制氢、储氢，全球“拾慧”
2024-11-8 14:37:16 点击：
近日，乌拉圭公布首个绿氢工厂项目计划，该工厂将耗资3800万美元，位于乌拉圭西南部里奥内格罗省首府弗雷本托斯市，预计于2026年开始运营。该项目建设内容包括8000块太阳能电池板、1个每小时可生产36千克氢气的2兆瓦级电解槽和1个卡车加气站。
随着全球对清洁能源的需求日益增长，氢能源因其高能量密度和零排放特性，被视为未来能源体系的重要组成部分。氢能源的制造方式多样，包括电解水制氢、天然气重整制氢、生物质气化制氢等。氢能源作为一种清洁、高效的能源载体，在全球能源转型中扮演着重要角色，其制造成本及市场价格是决定自身商业化进程的关键因素。
本文旨在探讨氢能源的制造成本构成以及氢能源的储存问题，并提出可以降低成本的合理建议。
国内外制氢方式选择存在差异
国内氢能源制造主要依赖化石燃料重整和水解制氢技术，其中煤制氢和天然气重整制氢占据主导地位。近年来，随着可再生能源的发展，国内电解水制氢技术快速发展。国外在氢能源制造方面更加注重可再生能源制氢，如利用太阳能、风能等进行电解水制氢，在生物质制氢、核能制氢等领域也有所突破。
目前，我国电解水制氢方法的效率只有50%~70%，处于较低水平，而且要消耗大量电能及成本。观察我国氢能源价格，2023年3月7日，长三角氢价格为33.69元/公斤，长三角“清洁氢”价格为34.13元/公斤。再细看国内常见的一些制氢方法及价格，轻烃裂解制氢方法主要有丙烷脱氢和乙烷裂解制氢，轻烃裂解的氢气纯度较高，杂质含量低；副产焦炉气制氢价格一般不高于12元/千克，烧碱副产物制氢等价格一般不高于18元/千克；煤制氢价格约为10元/千克～15元/千克；天然气制氢的价格约为15元/千克～20元/千克。值得关注的是，电解水制氢方法绿色环保，生产的氢气纯度高，但能耗较高，电解水制氢的氢气价格在30元/千克～40元/千克。
在国外，灰氢（通过天然气重整）的成本相对较低，大约在1美元/千克~2美元/千克。绿氢（通过电解水）的成本较高，根据国际能源署（IEA）公布的数据，2020年绿氢的平均成本在3美元/千克~6美元/千克，这主要是因为电解水的电力成本较高。随着电解技术的改进和规模化应用，绿氢的成本正在下降。例如，根据彭博新能源财经（Bloomberg NEF）的报告，到2030年，绿氢的成本预计下降到1.4美元/千克~2.3美元/千克，这主要得益于可再生能源成本的降低和电解效率的提升。
纵观目前全球发展状况，日本在氢能利用和专利拥有数方面位居全球第一，已经实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广；美国氢能专利数排名第二，集中在加利福尼亚州示范应用；韩国已掌握一流技术，目前正在推进关键零部件100%国产化；欧盟氢能产业基础最好，拥有世界级的氢气和燃料电池价值链参与者，以及强大的氢研究机构和完善的计划，特别是德国的优势最为明显。
我国可以向国外学习低成本制氢技术，将风能和太阳能发电与电解水制氢相结合，从而降低制氢成本。电解水是目前最常用的绿氢生产方法，通过提高电解槽的效率，减少能量损失，可以降低生产成本。此外，我们还可以通过优化电极材料来提高电解效率，使用高效的催化剂，如铂、钯、镍基合金等，降低电解过程中的过电位，提高反应速率；改变优化电极结构，采用多孔、纳米结构或复合材料的电极，增加电极的表面积，提高电化学反应的效率；改进电解质离子传导性，使用液态电解质，比如在锂离子电池中使用锂盐溶解有机溶剂中的混合物。固态电解质比如氧化物、硫化物或聚合物基的固态电解质，可以在固态电池中使用，提供更高的安全性和能量密度。同时，凝胶电解质结合了液态电解质和固态电解质的优点，有更好的机械稳定性和离子传导性。
此外，我们还可以优化电解槽设计，使用碱性阴离子交换膜电解水制氢技术，碱性阴离子交换膜电解水制氢技术采用非贵金属催化剂，相较于传统碱性电解水技术成本较低，可达到更高的电解电流密度。大量减少电解槽体积的缺点是，催化剂为贵金属和需要较高的投资成本。这不利于降低制氢成本，但是能减少电能损耗，可以作为一个备用选项。
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