電解槽在氫能源系統(tǒng)中的作用以及未來氫氣生產(chǎn)方式

氫作為一種能源載體可以支持一個(gè)更靈活、更有彈性和更綜合的能源系統(tǒng)，補(bǔ)充日益增長(zhǎng)的電氣化。它為供熱、運(yùn)輸和工業(yè)等難以減排的行業(yè)提供了長(zhǎng)期脫碳的機(jī)會(huì)，在這些行業(yè)，由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)或地理限制，電氣化可能不適合。

下圖1顯示了整個(gè)氫能源系統(tǒng)，其中電解制氫生產(chǎn)以綠色突出顯示。電解制氫是通過用電將純水分離成氫和氧分子而產(chǎn)生的。電解槽，或更準(zhǔn)確地說，電解電堆，是電解制氫系統(tǒng)的主要電化學(xué)組件。電解電堆是電解系統(tǒng)中的主要部件，由水電供應(yīng)、冷卻和凈化等功能所需的輔助部件支撐。從電解堆中產(chǎn)生的氫氣通過分離和干燥過程進(jìn)行凈化，而氧氣被釋放到大氣中，或者可以被捕獲或儲(chǔ)存以供應(yīng)其他工業(yè)過程。氫可以通過燃料電池(可用于電力或運(yùn)輸應(yīng)用)直接用于發(fā)電，也可以燃燒產(chǎn)生熱量，也可以用作化工或工業(yè)過程原料。它也可以以氣體或液體的形式儲(chǔ)存，以后用于發(fā)電，以緩解能源需求的高峰。在未來，氫氣可能會(huì)被注入天然氣國(guó)家輸送系統(tǒng)，提供天然氣的低碳替代品，盡管這取決于有關(guān)混合的立法獲得批準(zhǔn)。

圖1：氫能源系統(tǒng)

與采用碳捕獲、利用和儲(chǔ)存(CCUS)技術(shù)的天然氣制氫相比，電解制氫的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它在生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生排放。電解制氫還補(bǔ)充了不斷增長(zhǎng)的可再生能源容量，使剩余的電力生產(chǎn)能夠用于制氫，而不是以高成本去削減電網(wǎng)的供應(yīng)。然而，電解目前是最昂貴的制氫方法，盡管由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)和可再生電力變得更便宜，預(yù)計(jì)這將在未來幾年減少。

如上圖1所示，電解制氫可以通過一系列電力來源產(chǎn)生，包括直接電網(wǎng)連接，直接連接到可再生能源或電網(wǎng)/直接連接電力的混合。然而，只有直接連接到可再生能源才能保證零碳電力，隨著更多的可再生能源發(fā)電連接到國(guó)家電網(wǎng)，預(yù)計(jì)未來十年電網(wǎng)排放對(duì)氫氣生產(chǎn)的影響將減少。越來越多的人正在研究海上風(fēng)力發(fā)電站的海上氫氣生產(chǎn)，這將需要更多的管道將氫氣輸送到使用點(diǎn)。

以下為未來氫氣生產(chǎn)的形式：

未來的電解制氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)可能有幾種不同的形式，這取決于系統(tǒng)的規(guī)模，是位于陸地上還是海上，以及氫氣生產(chǎn)是集中還是分散。在這個(gè)階段，形式的組合是不確定的，但可能是以下一些元素的組合:

1、大規(guī)模海上制氫

氫氣可以在海上集中平臺(tái)上生產(chǎn)，也可以在利用海上風(fēng)力的單個(gè)渦輪機(jī)內(nèi)生產(chǎn)。這些系統(tǒng)的規(guī)模可能從100兆瓦(MW)到幾吉瓦（GW）不等。這種類型的生產(chǎn)可能由海上風(fēng)電開發(fā)商主導(dǎo)。這些系統(tǒng)既可以通過新的或現(xiàn)有的管道將天然氣輸送到陸上，也可以直接向海上地下儲(chǔ)存庫供應(yīng)氫氣，或者直接從能源島出口到全球各地。下圖2顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

圖2：大規(guī)模海上制氫

2、海上風(fēng)電在陸地的大規(guī)模制氫

如果電網(wǎng)足夠*，海上風(fēng)能開發(fā)商可能會(huì)選擇電力而不是氫。在這種情況下，大規(guī)模生產(chǎn)可以位于沿海地區(qū)，利用岸上的電力，并在限制時(shí)間內(nèi)支持電網(wǎng)。這些系統(tǒng)的規(guī)模可能從100兆瓦到幾吉瓦（GW）不等。與海上生產(chǎn)一樣，這些氫氣可以通過新的或現(xiàn)有的管道運(yùn)輸，直接向海上地下儲(chǔ)存供應(yīng)氫氣，或者通過附近的港口設(shè)施出口全球各地。下圖3顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

圖3：大規(guī)模陸地制氫

3、大規(guī)模集中生產(chǎn)

氫氣生產(chǎn)可能會(huì)集中部署在有多余的用于電解槽的關(guān)鍵部件，電力和水等地區(qū)。這些地區(qū)可以接入大容量電網(wǎng)，或者直接連接陸上可再生能源，如風(fēng)能或太陽能光伏。由于它們的電網(wǎng)連接，它們可以以產(chǎn)量運(yùn)行，以確保穩(wěn)定的生產(chǎn)。這些系統(tǒng)的規(guī)模可能從100兆瓦到千兆瓦不等。集中生產(chǎn)很可能通過管道輸送到大型儲(chǔ)存設(shè)施、需求中心或出口終端。下圖4顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

圖4：大規(guī)模集中制氫

4、小規(guī)模分散生產(chǎn)

有幾種不同的分散式氫氣生產(chǎn)模式。這些系統(tǒng)可以由當(dāng)?shù)氐目稍偕茉聪到y(tǒng)供電，以滿足當(dāng)?shù)氐墓I(yè)需求。或者它們可以位于城市地區(qū)，并連接到電網(wǎng)，為當(dāng)?shù)氐慕煌屑~提供彈性的氫氣生產(chǎn)。這些系統(tǒng)的規(guī)模可能從幾兆瓦到100兆瓦。這些很可能還需要某種形式的本地存儲(chǔ)。下圖5顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

圖5：小規(guī)模分散式氫氣生產(chǎn)模式

文章來源：氫眼所見
注：已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)載權(quán)