炙手可熱，各方紛紛布局入場
公開統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前已有20多個省份出臺氫能和氫燃料汽車的發(fā)展規(guī)劃。
今年全國兩會“推動加氫站建設(shè)”首次寫入《政府工作報告》，3月28日，李克強(qiáng)總理在博鰲亞洲論壇中指出“加快發(fā)展人工智能、自動駕駛、氫能源等新興產(chǎn)業(yè)”，氫能源產(chǎn)業(yè)站上了風(fēng)口。
一系列導(dǎo)向政策的發(fā)布也徹底點(diǎn)燃了各方熱情，各路玩家紛紛布局入場，上市公司表現(xiàn)尤為積極。僅5月份至今，已經(jīng)有10余家上市公司披露了涉足或者加大氫能產(chǎn)業(yè)投入的公告，其中包括與大同市人民政府簽署氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目框架合作協(xié)議的光熱發(fā)電龍頭企業(yè)——北京首航艾啟威節(jié)能技術(shù)股份有限公司(簡稱首航節(jié)能)。
太陽能制氫已發(fā)展40余年
氫經(jīng)濟(jì)概念早在20世紀(jì)70年代就被提出，近年來隨著氫能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應(yīng)對氣候變化壓力的持續(xù)增大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關(guān)注，氫能及燃料電池技術(shù)作為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保發(fā)展的重要創(chuàng)新技術(shù)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)達(dá)成了共識。
目前多國政府都已出臺氫能及燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家更是將氫能規(guī)劃上升到國家能源戰(zhàn)略高度，而在近兩年新能源各行業(yè)補(bǔ)貼普遍退坡、但氫能補(bǔ)貼力度始終持續(xù)不變的中國，氫能產(chǎn)業(yè)如上文所述已經(jīng)迎來了爆發(fā)之年。
氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也在帶動制氫技術(shù)不斷發(fā)展。目前工業(yè)上制備氫氣的方法可分為：煤氣轉(zhuǎn)化;熱化學(xué)法;生物制氫;電解水制氫;生物質(zhì)熱解技術(shù)等。其中，使用化石燃料作為主原料的煤氣轉(zhuǎn)化法，占世界氫氣制備總量的96%左右。而太陽能制氫雖然所占比例甚微，但也有40余年的發(fā)展歷史，并被看作是最具前景的制氫方法之一。
到目前為止，對太陽能制氫的研究主要集中在：熱化學(xué)法制氫、光電化學(xué)分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫等，其中的熱化學(xué)法制氫便與光熱發(fā)電技術(shù)息息相關(guān)。
聚光技術(shù)發(fā)展為熱化學(xué)制氫帶來曙光
據(jù)公開資料，熱化學(xué)制氫即太陽能直接熱分解水制氫其實(shí)是最簡單的制氫方法，就是利用太陽能聚光器收集太陽能直接加熱水，使其達(dá)到2500K(3000K以上)以上的溫度從而分解為氫氣和氧氣的過程。
這種方法的主要問題是：①高溫下氫氣和氧氣的分離;②高溫太陽能反應(yīng)器的材料問題。溫度越高，水的分解效率越高，到大約4700K時，水分解反應(yīng)的吉布斯函數(shù)變接近與零。但是，與此同時上述的兩個問題也越難于解決。正是由于這個原因，使得這種方法在1971年Ford和Kane提出來以后發(fā)展比較緩慢。
隨著聚光技術(shù)和膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種方法又重新激起了科學(xué)家的研究熱情。
來自以色列魏茨曼研究所(WIS,Weizmann Institute of Science)的Abraham Kogan教授從理論和試驗(yàn)上對太陽能直接熱分解水制氫技術(shù)可行性進(jìn)行了論證，并對如何提高高溫反應(yīng)器的制氫效率和開發(fā)更為穩(wěn)定的多孔陶瓷膜反應(yīng)器進(jìn)行了研究。如果在水中加入催化劑，使水的分解過程按多步進(jìn)行，就可以大大降低加熱的溫度。由于催化劑可以反復(fù)使用，因此這種制氫方法又叫熱化學(xué)循環(huán)法。
目前，科學(xué)家們已研究出100多種利用熱化學(xué)循環(huán)制氫的方法，所采用的催化劑為鹵族元素、某些金屬及其化合物、碳和一氧化碳等。熱化學(xué)循環(huán)法可在低于1000K的溫度下制氫，制氫效率可達(dá)50%左右，所需熱量主要來自核能和太陽能，為了適應(yīng)未來大規(guī)模工業(yè)制氫的需要，科學(xué)家們正在研究催化劑對環(huán)境的影響、新的耐腐蝕材料、以及氧和重水等副產(chǎn)品的綜合利用等課題。
光熱高效制氫裝置有望10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用
多年來，很多國家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)一直在致力于熱化學(xué)制氫相關(guān)的研究并已取得一定進(jìn)展。
2013年8月，美國科羅拉多大學(xué)波德分校化學(xué)和生物工程學(xué)院的教授阿蘭?維摩與其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種塔式太陽能熱利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用太陽光有效地將水分解成氫氣和氧氣，而且成本很低。
該系統(tǒng)工作原理是：將聚光系統(tǒng)收集的熱量輸入到含有金屬氧化物的反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)金屬氧化物被加熱時，會釋放出氧原子，留下的新化合物會四處搜尋新的氧原子。隨后，他們再將蒸汽流(由聚集到塔上的太陽光束加熱反應(yīng)器中的水形成)引入該系統(tǒng)中，水分子中的氧氣會依附到金屬氧化物(由鐵、鈷、鋁和氧組成)的表面，釋放出的氫分子聚合在一起就形成了氫氣。
