《国内岩洞储氢技术致力于从“0”到“1”突破》

  • 来源专题:岩土力学与工程信息资源网
  • 编译者: 李娜娜
  • 发布时间:2024-10-09
  • 9月18日,中冶武勘在武汉召开湖北大冶深地岩洞储氢项目方案评审会。

    据悉,湖北大冶深地岩洞储氢项目由中冶武勘投资建设,中国科学院武汉岩土力学研究所和中冶武勘牵头研发,作为我国岩洞储氢技术的首例实践,致力于实现国内岩洞储氢技术从“0”到“1”的突破。项目具备“储存安全性好、储存压力高、储存规模大”的优势,可用于规模化储氢。依托于湖北大冶的国家绿色低碳氢能创新应用示范项目,将进一步打造一个氢能制、储、输、用全产业链的中试验证平台,为优化能源结构,带动上下游产业发展,清洁能源领域可持续发展注入强劲动力。

    评审会上,中冶武勘项目团队汇报了项目整体方案。与会专家围绕项目的设计科学性、技术先进性、施工可行性、监测体系完善性及储氢安全性方面,进行了详细评审和深入讨论。专家认为本项目高度契合国家能源结构转型的战略导向,技术路径明确、实施方案切实可行,具有极高的推广潜力和显著的示范效应。中冶武勘党委书记、董事长臧中海在会上表示,此次专家评审会议的成功召开,标志着湖北大冶深地岩洞储氢项目向前迈出了坚实的一步。中冶武勘将认真吸纳专家们的宝贵意见,深化项目研究,提升建造和运营水平,并继续发挥公司在研发和勘察、设计、施工等方面的优势,与各方共同努力,将项目打造成为我国氢能产业的标杆工程。

  • 原文来源:https://www.wsgri.com/qywh/gsdt/202409/t20240920_567926.html
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    • 如果以1998年神力科技的成立代表我国燃料电池商业化的探索开始,到2016年佛山首批23辆公交车运营为氢能与燃料电池商业化运营元年,至近年示范城市群的的设立,我国氢能与燃料电池技术有了强大的技术突破,燃电系统成本向着1000元/kW稳步前进。但是氢储运环节却发展缓慢,依然在技术、成本等方向受制约。作为一名在储氢系统领域深耕15年的行业老兵,我来与大家浅谈一下自己的几点思考。 从技术角度上看,现行的高压气态储氢技术在氢储运过程中仍是技术主流,基础成熟,配套厂家以及运营经验都可以从特种气体行业引用过来使用,故目前市场以高压气态氢作为主流技术。但是,高压气态氢因其密度极低、单位体积储能密度低等特点,效率低下,对于氢能行业大规模商业化应用已经出现明显的短板。 同时因国内特种设备行业对于安全的监管要求,所有不同规格型号的产品又需要分别做相应的强制法规认证,种种因素累加起来让高压气态储氢技术一直处于技术发展迭代缓慢状态。最主要的是,因为氢储运产品涉及联调安保环节,需要更多的使用业绩才能验证其安全性来支持产品推广,形成了一个近乎无解的死循环。 除高压气态氢技术外,液氢及固态储氢技术在今年有飞速的发展,从制造端到应用端,从市场端到资本端,无不预示新的技术路线在稳步发展。尤其是液氢技术,在从法规陆续突破的过程中,已经看到液氢技术路线在氢能大规模利用的前景与未来。 从成本角度来看,氢储运产品的价格下降缓慢,以储氢瓶为例,每个产品的开发费在300万元左右(III型),通过法规认证又需要将近10个月左右的时间,可每个规格的产品在应用上又无法满足更多的车型需求,致使无法分摊出更多的开发费。同时,作为氢瓶的主要原材料,碳纤维的价格走势也不明朗,虽说因为国内产量的提升,但是今年下半年却出现过反向涨价,车载储氢价格虽然无上涨,但是没有丝毫下降的趋势。除了应用端,绕不开的就是上游,最直观的反应就是加氢站的枪口价,如果按照加油站的商业逻辑来看,氢气的枪口价至少要50元/kg,才能保持盈利。这样车端和燃油车对比又没有任何可比性,只凭为环保双碳做贡献,恐怕无法支持行业的发展。 所以,多途径多技术路线来降低氢储运环节成本,促使行业在交通领域中能和传统车有相较可比对的使用成本与购置成本能够体现出优势。 