为什么未来20年内,碱性电解水装置仍是绿色能源转化氢能源的首选?

  • 时间:2023-08-30 02:39:58
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为什么未来20年内,碱性电解水装置仍是绿色能源转化氢能源的首选?

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氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,拥有极高的能源密度,燃烧性能良好,且燃烧过程不产生任何污染和碳排放,被誉为21世纪的“终极能源”,正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。在我国双碳战略的背景下,氢能无疑是未来国家能源体系的重要组成部分和未来能源产业的重点发展方向。
电解水制氢,尤其是利用可再生能源进行电解水制氢,是目前众多氢气来源中碳排放最低的工艺,也被称为“绿氢”。目前,电解水制氢主要采用四种技术:碱性水(AKL)电解技术、质子交换膜(PEM)电解技术、固体氧化物(SOEC)电解技术和碱性阴离子交换膜(AEM)电解技术。其中,SOEC技术和AEM技术目前仍在实验室阶段,市面上只有寥寥几个试点项目,不可否认的是,这两种技术各自具有相应的技术优势,但从实验室走向大规模生产应用仍有很长的一段路要走。
目前项目上真正大规模应用的电解槽是碱性电解槽和PEM电解槽,在国内,碱性电解槽占比超过九成,而在国外,PEM电解槽则是主流。事实上,比起碱性电解槽,PEM电解槽在技术上更加先进,那为什么我们仍然认为碱性电解水装置还将是未来二十年内的首选呢
为什么未来20年内,碱性电解水装置仍是绿色能源转化氢能源的首选?
首先,碱性电解槽的技术已经十分成熟,设备的生产能力囊括1-2000Nm³/h,生产难度低,使用便捷;而PEM电解槽技术更加先进,恰恰意味着PEM电解槽有着更大的设计、生产和使用难度,且最大的PEM电解槽的生产能力也不过200Nm³/h,在大型化问题得到解决前,难以满足未来日益扩大的绿氢需求量。
其次,从成本角度来看,PEM电解槽阴极需要用到贵金属铱,阳极需要贵金属铂。单说铱方面,按照目前2-5mg/cm2的阴极铱载量来计算,1吨铱金属仅能供给1GW的PEM电解槽装机量,而铱的年产量仅有5吨。换算到单台设备,一台200Nm³/h的PEM电解槽需要用铱1Kg,按照目前203美元/克的市场价格,光是铱金属的成本就有20万美元。而碱性电解槽的电极一般采用金属镍,成本很低,总体看来碱性电解槽的成本仅为PEM电解槽的四分之一。
从性能方面来讲,碱性电解槽和PEM电解槽在制氢电耗、系统能耗和效率上其实差别不大,而在电流密度和启动时间上有明显区别。传统碱性电解槽的电流密度一般仅有2000-3000A/m2,而PEM电解槽的电流密度一般在10000A/m2以上,更高的电流密度意味着相同制氢量情况下PEM电解槽的体积更小,占地更小,PEM电解槽的电流密度提高后电解槽产热更快,用更少的时间达到工作温度,冷启动时间更短。

不过随着技术的发展,碱性电解槽的电流密度和启动时间已经得到了进一步的改善,例如汉氢科技的无极框碱性电解槽,摒弃了传统的极框设计,设备整体重量更轻,实际占地面积更小;电极表面进行激光微纳米结构处理,峰值电流密度可达到8000A/m2,冷启动5分钟即升温到50℃,氢气产量接近额定产量的90%,15分钟即达到工作温度83℃,此时氢气出力达到额定产量的120%。从电流密度和冷启动时间来看,汉氢科技的无极框碱性电解槽已接近PEM电解槽,与行业普遍规格相比汉氢科技的电解槽可谓成绩优异,相信未来汉氢科技还会继续探索绿氢的奥秘,为国家绿氢事业添砖加瓦。

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