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中國(guó)沿海地區(qū)可依托風(fēng)能、核能、港口等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展具有沿海特色的氫源基地。在發(fā)展初期，利用化學(xué)副產(chǎn)品促進(jìn)制氫，推動(dòng)了氫工業(yè)的啟動(dòng)。中后期應(yīng)利用風(fēng)能、核能等清潔能源，實(shí)現(xiàn)零排放和綠色制氫。
未來(lái)大規(guī)模制氫的發(fā)展方向?qū)⑹抢蔑L(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源水電解制氫。此外，核能也有很好的發(fā)展前景。中國(guó)沿海地區(qū)依托海洋，具有與內(nèi)陸地區(qū)相比的海上風(fēng)電、核電優(yōu)勢(shì)，可以建設(shè)具有沿海特色的氫源基地。
沿海特色氫源基地思路簡(jiǎn)述
中國(guó)東南部海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源豐富，中國(guó)正在積極發(fā)展海上風(fēng)電。沿海地區(qū)可以利用港口優(yōu)勢(shì)形成能源輸送樞紐。沿海地區(qū)氫源基地具有兩大功能:一是新能源制氫基地;二是氫能配送中心。
沿海特色氫源基地架構(gòu)
沿海特色新能源制氫技術(shù)
風(fēng)電制氫
風(fēng)氫耦合發(fā)電的初衷是解決風(fēng)力發(fā)電作為一種儲(chǔ)能方式的間歇性問(wèn)題。風(fēng)氫耦合發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低。在目前的技術(shù)水平下，“風(fēng)電-氫電”的轉(zhuǎn)化效率不足40%，不適合大規(guī)模應(yīng)用。因此，未來(lái)的風(fēng)氫耦合應(yīng)側(cè)重于更有前景的“風(fēng)電-氫利用”模式。
風(fēng)電制氫的關(guān)鍵技術(shù)是水電解。目前主要有三種水解技術(shù):堿性水解、純水質(zhì)子交換膜(PEM)水解和固體氧化物電解槽(SOEC)水解制氫。堿性水電解制氫技術(shù)和PEM水電解制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。前者相對(duì)成熟，而后者由于成本高，處于早期的商業(yè)測(cè)試階段。SOEC雖然具有較高的效率，但仍處于研究和示范階段。
在副并網(wǎng)的風(fēng)氫耦合模式下，采用棄風(fēng)棄電制氫。由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)特性，要求水電電解裝置在電能不穩(wěn)定的情況下具有安全、可靠、高效的制氫能力。在目前的工藝水平下，堿解設(shè)備在功率波動(dòng)條件下的冷啟動(dòng)響應(yīng)和制氫質(zhì)量都不佳。PEM響應(yīng)速度快，能適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)，但投資成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。
綜上所述，在未來(lái)大規(guī)模風(fēng)電制氫中，如果采用純制氫的非并網(wǎng)方式，可以考慮堿性電解技術(shù)與PEM電解技術(shù)相結(jié)合。以基礎(chǔ)水電解設(shè)備為主，在大規(guī)模安裝中發(fā)揮其成本低的優(yōu)勢(shì)。PEM水電解設(shè)備以其快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，用于匹配風(fēng)電波動(dòng)。
核能制氫
利用核能，可以高效、大規(guī)模地生產(chǎn)氫，而且不會(huì)排放碳。核能制氫技術(shù)的研發(fā)為未來(lái)大規(guī)模供氫提供了有效的解決方案，可為高溫堆工藝的熱應(yīng)用開(kāi)辟新的用途，這對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來(lái)能源戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變具有重要意義。
