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岳建华:利用可再生能源电解水制氢实现大规模储能与氢能综合利用

发布时间: 2015-08-11 09:43:14    来源: 《电气技术》杂志
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[摘要]可再生能源技术的进步、产业规模的扩大,产品造价和运行成本的降低,是可大幅度减少可再生能源补贴的有效途径,也是降低可再生能源成本的必由之路。

  4.氢能安全与标准

  1)安全

  氢的工业使用有超过一百年的历史,在工业使用环境中有着成熟完善的工业标准和应用范例。氢在空气中的扩散性很强,氢泄漏或燃烧时,可以很快地垂直升到空气中并消失得无影无踪,氢本身没有毒性及放射性,不会对人体产生伤害,也不会产生温室效应。

  氢能具有较宽的着火极限、着火温度低、燃烧速度快,作为新的能源形式,其安全性往往受到普遍关注。从技术方面讲,通过物理和化学的手段,氢的使用是绝对安全的。

  科学家已经做过大量的氢能安全试验,证明氢是安全的燃料。如在汽车着火试验中,分别将装有氢气和天然汽油燃料罐点燃,结果氢气作为燃料的汽车着火后,氢气剧烈燃烧,但火焰总是向上冲,对汽车的损坏比较缓慢,车内人员有较长得时间逃生,而天然燃料的汽车着火后,由于天然气比空气重,火焰向汽车四周蔓延,很快包围了汽车,伤及车内人员的安全。

  现有的压缩氢气储运技术与液氢储运已经比较成熟,能够保证氢气在储运过程中的安全性。

  2)我国现有氢能相关标准(略)

  5.氢能市场概述

  我国氢气年使用量2014年已逾2,150亿m³规模,且未来增长迅速,预计到2020年可达到3550亿m³

  我国氢能市场消费量中:合成氨用氢占全部市场的78%、石油化工占12.13%、甲醇占5.04%、苛性钠占1.960%、电子占0.790%、浮法玻璃占0.130%、植物油占0.050%。

  6.国内外氢能综合利用情况

  1). HCNG

  众多发达国家都很重视氢能利用对可再生能源发展的技术和具体解决方案的发展。以Powerto Gas项目(P2G)为例,该项目缘于德国可再生能源的发展。美国、加拿大、韩国、欧盟等国家和地区均获得了国家层面的支持,有大量的研究计划和产业化项目正在实施。日本政府建立和发展了规模巨大的氢能发展规划,其计划包括大规模发展氢燃料电池汽车,可再生能源发电制氢、HCNG计划、分布式制氢规划等。

  美国,加拿大,意大利,印度、挪威、法国、瑞典等国在较早的时间就已经开展了关于 HCNG客车的相研究。目前,HCNG 技术已经应用到多国的城市出租车、公交车和重型卡车上。

  根据我们对氢能综合利用技术及市场需求的调研分析,在众多氢能综合利用技术中,在天然气中掺混氢气(HCNG)具有技术成熟、易推广、对环境友好等优点。

  利用先进电解水制氢技术来制备氢气并掺混到天然气里,特别是在压缩天然气(CNG)中掺混氢气作为汽车动力用燃气,有着非常好的燃烧特性、非常低的排放指标,具有非常好的经济性。

  a.掺入20%氢气后,在不带催化器的情况下,排放和燃料消耗率相对于原天然气发动机,NOx下降51%,,NMHC下降60%,CH4下降47%, CO下降36% ,BSFC(燃料消耗率)下降7%。

  b.带催化器的情况下,经过优化标定后20%HCNG 发动机超过欧(国)Ⅴ,达到环境友好型汽车排放标准(EEV,大体与欧Ⅵ相当)。

  c.掺混体积比20%氢气的HCNG,在运输、储存和使用过程中,不需要对现行CNG相关设备进行任何改造。(国标《加氢站技术规范》GB50516-2010)

  HCNG汽车、加气站均与CNG发动机、汽车、加气站兼容。HCNG加气站国家标准即将颁布。

  2)HNG

  德国E.ON和Greenpeace Energy等能源公司利用风力发电的剩余电力电解水生成氢,然后提供给现有的燃气管道网络。在利用剩余电力的同时,通过在城市燃气中添加氢,削减硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)等有害物质的排放。

  3)甲烷化

  氢与CO2反应制备的甲烷,注入现有的天然气网的话,除了可有效利用现有的天然气和基础设施,也能将被排出的二氧化碳作为资源加以再利用,从而削减CO2排出量,因此备受期待。特别是德国半数氢甲烷化,注入遍布全国的天然气网项目。

  4)氢燃料电池

  氢燃料电池是利用氢和氧,直接经过电化学反应而产生电能的装置,换言之,也就是电解水槽产生氢和氧的逆反应。

  70年代以来,日美等国加紧研究各种燃料电池技术,部分技术已进入商业性开发。日本已建立万千瓦级燃料电池发电站,美国、德、英、法、荷、丹、意等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究。

  5)氢动力汽车

  目前氢动力汽车主要有两个发展方向,一是纯氢汽车,即氢内燃机车,另一种是氢燃料电池车。

  丰田、本田、日产、通用、福特、戴姆勒、宝马、大众、现代等汽车工业巨头均在发展氢燃料电池汽车,预计美国加利福尼亚州2015至2017年达到5万台,德国在2023年达到50万辆规模,英国在2030年160万台规模。印度至2020年全国推广10万辆氢能汽车。

  6)氢能发电

  利用氢气和氧气燃烧,组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机,它不需要复杂的蒸汽锅炉系统,结构简单,维修方便,启动迅速,即开即停。在电网低负荷时,还可吸收多余的电来进行电解水,生产氢和氧,以备高峰时发电用。

  7)其它方面的应用(略)

  8)国内的几个重要示范项目

  我国对氢能研究的投入近年来不断增加,也取得了一定成果。

  2006年,福田汽车与清华大学合作,承接了中美面向奥运新能源汽车(DOE)项目的整车研发与制造工作,并在北京奥运会及贵州六盘水市示范运行。

  清能华通公司联合清华大学先后研发出 4 辆 HCNG城市公交车,累计运行里程超过15000km。

  2012年2月,山西省国新能源发展集团有限公司在山西河津成功建成投产氢气掺混压缩天然气(HCNG)加气示范站。该加气站是目前世界最大规模的HCNG加气站(设计能力为日供2万立方米车用HCNG),为全国首个氢能示范项目。

  河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目:河北建投集团、德国勃兰登堡州波茨坦市、德国迈克菲能源公司、欧洲安能公司就共同投资建设河北省首个风电制氢示范项目已经开工(2015年5月)。示范项目位于张家口市沽源县境内。项目包括200MW风力发电部分、10MW电解水制氢系统以及氢气综合利用系统三个部分。项目建成后电力供电京津唐电网,氢气供冀北地区工业使用。

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