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《【Energy Conversion and Management】经济高效地生产环保绿色氢气的蓝图》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-03-13

  • 研究机构与人员：


    • 研究机构：韩国能源研究所（Korea Institute of Energy Research, KIER）。
    • 研究人员：Joungho Park博士及其团队。


    研究内容：

    该研究对水电解制氢技术进行了经济分析，比较了碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis）和质子交换膜水电解（PEM Water Electrolysis）的技术特点和经济可行性。碱性水电解技术成熟且成本较低，但需要稳定电力供应，难以与间歇性可再生能源有效结合；PEM水电解则可在较小电力供应下运行，适合可再生能源，但初始安装成本高且技术成熟度较低。

    研究团队提出，碱性水电解系统可通过现有电网作为补充电源以稳定运行，避免频繁启停导致的效率下降和寿命缩短。同时，研究还发现，PEM水电解系统在电力过载运行时可提高经济性，通过供应1.5倍所需电力可将制氢成本降至5.80美元/千克。

    实施效果：

    • 结合储能系统（ESS）和可再生能源时，碱性水电解的制氢成本为8.60美元/千克；而通过现有电网补充电力，成本可降至6.60美元/千克。
    • 在可再生能源占比高且电力供应稳定的环境下，PEM水电解是最佳选择；其他情况下，碱性水电解与无碳电网结合更为理想。
    • 研究团队还针对韩国能源环境提出了优化方案，结合100兆瓦水电解系统、100兆瓦海上风电和100兆瓦太阳能，未来可实现约4美元/千克的稳定氢气供应。

    发表期刊：

    期刊：Energy Conversion and Management


    论文标题：Comparative techno-economic evaluation of alkaline and proton exchange membrane electrolysis for hydrogen production amidst renewable energy source volatilityDOI：10.1016/j.enconman.2024.119423

    。


  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2025-03-blueprint-effective-production-eco-friendly.html
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相关报告