2016年，歐盟2020地平線(H2020)計(jì)劃提供資金支持的歐洲HYDROSOL-PlANT研發(fā)團(tuán)隊(duì)【由歐盟4個成員國希臘(總協(xié)調(diào))、德國、西班牙和荷蘭，跨行業(yè)跨學(xué)科科技人員組成】也傳來好消息。
該團(tuán)隊(duì)從2014年1月開始研究太陽能制氫HYDROSOL技術(shù)，在西班牙建設(shè)了一座750KW額定功率的太陽能熱反應(yīng)堆中試示范項(xiàng)目，經(jīng)過反復(fù)檢測驗(yàn)證的指標(biāo)參數(shù)，顯示出強(qiáng)勁的競爭力。同時，該太陽能制氫熱反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)了真正意義上清潔能源生產(chǎn)的溫室氣體零排放，更適合建立在“太陽高照”廣袤的荒漠戈壁區(qū)域。
2017年底，德國宇航中心及其國際項(xiàng)目合作伙伴聯(lián)合展示了這個規(guī)模最大的可用于制氫的太陽能化學(xué)裝置。DLR太陽能研究所項(xiàng)目經(jīng)理MartinRoeb表示：“通過HYDROSOL_Plant項(xiàng)目，我們首次設(shè)計(jì)出了一個可實(shí)現(xiàn)從發(fā)電→高純氫提取→氫存儲等完整過程的太陽能制氫裝置。雖然我們的工作目前尚處于研究階段，但我們現(xiàn)在每周已經(jīng)可以生產(chǎn)一公斤的氫氣，這是一個相當(dāng)大的數(shù)字。一輛高效的燃料電池汽車可以在一公斤氫氣驅(qū)動下行駛100多公里。”
同樣在2017年底，德國宇航中心(DLR)還成功研發(fā)出一種名為Synlight的光熱發(fā)電模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬上千面定日鏡聚集太陽能的效果，通過太陽能反應(yīng)堆生產(chǎn)太陽能燃料。研究人員預(yù)測，未來10年內(nèi)，即可在光照充足的沙漠地區(qū)利用集中太陽能進(jìn)行氫的裂解生產(chǎn)。
圖：德國宇航局研究人員操作該模擬系統(tǒng)
中國在熱化學(xué)制氫領(lǐng)域的探索和布局
在中國，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、首航節(jié)能等也在開展相關(guān)研究。
2019年2月份，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心王曉東研究員團(tuán)隊(duì)在兩步法太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)儲能研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以全文的形式發(fā)表于《能源和環(huán)境科學(xué)》(Energy Environ.Sci.)上。
據(jù)悉，兩步法太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)儲能是利用聚焦太陽能，高溫?zé)崃呀舛趸己退倪^程。該方法可將間歇性、能量密度低、分布不均勻的太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、能量密度高、易于儲存運(yùn)輸?shù)奶柲苋剂?合成氣或氫氣)，實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的直接轉(zhuǎn)化。
在前期水裂解研究工作中(AIChEJ)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種CeO2-SnO2復(fù)合氧化物相變材料，可有效降低第一步熱還原溫度，提高氫氣的產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種CeO2-TiO2復(fù)合氧化物負(fù)載的鎳基催化劑，并在第一步熱還原過程中引入還原劑——甲烷，可以大幅提高太陽能燃料的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量。
首航節(jié)能方面則在今年4月份回答投資者提問時表示，塔式點(diǎn)聚光技術(shù)在聚光點(diǎn)會產(chǎn)生高能量密度，利用這種高能量密度產(chǎn)生極高的反應(yīng)溫度，從而熱化學(xué)氧化還原反應(yīng)制氫。首航節(jié)能經(jīng)過多年的積累掌握了光熱塔式點(diǎn)聚光技術(shù)，而熱化學(xué)制氫反應(yīng)器正在研發(fā)推進(jìn)之中。
圖：運(yùn)行中的敦煌100兆瓦塔式光熱電站
今年6月17日，由首航節(jié)能自主設(shè)計(jì)、投資建設(shè)的敦煌首航節(jié)能100兆瓦國家光熱示范電站順利滿負(fù)荷發(fā)電，同時夏季工況下晝夜連續(xù)發(fā)電突破180萬度，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值，這意味著該公司光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化推進(jìn)再獲重大突破。
同時，首航節(jié)能在氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域動作頻頻。在4月18日發(fā)布公告中，首航節(jié)能稱擬以估值不高于3.98億元對新研氫能源科技有限公司進(jìn)行增資;5月14日，首航節(jié)能公告稱與大同市人民政府簽署氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目框架合作協(xié)議;5月22日，首航節(jié)能公告稱擬以1億元設(shè)立氫能公司。
未來如熱化學(xué)制氫技術(shù)獲得突破，首航節(jié)能在光熱發(fā)電領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)和氫能產(chǎn)業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢將可能實(shí)現(xiàn)有效整合。而快速發(fā)展的氫能產(chǎn)業(yè)或可為目前處于商業(yè)化示范階段、相對發(fā)展速度較慢的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)提提速，有望側(cè)面助攻光熱技術(shù)進(jìn)步和成本下降。
