可再生能源制氫技術發展現狀及前景淺析

董攀

摘要：本文深入研究了可再生能源制氫技術的發展現狀，比較了化石能源重整制氫、工業副產氫和可再生能源電解水制氫的發展前景，同時結合筆者自身工作經驗，針對此類問題提出了具有建設性的意見和建議，希望能夠為同行業相關工作者提供借鑒和參考。

關鍵詞：制氫技術;可再生能源;發展現狀;前景分析

引言

目前，全球能源結構向清潔低碳化轉型已是大勢所趨，而氫能由于其零排放、零污染、能量密度高等特點，將在以可再生能源為主體的未來能源系統中發揮重要作用[1]。氫的制取主要有三種技術路線：化石能源重整制氫、工業副產氫和電解水制氫。此外還有未來可能具有規模化應用潛力的光熱制氫、光電制氫、核能制氫等[2-3]。而隨著我國可再生能源的大力發展，利用可再生能源制氫成為大家關注的焦點：氫能可有效彌補電能存儲的短板，為高比例可再生能源發展提供有效支撐;可再生能源制氫無碳排放，能夠助力我國碳中和目標的實現。目前，可再生能源制氫已成為我國電力行業削峰填谷及解決棄電消納問題的重要選擇[4]。

1、可再生能源制氫技術發展現狀

當前主要的電解水制氫方法有3種：堿性水電解制氫（ALK）、質子交換膜（PEM）電解水制氫和固體氧化物（SOEC）電解制氫[5]。

ALK電解水技術一般是以KOH溶液作為電解質，采用石棉布等作為隔膜，在直流電的作用下將水電解，氫氣和氧氣在分別在陰極和陽極析出，產出的氫氣純度約為99%，需要進行提純處理。堿性電解槽的工作電流密度一般為0.2-0.4A/cm2，效率60%左右。堿性電解水技術成熟、操作簡便且價格便宜，從而得到廣泛應用。

PEM電解水制氫原理為：水在電場和催化劑作用下，在陽極發生水解反應，分裂成質子、電子和氣態氧，氧氣在陽極析出;質子在電勢差的作用下，通過質子交換膜到達陰極，與通過外部電路傳導到達的電子結合，生成氫氣。PEM電解槽的運行電流密度通常高于1A/cm2，具有效率高、氣體純度高、電流密度可調、能耗低、體積小、綠色環保等優點，被公認為是極具發展前景的制氫技術。

SOEC陰極材料一般采用Ni/YSZ多孔金屬陶瓷，陽極材料主要是鈣鈦礦氧化物，電解質采用YSZ氧離子導體。其原理為：混有少量氫氣的水蒸氣進入陰極（混氫的目的是防止陰極材料Ni被氧化），發生電解反應分解成H2和O2?，在高溫環境下O2?通過電解質層到達陽極，在陽極失去電子生成O2。SOEC整個系統電壓低、能耗少，系統效率高達90%，但電極材料在高溫高濕條件下的穩定性和電堆系統在長時間運行下衰減過快等問題尚待解決，影響了該技術的推廣應用。

以上三種制氫技術路線中，目前應用最廣泛的是堿性電解水制氫;PEM電解水制氫由于成本等問題尚處于小規模示范應用階段，但其具有抗電源負荷波動性強的優點，尤其適合與光伏、風電等可再生能源聯合使用，未來應用前景廣闊;固體氧化物電解制氫還在實驗室研究階段。

2、可再生能源制氫技術的發展前景分析

2.1化石燃料制氫短期內仍是主要氫源，但比例會不斷降低

2019年，我國氫氣年產量約3400萬噸，其中化石能源制氫占比達77.5%，工業副產氫占比約21%，電解水制氫占比約1.5%。不難看出，短期內化石能源重整制氫仍是我國的主要氫源。但是，化石能源制氫并具有可持續性：一是制氫過程當中會產生廢水廢氣，與我國環保要求不相適應;二是它帶來大量碳排放，與我國“3060”的雙碳目標相悖。因此，化石燃料重整制氫比例將會不斷降低。

2.2工業副產氫較為環保，但仍存在碳排放問題

工業副產制氫主要分布在鋼鐵、化工等行業，目前主要形式有燒堿行業副產氫、高爐煤氣副產氫、焦爐煤氣可分離回收氫、乙烯和丙烯生產回收氫等[6]。利用工業副產氫，既能提高資源利用效率和經濟效益，又可降低環境污染，具有較好的應用前景，但它仍然存在碳排放，面臨碳捕捉及封存問題。

2.3可再生能源制綠氫應用前景廣闊，技術尚待攻關

可再生能源制氫是全球公認的最具前景的制氫發展方向，隨著我國三北地區的風光耦合的電價區間逐漸降至0.2元/kW·h左右，加上運氫成本的降低，氫氣用能成本不斷降低，氫燃料電池車單位公里燃料價格已經逼近甚至低于燃油車輛，未來制氫產業規模很大。但與一些發達國家相比，我國的電解水制氫技術發展起步較晚，尤其是PEM電解水制氫和SOEC電解池技術與一些發達國家還存在一定差距，限制了其在我國的推廣應用。

3、結束語

綜上所述，我國氫氣產能短期內仍主要來自于化石燃料制氫，但在“3060”雙碳目標背景下其比例會不斷降低。工業副產氫較為環保，也是我國特色，將成為在完成綠氫替代前培育氫能終端市場的重要過渡手段，但其仍存在碳排放問題，未來的發展需要與碳捕獲、利用與封存技術（CCUS）相結合。而可再生能源制氫，不僅有利于解決棄電消納問題，支撐高比例可再生能源發展，而且憑借其“零碳”的屬性，將在我國碳中和路徑中扮演重要角色。

參考文獻：

[1]雷超，李韜.碳中和背景下氫能利用關鍵技術及發展現狀[J].發電技術，2021，42（02）：207-217.

[2]鮑君香.太陽能制氫技術進展 [J].能源與節能，2018（11）：61-63.

[3]王敏.國內外新能源制氫發展現狀及未來趨勢[J].化學工業，2018，36（6）：13-18.

[4]MOSTAFA Rezaei，MALIKEH Salimi，MOZHGAN Momeni，etal.Investigation of the socio-economic feasibility of installing wind turbines to produce hydrogen：Case study[J].International Journal of Hydrogen Energy.2018，43：23135-23147.

[5]曹蕃，等.氫能產業發展技術路徑研究[J].分布式能源，2020，5（1）：1-8.

[6]劉思明，石樂.碳中和背景下工業副產氫氣能源化利用前景淺析[J].中國煤炭，2021，47（06）：53-56.