  • 《利用核能生产绿色氢》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2020-05-18
    • 美国20%的电力来自核能。这种能源经常遭到诋毁，它不产生碳排放，而且与其他任何发电站相比，它的容量系数最高，在92%的时间里产生能源。 对探索核制氢的可能性和益处的支持不断增加，兴趣也越来越大。利用核电站产生的电和热可以生产低成本的高温电解氢(HTE)。这些电解系统利用核电站产生的热量和蒸汽，比传统电解需要的电力少得多。 美国能源部核氢计划 核制氢并不是最近才发展起来的。美国能源部(DOE)的核能办公室在2003年建立了核氢计划(NHI)，以建立一个创新的混合能源系统，以改进制氢技术。 核能办公室也在进行热化学水分解循环(TC)研究，通过长期技术生产氢。TC利用核能或太阳能的余热通过水分解生产氢，温室气体排放量低至零。 NHI的另一项举措是反应器/制氢过程接口，该接口指导爱达荷州国家实验室(INL)的高温生产工厂的开发。该项目于2004年开始实施，根据美国能源部的氢计划制定了界面进展，以观察大规模生产，并确定必须解决哪些技术障碍，以确保氢的大规模生产，同时运行成本低于HTE。到目前为止，已经取得的一些成果包括:识别出与1000°C以下的温度兼容的金属和合金;建立核制氢系统测试的就绪评估系统;以及对暴露在高温下的材料进行腐蚀测试，以确定其电阻。这些激动人心的发现为潜在的大规模氢生产带来了乐观的结果。 美国能源部先进反应堆开发项目 2019年9月，美国能源部拨款1520万美元，用于美国先进核技术项目，该项目隶属于核能先进反应堆开发项目办公室(Office of nuclear Energy advanced Reactor Development Project)。随着更廉价的天然气和可再生能源充斥电力市场，政府指定了三条途径为提高核电部门的长期竞争力提供资金。 其中一个途径涉及到FirstEnergy Solutions (FES)、Xcel Energy和Arizona Public Service (APS)三家核电站的制氢。通过能源部的资助，示威将在FES在俄亥俄州的Davis-Besse工厂、APS在亚利桑那州的Palo Verde工厂和明尼苏达州的Xcel核电站举行。这些项目旨在提高核能生产的氢气产量，生产供国内使用和出口到国际市场的“绿色”产品。 其中一个项目，LWR(轻水反应堆)集成能源系统接口技术开发和示范项目，将在俄亥俄州奥克港的戴维斯-贝斯核电站引入一个电解装置。 根据国会女议员Marcy Kaptur (OH-09),代表的地区和众议院拨款委员会主席能源和水资源开发、美国能源部资助将提供“…一个重要的角色在提高认定的生产能力可用能源的方式更经济的可持续发展,有更多的工业用途,并使认定经济长期竞争力。” 美国能源部H2@Scale项目 除了核能办公室，能源部的能源效率和可再生能源办公室(EERE)也在通过H2@Scale项目推进核能制氢。H2@Scale促进氢生产、运输、储存和利用的研究和开发项目，以增加能源部门的收入机会。该计划作为一个框架，通过政府共同资助的项目，加速可应用的氢技术的早期研究、开发和示范，使实验室和工业共同工作。 H2@Scale旗下的一个项目涉及FCHEA成员Nel Hydrogen U.S.及其与Exelon公用事业公司的合作。这一合作计划将展示一座核电站的制氢设施，以便在有组织的电力市场和内部氢供应中发挥积极作用。 核氢的国际发展 在美国之外，国际原子能机构(IAEA)开发了氢经济评估计划(HEEP)，作为氢生产的评估软件工具。该软件评估了四个最重要的制氢过程:高温和低温电解、包括S-I过程在内的热化学过程、常规电解和蒸汽重整，用于评估利用核能进行大规模制氢的经济性。 国际上对核能制氢的兴趣也在增长。法国电力公司(EDF)有意在英国利用核电站大规模生产氢气。这家法国公司正寻求利用核能发电为电解装置提供动力，以生产氢气，以满足日益增长的氢气需求。通过EDF-led制氢到Heysham (H2H)财团，EDF展示了在英国兰开夏郡核电站通过电解设备生产清洁氢的技术可行性。 对核制氢的研究加强了全世界建立清洁能源途径以生产既经济有效又环境安全的氢的努力。
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  • 《弗劳恩霍夫IGB利用工业废水生产绿色氢气》
    • 来源专题：能源情报网监测服务平台
    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2024-08-15
