氢能发展正当时,或为光热发电提供新机遇?
发布者:walt | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 1202查看 | 2019-07-31 19:03:51    

CSPPLAZA光热发电网报道:氢能今年来在能源圈愈加火热,备受争议的“青年汽车水氢发动机下线”事件甚至直接把氢能送上了热搜排行榜。事实上,太阳能与氢能也有一些渊源。


炙手可热,各方纷纷布局入场


公开统计数据显示,目前已有20多个省份出台氢能和氢燃料汽车的发展规划。


今年全国两会“推动加氢站建设”首次写入《政府工作报告》,3月28日,李克强总理在博鳌亚洲论坛中指出“加快发展人工智能、自动驾驶、氢能源等新兴产业”,氢能源产业站上了风口。


一系列导向政策的发布也彻底点燃了各方热情,各路玩家纷纷布局入场,上市公司表现尤为积极。仅5月份至今,已经有10余家上市公司披露了涉足或者加大氢能产业投入的公告,其中包括与大同市人民政府签署氢能产业项目框架合作协议的光热发电龙头企业——北京首航艾启威节能技术股份有限公司(简称首航节能)。


太阳能制氢已发展40余年


氢经济概念早在20世纪70年代就被提出,近年来随着氢能应用技术发展逐渐成熟,以及全球应对气候变化压力的持续增大,氢能产业的发展在世界各国备受关注,氢能及燃料电池技术作为促进经济社会实现低碳环保发展的重要创新技术,已经在全球范围内达成了共识。


目前多国政府都已出台氢能及燃料电池发展战略路线图,美国、日本、德国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度,而在近两年新能源各行业补贴普遍退坡、但氢能补贴力度始终持续不变的中国,氢能产业如上文所述已经迎来了爆发之年。


氢能产业的发展也在带动制氢技术不断发展。目前工业上制备氢气的方法可分为:煤气转化;热化学法;生物制氢;电解水制氢;生物质热解技术等。其中,使用化石燃料作为主原料的煤气转化法,占世界氢气制备总量的96%左右。而太阳能制氢虽然所占比例甚微,但也有40余年的发展历史,并被看作是最具前景的制氢方法之一。


到目前为止,对太阳能制氢的研究主要集中在:热化学法制氢、光电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢等,其中的热化学法制氢便与光热发电技术息息相关。


聚光技术发展为热化学制氢带来曙光


据公开资料,热化学制氢即太阳能直接热分解水制氢其实是最简单的制氢方法,就是利用太阳能聚光器收集太阳能直接加热水,使其达到2500K(3000K以上)以上的温度从而分解为氢气和氧气的过程。


这种方法的主要问题是:①高温下氢气和氧气的分离;②高温太阳能反应器的材料问题。温度越高,水的分解效率越高,到大约4700K时,水分解反应的吉布斯函数变接近与零。但是,与此同时上述的两个问题也越难于解决。正是由于这个原因,使得这种方法在1971年Ford和Kane提出来以后发展比较缓慢。


随着聚光技术和膜科学技术的发展,这种方法又重新激起了科学家的研究热情。


来自以色列魏茨曼研究所(WIS,Weizmann Institute of Science)的Abraham Kogan教授从理论和试验上对太阳能直接热分解水制氢技术可行性进行了论证,并对如何提高高温反应器的制氢效率和开发更为稳定的多孔陶瓷膜反应器进行了研究。如果在水中加入催化剂,使水的分解过程按多步进行,就可以大大降低加热的温度。由于催化剂可以反复使用,因此这种制氢方法又叫热化学循环法。


目前,科学家们已研究出100多种利用热化学循环制氢的方法,所采用的催化剂为卤族元素、某些金属及其化合物、碳和一氧化碳等。热化学循环法可在低于1000K的温度下制氢,制氢效率可达50%左右,所需热量主要来自核能和太阳能,为了适应未来大规模工业制氢的需要,科学家们正在研究催化剂对环境的影响、新的耐腐蚀材料、以及氧和重水等副产品的综合利用等课题。


光热高效制氢装置有望10年内实现工业化应用


多年来,很多国家的研究机构和企业一直在致力于热化学制氢相关的研究并已取得一定进展。


2013年8月,美国科罗拉多大学波德分校化学和生物工程学院的教授阿兰・维摩与其团队设计出了一种塔式太阳能热利用系统,该系统可以用太阳光有效地将水分解成氢气和氧气,而且成本很低。