未來(lái)在核能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，第四代核電系統(tǒng)的六堆(鈉冷快堆、風(fēng)冷快堆、鉛冷快堆及熔鹽堆、超臨界水堆、超/高溫氣冷堆)，具有本質(zhì)的安全性，超/高溫氣冷堆出口溫度高、功率大的特點(diǎn)，被認(rèn)為非常適合堆興制氫。
核能制氫技術(shù)路線
碘硫循環(huán)法被認(rèn)為是最有前途的核制氫技術(shù)。碘硫循環(huán)為三步反應(yīng)相耦合過(guò)程，反應(yīng)溫度為800 ~ 900℃。反應(yīng)的最終結(jié)果是水分解成氫和氧。反應(yīng)的第一步是20 ~ -120℃下的本生反應(yīng)。第二步是硫酸在830 ~ 900℃分解。第三步是氫氧酸在400 ~ 500℃分解反應(yīng)。碘硫循環(huán)制氫效率可達(dá)50%以上，且易于實(shí)現(xiàn)放大和連續(xù)運(yùn)行，適合大規(guī)模制氫場(chǎng)景。
混合硫循環(huán)反應(yīng)的最終結(jié)果也是水分解產(chǎn)生氫和氧?；旌狭蜓h(huán)分為兩步:第一步為30 ~ 120℃下的SO2去極化電解反應(yīng);第二步是硫酸在850℃分解?；旌狭蜓h(huán)的第一步是電解，所以這個(gè)過(guò)程需要使用高溫?zé)岷偷?，這比傳統(tǒng)的電解效率高得多。
高溫蒸汽電解采用固體氧化物燃料電解電池(SOEC)來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫水蒸氣電解。與傳統(tǒng)的電解技術(shù)相比，SOEC反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)行(一般在700℃以上)，利用核熱可以顯著提高制氫效率。
液氫港口與LNG接收站冷能回收
日本提出了通過(guò)海路進(jìn)口液態(tài)氫的方案，并積極進(jìn)行了研究。2017年，神戶大學(xué)與Iwatani Gas和日本材料科學(xué)研究所在大阪成功進(jìn)行了小型液態(tài)氫載體試驗(yàn)。日本計(jì)劃在2020年至2030年期間從澳大利亞商業(yè)進(jìn)口氫。根據(jù)該計(jì)劃，在澳大利亞作為閑置能源使用的褐煤將被氣化用于制氫(包括碳捕獲)和液化，日本無(wú)碳?xì)浠衔锕?yīng)鏈技術(shù)研究協(xié)會(huì)將在2020年前使用兩艘容量為1250立方米的液氫儲(chǔ)罐船在海上轉(zhuǎn)移液氫。
參照日本的思路，中國(guó)沿海地區(qū)有建設(shè)液化天然氣接收站的條件，可以考慮建設(shè)液氫港。在缺氫階段，可以模仿日本的進(jìn)口終端模式，從世界進(jìn)口相對(duì)便宜的液氫作為補(bǔ)充和儲(chǔ)備。在大規(guī)模生產(chǎn)氫氣后產(chǎn)能充足的階段，可以效仿澳大利亞的出口終端模式，通過(guò)向氫資源稀缺的鄰國(guó)出口液態(tài)氫來(lái)獲取利潤(rùn)。
根據(jù)沿海地區(qū)能源特點(diǎn)，由棄風(fēng)制氫的輔助并網(wǎng)方式向?qū)I(yè)化制氫的非并網(wǎng)方式轉(zhuǎn)變，可以提高風(fēng)力制氫的轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)性。non-grid-connected模式,考慮到成本和不同hydroelectrolysis設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn),該方案與堿性hydroelectrolysis設(shè)備為主要部分和PEM hydroelectrolysis設(shè)備為輔助可能有更好的應(yīng)用前景,可以進(jìn)一步研究和分析。利用第四代核能系統(tǒng)的高溫核熱，高溫?zé)峄瘜W(xué)循環(huán)分解水制氫和高溫蒸汽電解制氫，可實(shí)現(xiàn)核能向氫能的高效轉(zhuǎn)化，未來(lái)可用于大規(guī)模無(wú)碳制氫。
依托LNG接收站的經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)液氫港，成為國(guó)際液氫配送中心，有利于國(guó)際氫能貿(mào)易的發(fā)展。
結(jié)合風(fēng)電制氫、核能制氫、液氫港口，形成沿海特色氫源基地，發(fā)揮氫作為物理能源的優(yōu)勢(shì)，幫助氫取代石油，促進(jìn)向無(wú)碳社會(huì)過(guò)渡。
