犀牛雖體形笨重、反應(yīng)遲緩，可一旦向你狂奔而來，會讓你猝不及防。氫能就被認(rèn)為最有可能成為新能源革命的“犀牛”。而要想養(yǎng)肥這頭“犀牛”，如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)制氫就成為能源界關(guān)注的焦點(diǎn)。

實(shí)際上，包括海水在內(nèi)的水資源就是地球上最大的“氫礦”，電解水制氫被認(rèn)為是制備氫氣的有效方法。針對可再生能源面臨的時(shí)空波動(dòng)性和并網(wǎng)困難等問題，利用光伏發(fā)電、風(fēng)電和水電等可再生能源大規(guī)模制備氫氣被認(rèn)為是一條理想途徑。

但受現(xiàn)有電解水制氫技術(shù)的制約，實(shí)施上述途徑面臨諸多挑戰(zhàn)。如何在可再生能源規(guī)模化電解水制氫生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模”“低能耗”“高穩(wěn)定性”三者的統(tǒng)一，日前被中國科協(xié)列為2020年重大工程技術(shù)難題之一。

最大優(yōu)勢是產(chǎn)生“綠氫”

氫不但可以直接作為能源使用，在石化工業(yè)中也有著重要的用途，被譽(yù)為未來世界能源架構(gòu)的核心。中國科學(xué)院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長鄒才能表示，中國是全球最大的新能源消費(fèi)國，2018年消費(fèi)量4.8億噸油當(dāng)量，占世界總消費(fèi)量的23%。利用新能源規(guī)模化低成本電解水制氫，將是未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

然而，目前商用氫氣96%以上是從化石燃料中制取。制氫過程中會排放大量CO2，這類氫氣也被稱為“黑氫”。而可再生能源電解水制氫最大的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)“零碳排放”，產(chǎn)生“綠氫”。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦告訴《中國科學(xué)報(bào)》，利用可再生能源規(guī)模化電解水制取“綠氫”，一方面可極大地消除氫氣生產(chǎn)過程中的碳排放問題，構(gòu)建真正潔凈的新型能源體系;另一方面可將間歇、不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化儲存為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能源供給。

而為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》規(guī)定的將氣候變暖限制在2℃以下這一目標(biāo)，需要2050年在全世界實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。通過利用可再生能源制取“綠氫”，構(gòu)建零碳排放的能源利用體系，在業(yè)內(nèi)看來，其帶來的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益是難以估量的。

“目前，可再生能源電解水制氫產(chǎn)能規(guī)模已經(jīng)從每小時(shí)幾十方提升到上千方，可以逐步滿足規(guī)模化工業(yè)需求。而隨著電催化劑技術(shù)的進(jìn)步，能量轉(zhuǎn)換效率還將大幅提升。”李燦告訴記者，傳統(tǒng)工業(yè)電解水裝置能量效率約50%~70%，最新技術(shù)已將工業(yè)電解水的能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高到80%以上。

三大要素缺一不可

要想實(shí)現(xiàn)減排污染物和二氧化碳的初衷，就需要發(fā)展綠色氫能并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，工業(yè)化應(yīng)用的前提就是“大規(guī)模”。在李燦看來，由于現(xiàn)行工業(yè)設(shè)備單臺制氫規(guī)模較小、制氫效率低、投資成本高，“規(guī)模化”就成為工業(yè)化電解水制氫的必要條件。

而在規(guī)模化條件下提高效率是一大挑戰(zhàn)。“由于‘綠氫’與‘黑氫’的商業(yè)化競爭在于制氫成本，成本又與電解水制氫的效率和耗電量直接相關(guān)，這就需要研發(fā)更高活性的電催化劑技術(shù)。因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)‘低能耗’制氫，‘綠氫’才能被市場所接受。”李燦說。

不僅如此，可再生能源的間歇特性，對電解水制氫催化劑及其系統(tǒng)技術(shù)也提出了更為嚴(yán)苛的穩(wěn)定性要求，因?yàn)橹挥性陂g歇變化的條件下仍能穩(wěn)定工作，才能實(shí)現(xiàn)“低能耗”“規(guī)模化”生產(chǎn)綠氫。因此，在李燦看來，對于可再生能源規(guī)模化電解水制氫，“大規(guī)模”“低能耗”和“高穩(wěn)定性”三大要素缺一不可。

李燦指出，要想實(shí)現(xiàn)這三者的統(tǒng)一，需要研發(fā)新型電極催化技術(shù)、先進(jìn)的隔膜和電解槽組件技術(shù)及其系統(tǒng)工程技術(shù)，才能克服電解水電極催化劑活性低、能量轉(zhuǎn)化效率低等關(guān)鍵技術(shù)問題。例如在低電壓下增大產(chǎn)氫電流密度、降低制氫能耗，提升穩(wěn)定性、擴(kuò)大單體設(shè)備制氫規(guī)模等，都是需要克服的工程技術(shù)難題。

值得關(guān)注的是，目前，電解水制氫均采用純度較高的淡水為原料，若全球需氫量劇增，用豐富的海水資源直接制備氫氣也被工業(yè)界看好。在李燦看來，電解海水同樣必須具備“大規(guī)模”“低能耗”和“高穩(wěn)定性”，才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前，淡水條件下的電解水技術(shù)將為電解海水制氫奠定基礎(chǔ)，從技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢看，實(shí)現(xiàn)電解海水制氫勢在必行，技術(shù)上也完全可行。

鄒才能評價(jià)道，聚焦可再生能源“大規(guī)模”“低能耗”“高穩(wěn)定性”電解水制氫，把可再生能源消納與電解水制氫相結(jié)合，對構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”能源體系，形成氫氣工業(yè)體系，建設(shè)“氫能中國”，保障國家能源安全具有重大意義。