    • 弗劳恩霍夫(Fraunhofer)界面工程与生物技术研究所(IGB)在德国启动了一个示范生物精炼厂，在可持续能源生产方面取得了重大飞跃。该创新工厂位于巴登-符腾堡州莱茵费尔登的赢创工业基地，利用工业废水和残余材料生产绿色氢气和有机原料。该过程涉及两种相互关联的生物技术，标志着一种开创性方法。  8月3日，环境国务秘书安德烈·鲍曼博士在莱茵费尔登(巴登)开设了SmartBioH2-BW示范工厂。作为弗劳恩霍夫界面工程和生物技术研究所IGB协调项目的一部分，该生物精炼厂在赢创的工业基地建造。它利用冲洗水和生产过程中产生的残余物质，通过两个耦合的生物技术过程生产“绿色”氢气和有机原料。测试运行现已在实际条件下开始。   废物和废水是一种迄今为止在世界范围内很少得到利用的资源。巴登-符腾堡州希望通过资助项目“生物经济——从废物和废水中提取原料的生物精炼厂——Bio-Ab-Cycling”来改变这种状况。自2021年10月以来，巴登-符腾堡州环境、气候和能源部一直在利用国家资金和欧洲区域发展基金(ERDF)的资金支持模块化生物精炼厂的建设，以测试如何利用可持续生物经济从废物和废水中回收高质量的原材料。   该工厂已经在赢创位于莱茵费尔登的厂房内运行了几个星期。赢创工业股份有限公司(Evonik Industries AG)是全球最大的特种化学品制造商之一。赢创在巴登南部的工厂生产过氧化氢等产品，过氧化氢被用作消毒剂，例如酸奶杯。这和工厂的其他生产过程一样，都需要氢气，该公司几十年来一直在现场用天然气生产氢气。 生物精炼厂的智能耦合生物技术   该生物精炼厂由位于斯图加特的弗劳恩霍夫界面工程和生物技术研究所IGB设计、规划和建造。它由两个耦合的过程模块组成，通过生物技术生产氢，包括：紫色细菌的发酵暗光合作用和微藻的两阶段过程。   “通过智能地将这两个过程结合到一个联合生物炼制概念中，将有可能利用现场生产中产生的工业固体和液体废物流，这些废物以前必须进行昂贵的处理，并且没有作为原材料产出，以生产未来的能源氢和其他增值生物基产品，”弗劳恩霍夫IGB副主任兼该项目的协调员Schlie?mann说。   第一步是调查该地点废物流的确切组成，以及这些生物是否真的能处理它们。莱茵费尔登的液体废物流包括冲洗水，用于清洁生产设施。它们含有大量乙醇。“可以想象，漂洗水中含有对细菌和微藻具有毒性或抑制作用的其他物质，”Schlie?mann解释说。因此，首先在弗劳恩霍夫IGB的实验室条件下，用赢创的废物流分别测试了这些过程，然后扩大到更大的规模。   “我们的分析表明，冲洗水中不仅含有乙醇，还含有其他醇类和合成产物的残留物。然而，这些并不影响紫色细菌或微藻的生长，”Schlie?mann说。   2024年7月，两个生物工艺模块被运送到莱茵费尔登的工厂并投入运行。现在流程单元耦合在一起，可以在实际条件下开始演示操作。   在生物炼制的第一阶段，使用了紫色细菌红螺旋菌(Rhodospirillum rubrum)，它可以在没有光线的情况下，利用一种新的发酵方式——暗光合作用，从各种碳基质中生产氢气。在莱茵费尔登，紫色细菌利用冲洗水中的乙醇作为碳基质和能量来源。   为了确保足够的生长和氢的合成，必须调整发酵培养基的组成，正如斯图加特实验室已经证明的那样。然后，细菌不仅产生令人垂涎的氢，而且还产生其他可用的产品，例如类胡萝卜素，化妆品的脂溶性色素，或生物塑料聚羟基烷酸酯(PHA)，以及作为副产品的二氧化碳(CO2)。“由于紫色细菌的产氢酶对氧气非常敏感，在发酵过程中精确控制氧气含量是一项挑战，”Fraunhofer IGB生物工艺开发负责人Susanne Zibek补充道。   微藻结合副产物CO2   为了避免向大气中排放CO2，在进一步的步骤中，CO2被送入为此目的而连接的微藻工厂。这是因为光合作用生长的微藻需要二氧化碳来建立生物量或储存产品——就像绿色植物一样——而且只需要光和营养。   在SmartBioH2示范工厂中，名为小球藻(Chlorella sorokiniana)的微藻在LED照明的紧凑型光生物反应器中培养。该反应器的特点是自动化程度高，在小面积内提供大量的体积。该过程的操作方式是微藻从产生的二氧化碳中产生淀粉作为可用产品。所需的营养物质来自莱茵费尔登的第二种废物流，这次是以固体形式存在的：氯化铵。   微藻在一定条件下也能产生氢气。它们利用光能将水分解成氢和氧。IGB藻类生物技术负责人Ulrike Schmid-Staiger博士解释说：“为了从技术上使用这个过程，产生的氧气必须不断地从系统中去除，因为它抑制了藻类细胞的产氢效率。为此目的开发的一种全新的光生物反应器将在几周内集成到生物精炼厂中，以进一步提高生物氢的总体产量。”
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