可再生能源制氢技术发展现状及前景浅析

董攀

摘要：本文深入研究了可再生能源制氢技术的发展现状，比较了化石能源重整制氢、工业副产氢和可再生能源电解水制氢的发展前景，同时结合笔者自身工作经验，针对此类问题提出了具有建设性的意见和建议，希望能够为同行业相关工作者提供借鉴和参考。

关键词：制氢技术;可再生能源;发展现状;前景分析

引言

目前，全球能源结构向清洁低碳化转型已是大势所趋，而氢能由于其零排放、零污染、能量密度高等特点，将在以可再生能源为主体的未来能源系统中发挥重要作用[1]。氢的制取主要有三种技术路线：化石能源重整制氢、工业副产氢和电解水制氢。此外还有未来可能具有规模化应用潜力的光热制氢、光电制氢、核能制氢等[2-3]。而随着我国可再生能源的大力发展，利用可再生能源制氢成为大家关注的焦点：氢能可有效弥补电能存储的短板，为高比例可再生能源发展提供有效支撑;可再生能源制氢无碳排放，能够助力我国碳中和目标的实现。目前，可再生能源制氢已成为我国电力行业削峰填谷及解决弃电消纳问题的重要选择[4]。

1、可再生能源制氢技术发展现状

当前主要的电解水制氢方法有3种：碱性水电解制氢（ALK）、质子交换膜（PEM）电解水制氢和固体氧化物（SOEC）电解制氢[5]。

ALK电解水技术一般是以KOH溶液作为电解质，采用石棉布等作为隔膜，在直流电的作用下将水电解，氢气和氧气在分别在阴极和阳极析出，产出的氢气纯度约为99%，需要进行提纯处理。碱性电解槽的工作电流密度一般为0.2-0.4A/cm2，效率60%左右。碱性电解水技术成熟、操作简便且价格便宜，从而得到广泛应用。

PEM电解水制氢原理为：水在电场和催化剂作用下，在阳极发生水解反应，分裂成质子、电子和气态氧，氧气在阳极析出;质子在电势差的作用下，通过质子交换膜到达阴极，与通过外部电路传导到达的电子结合，生成氢气。PEM电解槽的运行电流密度通常高于1A/cm2，具有效率高、气体纯度高、电流密度可调、能耗低、体积小、绿色环保等优点，被公认为是极具发展前景的制氢技术。

SOEC阴极材料一般采用Ni/YSZ多孔金属陶瓷，阳极材料主要是钙钛矿氧化物，电解质采用YSZ氧离子导体。其原理为：混有少量氢气的水蒸气进入阴极（混氢的目的是防止阴极材料Ni被氧化），发生电解反应分解成H2和O2−，在高温环境下O2−通过电解质层到达阳极，在阳极失去电子生成O2。SOEC整个系统电压低、能耗少，系统效率高达90%，但电极材料在高温高湿条件下的稳定性和电堆系统在长时间运行下衰减过快等问题尚待解决，影响了该技术的推广应用。

以上三种制氢技术路线中，目前应用最广泛的是碱性电解水制氢;PEM电解水制氢由于成本等问题尚处于小规模示范应用阶段，但其具有抗电源负荷波动性强的优点，尤其适合与光伏、风电等可再生能源联合使用，未来应用前景广阔;固体氧化物电解制氢还在实验室研究阶段。

2、可再生能源制氫技术的发展前景分析

2.1化石燃料制氢短期内仍是主要氢源，但比例会不断降低

2019年，我国氢气年产量约3400万吨，其中化石能源制氢占比达77.5%，工业副产氢占比约21%，电解水制氢占比约1.5%。不难看出，短期内化石能源重整制氢仍是我国的主要氢源。但是，化石能源制氢并具有可持续性：一是制氢过程当中会产生废水废气，与我国环保要求不相适应;二是它带来大量碳排放，与我国“3060”的双碳目标相悖。因此，化石燃料重整制氢比例将会不断降低。

2.2工业副产氢较为环保，但仍存在碳排放问题

工业副产制氢主要分布在钢铁、化工等行业，目前主要形式有烧碱行业副产氢、高炉煤气副产氢、焦炉煤气可分离回收氢、乙烯和丙烯生产回收氢等[6]。利用工业副产氢，既能提高资源利用效率和经济效益，又可降低环境污染，具有较好的应用前景，但它仍然存在碳排放，面临碳捕捉及封存问题。

2.3可再生能源制绿氢应用前景广阔，技术尚待攻关

可再生能源制氢是全球公认的最具前景的制氢发展方向，随着我国三北地区的风光耦合的电价区间逐渐降至0.2元/kW·h左右，加上运氢成本的降低，氢气用能成本不断降低，氢燃料电池车单位公里燃料价格已经逼近甚至低于燃油车辆，未来制氢产业规模很大。但与一些发达国家相比，我国的电解水制氢技术发展起步较晚，尤其是PEM电解水制氢和SOEC电解池技术与一些发达国家还存在一定差距，限制了其在我国的推广应用。

3、结束语

综上所述，我国氢气产能短期内仍主要来自于化石燃料制氢，但在“3060”双碳目标背景下其比例会不断降低。工业副产氢较为环保，也是我国特色，将成为在完成绿氢替代前培育氢能终端市场的重要过渡手段，但其仍存在碳排放问题，未来的发展需要与碳捕获、利用与封存技术（CCUS）相结合。而可再生能源制氢，不仅有利于解决弃电消纳问题，支撑高比例可再生能源发展，而且凭借其“零碳”的属性，将在我国碳中和路径中扮演重要角色。

参考文献：

[1]雷超，李韬.碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状[J].发电技术，2021，42（02）：207-217.

[2]鲍君香.太阳能制氢技术进展 [J].能源与节能，2018（11）：61-63.

[3]王敏.国内外新能源制氢发展现状及未来趋势[J].化学工业，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.氢能产业发展技术路径研究[J].分布式能源，2020，5（1）：1-8.

[6]刘思明，石乐.碳中和背景下工业副产氢气能源化利用前景浅析[J].中国煤炭，2021，47（06）：53-56.