综上,氢储运因为其技术发展、安全、成本因素等原因,导致整个行业的商业模式无法有效稳定的产生盈利,从而无法进一步推动产业链完善与向上发展。 未势能源在此背景下依然投入大量研发资金探索氢储运环节技术的突破,同时我们呼吁产业链上下游伙伴能够高效协同合作,共同致力于行业降本增效,推进国内氢储运技术快速发展,打破国外产品市场垄断局面。 作者简介 王东雨,未势能源科技有限公司技术中心氢能技术开发部总监。 王东雨,毕业于武汉科技大学,15年氢能行业从业经验。曾先后任职于北京航天动力研究所与上海舜华新能源系统有限公司,参与多项科技部及省级科研项目,主持上海市科技发展基金项目高压加氢机关键部件加氢枪及流量计的国产化研制,参与编制多项行业及国家标准。2019年加入未势,主责氢能技术开发部开发与管理工作,包括高压气态氢技术、液氢技术与氢安全技术。
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    • 发布时间:2023-04-23
    • 摘要:海水直接电解系统可就地将海洋可再生能源转化成氢气进行运输利用,或将成为一种能源高效储存和利用的新方式。近日,一个由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队开发了一种耐海水的双极膜电解槽,该设计被证明在不产生大量有害副产物的情况下成功地产生了氢气,有望推动海水直接电解制氢的新发展。 氢成为21世纪人类可持续发展最具潜力的二次清洁能源。 可再生能源耦合电解水制氢是一种可持续、无污染、高效的制氢方式。目前电解水制氢技术主要使用碱性电解系统和PEM(质子交换膜)电解系统,但是这两种技术路线都依赖高纯淡水作为水源。 据测算,电解水制氢每生产1公斤氢大约需要9升纯水,如果电解水制氢大规模推广,势必对人们赖以生存的淡水资源产生巨大的压力。 因此,人们把目光投向了储量占全球总水量96.5%的海水,电解海水制氢可以减少淡水资源的压力。随着海洋可再生能源发电技术(如海上风电、潮汐能等)的逐渐完善,海水直接电解系统可就地将海洋可再生能源转化成氢气进行运输利用,或将成为一种能源高效储存和利用的新方式。 与淡水不同,海水成分非常复杂,涉及的化学物质及元素有92种。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等杂质,会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。而氯离子氧化反应 (COR)会在电解槽阳极产生腐蚀性“游离氯”物质,并对海水电解槽的安全性、效率和耐久性带来重大挑战。此外,在制氢完成后是否会产生有危险性的高盐,并把高浓度的有毒氯气排回海洋环境。这些问题都有待解决,因此目前有许多科学家在致力于这方面的研究。 此前,媒体跟踪报道了海水制氢的技术突破。 近日,一个美国研究团队在海水直接电解制氢技术上又取得了新的突破。由美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员领导的团队,开发了一种耐海水的双极膜电解槽,该设计被证明在不产生大量有害副产物的情况下成功地产生了氢气。最新研究成果已于近期发表在了《焦耳》杂志上。 1 耐海水双极膜电解系统 SLAC和斯坦福大学的博士后研究员约瑟夫·佩里曼(Joseph Perryman)说:"海水中有许多活性物种可以干扰水电解制氢的反应,而使海水变咸的氯化钠是罪魁祸首之一。特别是,进入阳极并氧化的氯化物会缩短电解系统的使用寿命,并且由于包括分子氯和漂白剂在内的氧化产物的毒性,实际上电解系统可能变得不安全。" 图说:质子交换膜(PEM) 电解槽和双极膜(BPM)电解槽 因此,该团队通过控制对海水系统最有害的元素——氯化物来开始他们的设计。为了处理海水,该团队实施了双层膜系统,并使用电解对其进行了测试。实验中的双极膜可以获得制造氢气所需的条件,并同时减少氯化物进入反应中心。 