利用太陽(yáng)能聚光器收集太陽(yáng)能直接加熱水,使其達(dá)到2500K(3000K以上)以上的溫度從而分解為氫氣和氧氣的過(guò)程。

這種方法的主要問(wèn)題是:①高溫下氫氣和氧氣的分離;②高溫太陽(yáng)能反應(yīng)器的材料問(wèn)題。溫度越高,水的分解效率越高,到大約4700K時(shí),水分解反應(yīng)的吉布斯函數(shù)變接近與零。但是,與此同時(shí)上述的兩個(gè)問(wèn)題也越難于解決。正是由于這個(gè)原因,使得這種方法在1971年Ford和Kane提出來(lái)以后發(fā)展比較緩慢。

隨著聚光技術(shù)和膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,這種方法又重新激起了科學(xué)家的研究熱情。

來(lái)自以色列魏茨曼研究所(WIS,Weizmann Institute of Science)的Abraham Kogan教授從理論和試驗(yàn)上對(duì)太陽(yáng)能直接熱分解水制氫技術(shù)可行性進(jìn)行了論證,并對(duì)如何提高高溫反應(yīng)器的制氫效率和開(kāi)發(fā)更為穩(wěn)定的多孔陶瓷膜反應(yīng)器進(jìn)行了研究。如果在水中加入催化劑,使水的分解過(guò)程按多步進(jìn)行,就可以大大降低加熱的溫度。由于催化劑可以反復(fù)使用,因此這種制氫方法又叫熱化學(xué)循環(huán)法。

目前,科學(xué)家們已研究出100多種利用熱化學(xué)循環(huán)制氫的方法,所采用的催化劑為鹵族元素、某些金屬及其化合物、碳和一氧化碳等。熱化學(xué)循環(huán)法可在低于1000K的溫度下制氫,制氫效率可達(dá)50%左右,所需熱量主要來(lái)自核能和太陽(yáng)能,為了適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模工業(yè)制氫的需要,科學(xué)家們正在研究催化劑對(duì)環(huán)境的影響、新的耐腐蝕材料、以及氧和重水等副產(chǎn)品的綜合利用等課題。

光熱高效制氫裝置有望10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用

多年來(lái),很多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)一直在致力于熱化學(xué)制氫相關(guān)的研究并已取得一定進(jìn)展。

2013年8月,美國(guó)科羅拉多大學(xué)波德分?;瘜W(xué)和生物工程學(xué)院的教授阿蘭?維摩與其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種塔式太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用太陽(yáng)光有效地將水分解成氫氣和氧氣,而且成本很低。

該系統(tǒng)工作原理是:將聚光系統(tǒng)收集的熱量輸入到含有金屬氧化物的反應(yīng)器內(nèi),當(dāng)金屬氧化物被加熱時(shí),會(huì)釋放出氧原子,留下的新化合物會(huì)四處搜尋新的氧原子。隨后,他們?cè)賹⒄羝?由聚集到塔上的太陽(yáng)光束加熱反應(yīng)器中的水形成)引入該系統(tǒng)中,水分子中的氧氣會(huì)依附到金屬氧化物(由鐵、鈷、鋁和氧組成)的表面,釋放出的氫分子聚合在一起就形成了氫氣。

2016年,歐盟2020地平線(H2020)計(jì)劃提供資金支持的歐洲HYDROSOL-PlANT研發(fā)團(tuán)隊(duì)【由歐盟4個(gè)成員國(guó)希臘(總協(xié)調(diào))、德國(guó)、西班牙和荷蘭,跨行業(yè)跨學(xué)科科技人員組成】也傳來(lái)好消息。

該團(tuán)隊(duì)從2014年1月開(kāi)始研究太陽(yáng)能制氫HYDROSOL技術(shù),在西班牙建設(shè)了一座750KW額定功率的太陽(yáng)能熱反應(yīng)堆中試示范項(xiàng)目,經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)驗(yàn)證的指標(biāo)參數(shù),顯示出強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí),該太陽(yáng)能制氫熱反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)了真正意義上清潔能源生產(chǎn)的溫室氣體零排放,更適合建立在“太陽(yáng)高照”廣袤的荒漠戈壁區(qū)域。