该系统工作原理是:将聚光系统收集的热量输入到含有金属氧化物的反应器内,当金属氧化物被加热时,会释放出氧原子,留下的新化合物会四处搜寻新的氧原子。随后,他们再将蒸汽流(由聚集到塔上的太阳光束加热反应器中的水形成)引入该系统中,水分子中的氧气会依附到金属氧化物(由铁、钴、铝和氧组成)的表面,释放出的氢分子聚合在一起就形成了氢气。


2016年,欧盟2020地平线(H2020)计划提供资金支持的欧洲HYDROSOL-PlANT研发团队【由欧盟4个成员国希腊(总协调)、德国、西班牙和荷兰,跨行业跨学科科技人员组成】也传来好消息。


该团队从2014年1月开始研究太阳能制氢HYDROSOL技术,在西班牙建设了一座750KW额定功率的太阳能热反应堆中试示范项目,经过反复检测验证的指标参数,显示出强劲的竞争力。同时,该太阳能制氢热反应堆实现了真正意义上清洁能源生产的温室气体零排放,更适合建立在“太阳高照”广袤的荒漠戈壁区域。


2017年底,德国宇航中心及其国际项目合作伙伴联合展示了这个规模最大的可用于制氢的太阳能化学装置。DLR太阳能研究所项目经理MartinRoeb表示:“通过HYDROSOL_Plant项目,我们首次设计出了一个可实现从发电→高纯氢提取→氢存储等完整过程的太阳能制氢装置。虽然我们的工作目前尚处于研究阶段,但我们现在每周已经可以生产一公斤的氢气,这是一个相当大的数字。一辆高效的燃料电池汽车可以在一公斤氢气驱动下行驶100多公里。”


同样在2017年底,德国宇航中心(DLR)还成功研发出一种名为Synlight的光热发电模拟系统,该系统可模拟上千面定日镜聚集太阳能的效果,通过太阳能反应堆生产太阳能燃料。研究人员预测,未来10年内,即可在光照充足的沙漠地区利用集中太阳能进行氢的裂解生产。


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图:德国宇航局研究人员操作该模拟系统


中国在热化学制氢领域的探索和布局


在中国,中国科学院大连化学物理研究所、首航节能等也在开展相关研究。


2019年2月份,中国科学院大连化学物理研究所航天催化与新材料研究中心王晓东研究员团队在两步法太阳能高温热化学储能研究方面取得新进展,相关研究成果以全文的形式发表于《能源和环境科学》(Energy Environ.Sci.)上。


据悉,两步法太阳能高温热化学储能是利用聚焦太阳能,高温热裂解二氧化碳和水的过程。该方法可将间歇性、能量密度低、分布不均匀的太阳能转化为稳定、能量密度高、易于储存运输的太阳能燃料(合成气或氢气),实现太阳能到化学能的直接转化。


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在前期水裂解研究工作中(AIChEJ),该团队开发了一种CeO2-SnO2复合氧化物相变材料,可有效降低第一步热还原温度,提高氢气的产量。在此基础上,该团队开发了一种CeO2-TiO2复合氧化物负载的镍基催化剂,并在第一步热还原过程中引入还原剂——甲烷,可以大幅提高太阳能燃料的产生速率和产量。


首航节能方面则在今年4月份回答投资者提问时表示,塔式点聚光技术在聚光点会产生高能量密度,利用这种高能量密度产生极高的反应温度,从而热化学氧化还原反应制氢。首航节能经过多年的积累掌握了光热塔式点聚光技术,而热化学制氢反应器正在研发推进之中。


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图:运行中的敦煌100兆瓦塔式光热电站


今年6月17日,由首航节能自主设计、投资建设的敦煌首航节能100兆瓦国家光热示范电站顺利满负荷发电,同时夏季工况下昼夜连续发电突破180万度,各项指标均达到或优于设计值,这意味着该公司光热发电技术商业化推进再获重大突破。


同时,首航节能在氢能产业领域动作频频。在4月18日发布公告中,首航节能称拟以估值不高于3.98亿元对新研氢能源科技有限公司进行增资;5月14日,首航节能公告称与大同市人民政府签署氢能产业项目框架合作协议;5月22日,首航节能公告称拟以1亿元设立氢能公司。


未来如热化学制氢技术获得突破,首航节能在光热发电领域的领先技术和氢能产业的先发优势将可能实现有效整合。而快速发展的氢能产业或可为目前处于商业化示范阶段、相对发展速度较慢的光热发电产业提提速,有望侧面助攻光热技术进步和成本下降。

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