图说:双极膜水电解槽(BPMWE)和质子交换膜水电解槽 ( PEMWE )设备原理图 理想的膜系统具有三个主要功能:从海水中分离氢气和氧气;有助于仅移动有用的氢离子和氢氧根离子,同时限制其他海水离子;并有助于防止不良反应。将所有这三种功能同时捕获是很困难的,该团队的研究旨在探索能够有效结合所有这三种需求的系统。 具体来看,双极膜 (BPM)由阳离子交换层(CEL) 和阴离子交换层(AEL) 组成,集成到双极膜水电解槽 (BPMWE) 装置中。在实验中,适当设计的 BPMWE与不对称的电解质进料相配合,其中海水只存在于阴极,相互兼顾了限制 Cl-交叉到阳极的CEL(由于阳离子传输的选择性)和提供局部碱性阳极pH值的AEL(其中OER催化剂具有高选择性并减轻COR)的优势,从而形成一个固有的离子耐受性的海水电解槽。 图说:耐海水双极膜电解系统 来源:SLAC 国家加速器实验室 在双极膜水电解槽系统中,质子(即正氢离子)穿过膜层之一到达可以收集它们的地方,并通过与阴极(带负电的电极)相互作用转化为氢气。而系统中的第二层膜仅允许负离子(例如氯离子)通过。在该团队的实验中,带负电的膜被证明能高效地阻挡几乎所有的氯离子,而且他们的系统在运行时不会产生漂白剂和氯气等有毒副产物。 2 更持久的海水直接电解能力 研究人员用盐水进料评估了BPMWEs的离子传输特性、性能、选择性和耐久性,并将其与单极质子交换膜水电解器(PEMWEs)进行了比较。实验展示了BPMWE装置可在持续电解过程中使用从太平洋(美国加州半月湾)收集的真实海水来产生H2和O2,电流密度为250 mA cm-2。 图说:实际海水电解过程中的设备稳定性比较:BPMWE(蓝色)和 PEMWE(灰色);(A) 海水作为阴极进料,去离子水作为阳极进料,以及 (B) 海水进料到两者阴极和阳极。 在 250 mA cm -2下连续 BPMWE 运行 >100 小时后,仅形成法拉第效率 (FE)为 0.005% 的游离氯,因此据信对观察到的电压衰减率没有显著影响。在相同的不对称海水条件下,PEMWE 在大约 50 小时后失效,并且在运行的前 24 小时内迅速产生比 BPMWE 在 >100 小时的运行过程中更多的游离氯 (~20 μM)。这种加速的 PEMWE 电压衰减显示了腐蚀性游离氯的形成会缩短设备寿命。 当海水被引入阴极进料和阳极进料时,相对于对称去离子水进料条件,BPMWE 的总电池电压增加了 0.90 V。PEMWE 在将真正的海水添加到其进料中后没有量化电压尖峰,因为电压迅速增加直到在运行 3 分钟内失效,这可能是由于在其酸性阳离子交换层(CEL)处产生腐蚀性游离氯物质环境。在将海水供给阳极和阴极进行 3 分钟的电解后,PEMWE 的 COR 法拉第效率 (FE)为 10%,而 BPMWE 在 7 小时的直接、未处理的海水电解中没有产生任何可检测的游离氯物质。 3 未来 研究人员表示,除了设计海水制氢膜系统外,该研究还让人们更好地了解海水离子如何穿过膜。这些知识也可以帮助科学家为其他应用设计更坚固的膜,例如生产氧气。 接下来,该团队计划通过使用更丰富且更容易开采的材料来构建电极和膜,从而改进它们。该团队表示,这种设计改进可以使电解系统更容易扩展到为能源密集型活动(如交通部门)生产氢气所需的规模。 研究人员还希望将他们的电解槽带到 SLAC 的斯坦福同步辐射光源 (SSRL),在那里他们可以使用该设施的强 X 射线研究催化剂和膜的原子结构。 “绿色氢技术的未来是光明的,”SLAC 和斯坦福大学教授兼 SUNCAT 主任 Thomas Jaramillo 说。“我们获得的基本见解是为未来创新提供信息以提高这项技术的性能、耐用性和可扩展性的关键。” 海洋是地球上最大的氢矿,向大海要水是未来氢能发展的重要方向。根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》, 2050年全球氢能源需求将增至目前的10倍,至2070年将达到5.2亿吨。在氢能需求侧庞大规模的拉动下,加之技术层面的不断突破,海水直接制氢路线工业化曙光已现,将为氢能万亿级市场的实现提供强大动力。