2017年底,德國(guó)宇航中心及其國(guó)際項(xiàng)目合作伙伴聯(lián)合展示了這個(gè)規(guī)模最大的可用于制氫的太陽(yáng)能化學(xué)裝置。DLR太陽(yáng)能研究所項(xiàng)目經(jīng)理MartinRoeb表示:“通過(guò)HYDROSOL_Plant項(xiàng)目,我們首次設(shè)計(jì)出了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)從發(fā)電→高純氫提取→氫存儲(chǔ)等完整過(guò)程的太陽(yáng)能制氫裝置。雖然我們的工作目前尚處于研究階段,但我們現(xiàn)在每周已經(jīng)可以生產(chǎn)一公斤的氫氣,這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)字。一輛高效的燃料電池汽車可以在一公斤氫氣驅(qū)動(dòng)下行駛100多公里。”

同樣在2017年底,德國(guó)宇航中心(DLR)還成功研發(fā)出一種名為Synlight的光熱發(fā)電模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)可模擬上千面定日鏡聚集太陽(yáng)能的效果,通過(guò)太陽(yáng)能反應(yīng)堆生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料。研究人員預(yù)測(cè),未來(lái)10年內(nèi),即可在光照充足的沙漠地區(qū)利用集中太陽(yáng)能進(jìn)行氫的裂解生產(chǎn)。

圖:德國(guó)宇航局研究人員操作該模擬系統(tǒng)

中國(guó)在熱化學(xué)制氫領(lǐng)域的探索和布局

在中國(guó),中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、首航節(jié)能等也在開(kāi)展相關(guān)研究。

2019年2月份,中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心王曉東研究員團(tuán)隊(duì)在兩步法太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)能研究方面取得新進(jìn)展,相關(guān)研究成果以全文的形式發(fā)表于《能源和環(huán)境科學(xué)》(Energy Environ.Sci.)上。

據(jù)悉,兩步法太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)能是利用聚焦太陽(yáng)能,高溫?zé)崃呀舛趸己退倪^(guò)程。該方法可將間歇性、能量密度低、分布不均勻的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、能量密度高、易于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)奶?yáng)能燃料(合成氣或氫氣),實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的直接轉(zhuǎn)化。

在前期水裂解研究工作中(AIChEJ),該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種CeO2-SnO2復(fù)合氧化物相變材料,可有效降低第一步熱還原溫度,提高氫氣的產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種CeO2-TiO2復(fù)合氧化物負(fù)載的鎳基催化劑,并在第一步熱還原過(guò)程中引入還原劑——甲烷,可以大幅提高太陽(yáng)能燃料的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量。

首航節(jié)能方面則在今年4月份回答投資者提問(wèn)時(shí)表示,塔式點(diǎn)聚光技術(shù)在聚光點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生高能量密度,利用這種高能量密度產(chǎn)生極高的反應(yīng)溫度,從而熱化學(xué)氧化還原反應(yīng)制氫。首航節(jié)能經(jīng)過(guò)多年的積累掌握了光熱塔式點(diǎn)聚光技術(shù),而熱化學(xué)制氫反應(yīng)器正在研發(fā)推進(jìn)之中。

圖:運(yùn)行中的敦煌100兆瓦塔式光熱電站

今年6月17日,由首航節(jié)能自主設(shè)計(jì)、投資建設(shè)的敦煌首航節(jié)能100兆瓦國(guó)家光熱示范電站順利滿負(fù)荷發(fā)電,同時(shí)夏季工況下晝夜連續(xù)發(fā)電突破180萬(wàn)度,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值,這意味著該公司光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化推進(jìn)再獲重大突破。

同時(shí),首航節(jié)能在氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域動(dòng)作頻頻。在4月18日發(fā)布公告中,首航節(jié)能稱擬以估值不高于3.98億元對(duì)新研氫能源科技有限公司進(jìn)行增資;5月14日,首航節(jié)能公告稱與大同市人民政府簽署氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目框架合作協(xié)議;5月22日,首航節(jié)能公告稱擬以1億元設(shè)立氫能公司。

未來(lái)如熱化學(xué)制氫技術(shù)獲得突破,首航節(jié)能在光熱發(fā)電領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)和氫能產(chǎn)業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)將可能實(shí)現(xiàn)有效整合。而快速發(fā)展的氫能產(chǎn)業(yè)或可為目前處于商業(yè)化示范階段、相對(duì)發(fā)展速度較慢的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)提提速,有望側(cè)面助攻光熱技術(shù)進(jìn)步和成本下降。

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