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制氢技术哪家强?碳中和目标下爱克发(Agfa)制氢前沿电解膜技术浅析

2021-04-28 09:02:15 作者:华越国际  浏览次数:

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碳中和

解决气候危机是全球现在最没有架可吵的话题之一。15个已知的影响地球系统平衡的气候临界点,有9个被激活了,这些临界点涉及北极、格陵兰、大西洋、亚马逊……几乎覆盖了整个地球,气候灾难正迅速逼近。尽管中美之间在部分领域存在摩擦和冲突,但是在同一个领域显示出高度一致的立场:这就是4月18日双方共同发布的《中美应对气候危机联合声明》。

声明表示中美将致力于相互合作,并与其他国家一道解决气候危机。

发展新能源是两国共识,中美联手应对气候变化,符合双方共同利益。但别忽略了,新能源也是高科技产业之一,发展新能源的背后,是合作与竞争共存的大国博弈。

已经有40多个国家和地区承诺在2050年实现碳中和,中国也提出了“3060目标”。碳中和是一场充满雄心的气候行动。但雄心背后,挑战也史无前例。

了解碳中和与氢能应用

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GE对碳中和描述

实现碳中和的核心是控制碳排放。而能源燃烧是我国主要的二氧化碳排放源。《联合国气候变化框架公约》下的《IPCC国家温室气体清单指南》中提到,能源活动占二氧化碳排放量的85.5tanzhogn%。由此可见,在碳中和的推动下,我国能源领域将进行一次新的革命。而在刘燕华看来,绿色能源是碳中和的根本出路。

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中信证券研究显示,实现碳中和的途径主要包括:电力生产清洁化,发展氢能源,交通和工业的电气化、氢能化以及碳捕捉等。

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氢能是中国能源结构由化石能源转向清洁能源的重要媒介。2018年全国氢产量约2100万吨,按照热值换算,占全国总能源产量2.7%。根据预计,到2030年中国氢气需求量将达到3500万吨,在终端能源体系中占比5%;到2050年需求将超过6000万吨(其中交通2458万吨,工业3370万吨,建筑及其他110万吨),在终端能源体系中占比10%以上。

交通领域:氢能运用的重要突破口。商用车方面,预计2030年燃料电池商用车销量将占总销量7%-13%,2050年占37%以上;乘用车方面,2030年燃料电池车将占总销量3%,2050年占比14%。2050年交通消耗氢能源有望达到2458万吨,共占交通总能耗的19%。其中货运氢能消耗会占交通总氢能消耗的70%,是氢能消耗的主要驱动力。

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工业领域:2030年前工业领域氢能消耗将稳步上涨,随后逐步下降。钢铁产业是主要氢能消费驱动力,当前钢铁领域氢能消耗约2500万吨标煤(估算),2030年钢铁领域氢能消费量将达到5000吨标煤,2050年达到7600万吨标煤,氢能将占钢铁产业能源34%。2018年化工消耗氢能折合8400万吨标煤,2030年增至1.04亿吨标煤,2050年回落至8700万吨。2050年工业领域的氢能消费将超过1.6亿吨标煤。

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制氢方法

目前主流的制氢方法共有三种:化石燃料制氢、工业副产氢、可再生能源电解水制氢。其中化石燃料制氢应用最广,但是碳排放大;利用风电、光伏发电来电解水制氢占比较小,但是没有碳排放,发展潜力最大。根据制氢过程是否有碳排放,国际上将制取的氢分为“灰氢”、“蓝氢”、“绿氢”。灰氢一般采用化石能源制取,并产生大量碳排放;蓝氢同样采用化石能源作为原料,但是利用碳捕捉技术收集二氧化碳进行回收;绿氢则采用光伏、风电等绿色电能电解水制氢,无二氧化碳排放。

前沿电解膜技术

通过电解生产绿色氢气,该工艺利用绿色电力将水转化为氧气和氢气。这些气体被安装在电解器最中心的膜隔开,并在很大程度上决定了制氢系统的效率和可靠性。

用于高级碱性电解的ZIRFON膜,即使在动态操作条件下,仍具有持续的高生产率,因此受到全世界客户的赞赏。另一个优势是其出色的耐用性,这有益于电解系统的可靠性和维护成本。

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水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气,分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同,通常将水电解制氢分为碱性水电解(AE)、质子交换膜(PEM)水电解以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。

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1碱性水电解制氢

碱性水电解制氢电解槽隔膜主要由石棉组成,起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成,如Ni-Mo合金等,分解水产生氢气和氧气。工业上碱性水电解槽的电解液通常采用KOH溶液,质量分数20%~30%,电解槽操作温度70~80℃,工作电流密度约0.25A/cm2,产生气体压力0.1~3.0MPa,总体效率62%~82%。碱性水电解制氢技术成熟,投资、运行成本低,但存在碱液流失、腐蚀、能耗高等问题。水电解槽制氢设备开发是国内外碱性水电解制氢研究热点。

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2PEM 水电解制氢

区别于碱性水电解制氢,质子交换膜(PEM)水电解制氢选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜,能有效阻止电子传递,提高电解槽安全性。PEM水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极,是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所,膜电极特性与结构直接影响PEM水电解槽的性能和寿命。

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ZIRFON是爱克发(Agfa)用于碱性水电解的隔膜,它由开放式网眼聚苯硫醚织物组成,该织物对称地涂有聚合物和氧化锆的混合物。这种结构正在迅速发展,成为主要研究机构和系统开发人员的首选,以作为包括PPS布或石棉在内的传统结构的替代材料。越来越多的国家禁止使用石棉,因为这代表着严重的健康危害。ZIRFON也被许多人选择,因为它在输出和运行效率方面提高了电解系统的整体性能。

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爱克发(Agfa)的ZIRFON膜使碱性电解成为制氢最有效的技术,弗劳恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)最近使用爱克发(Alfa)的ZIRFON隔膜进行的一项研究证实,碱性电解(AEL)技术与质子交换膜(PEM)技术一样有效,并且能够在高电流密度下运行。这表明AEL是最具成本效益的制氢系统。

作为一项电解技术,这项研究证实了AEL具有比PEM更高的效率,但是当比较使用各种技术的低温电解系统的效率时,PEM具有在较高电流密度下运行的优势。

Fraunhofer报告现在还显示,当使用Zirfon膜和优质电极时,AEL接近达到与PEM相同的电流密度。这使AEL成为最具成本效益的制氢系统,因为PEM的材料投资和运行成本(OPEX)均达到AEM的显着高于AEL,特别是在大型装置的情况下。

爱克发(Agfa)

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爱克发(Agfa)集团是影像技术和IT解决方案领域的领先公司,拥有150多年的经验。该集团拥有四个部门:放射学解决方案,医疗保健IT,数字印刷与化学和胶印解决方案。他们为医疗保健部门,特定工业应用和印刷行业开发,制造和销售模拟和数字系统。爱克发(Agfa)是欧洲氢能组织的成员,该组织代表着活跃于氢和燃料电池领域的欧洲行业,国家协会和研究中心。

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