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海水電解制氫

 更新時間:2022-09-06    點擊量:2756

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來源:該研究成果以 “Seawater Electrolysis for Hydrogen Production: A Solution Looking for a Problem?”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science 1EE00870F)

作者:MG Kibria,MA Khan,V Thangadurai,SR Larter,J Hu

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僅對文章內(nèi)容轉(zhuǎn)述供參考學習,不代表本人立場和意見!

一、直接電解海水

PEM水電解的要求之一是高純水

與PEM相比,堿性電解槽對水質(zhì)要求較低,但仍需要高純水才能實現(xiàn)長期穩(wěn)定。通過反滲透 (RO)、多級閃蒸(MSF)、電滲析、多效蒸餾(MED)來淡化海水,通常還需要額外的技術,如離子交換或電去離子化(EDI),來生產(chǎn)電解水系統(tǒng)所需的高純水。一種直接分解海水的技術有可能會被用于沿海干旱地區(qū),因為這些地區(qū)的淡水資源有限,但卻有大量的海水和太陽能、風能和地熱的可再生電力。過去的幾十年里,直接海水電解的研究取得了顯著的進展(圖1),發(fā)表了700多篇論文,340多項技術,得到數(shù)百萬美元的研究資金。

 

 

圖片圖表說明:(a) 每年檢索“海水分解”題目時,摘錄的出版物數(shù)目;(b)在Patsnap數(shù)據(jù)庫中搜索標題、摘要或權利要求中“海水”和“電解”等主題時,每年在Patsnap數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的技術申請數(shù)量
海水電解既可以通過氯氧化法生產(chǎn)氯,也可以通過水氧化產(chǎn)生氧。盡管氯是一種有價值的化學品,但不斷增長的氫市場生產(chǎn)的數(shù)量將遠遠超過全球?qū)β葰獾男枨蟆R虼?,研究選擇性析氧的陽極催化劑是目前的主要挑戰(zhàn)。此外,即使海水中存在碳酸鹽和硼酸鹽離子,但它們的平均濃度太低,無法維持高電流密度。再者,由于海水本質(zhì)上是一種非緩沖電解質(zhì),在電解過程中會導致電極表面附近的pH值發(fā)生變化(高達5-9個pH單位),導致鹽沉淀、催化劑和電極降解其他離子、細菌、微生物和小顆粒的可能性,這些限制了催化劑和膜的長期穩(wěn)定性。因此,在達到工業(yè)級的電流密度的前提下,大多數(shù)報告使用了海水與硼酸鹽緩沖液或KOH等添加劑。盡管在直接電解海水這項技術上投入了大量資源和努力,但直接海水分離技術仍處于起步階段,距離商業(yè)化還很遙遠。

 

 

二、海水淡化技術

1.海水淡化-特別是通過海水反滲透(SWRO)已經(jīng)看到了巨大的技術進步。

隨著膜技術的改進、更高效的能量回收裝置和反滲透(RO)系統(tǒng)的工藝優(yōu)化,與該技術相關的能源需求、資本和運營成本得到降低。在過去的幾十年里,SWRO海水淡化廠的能源需求從9~10 kWh/立方下降到目前<3 kWh/立方。SWRO脫鹽水的均一化成本從2.2 美元/立方降低至<0.6美元/立方,全球海水淡化能力增長了6.5倍(見下圖)。截至2020年,總生產(chǎn)能力達到> 100 million 立方/天,約70%為RO,并且未來幾十年的產(chǎn)能增長預計將遵循同樣的趨勢。這就引出了一個問題: 與SWRO和商業(yè)電解水相結合的廣泛實施相比,直接海水分離的未來前景如何? 是否應該考慮重新調(diào)整研究重點?

 

 

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圖表說明:(a) SWRO淡化水價的下降趨勢和;(b)反滲透(RO)和淡化工藝的年裝機容量


2.海水反滲透與電解水,通過一個PEM案例研究來研究SWRO-PEM耦合技術

水電解系統(tǒng)(50噸/天的氫氣生產(chǎn)能力)耦合SWRO工廠的供水(圖3)。該過程由電網(wǎng)供電,電力來自化石能源和可再生能源。如下圖所示,PEM電解裝置由電解槽堆和裝置的BOP 部件組成。電氣BOP由交流到直流整流器組成,用于轉(zhuǎn)換電網(wǎng)電力,而機械BOP由其他輔助部件組成,如泵、熱交換器、溫度變化吸附(TSA)子系統(tǒng)和最重要的去離子器(DI)系統(tǒng)。

 

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圖表說明:50噸/天制氫的電網(wǎng)供電SWRO-PEM系統(tǒng)原理圖。

SWRO裝置包含反滲透裝置,它使用膜屏障和泵來輸送能量,把鹽從鹽水中分離出來。使用高壓泵,水被迫通過具有致密分離層(薄膜復合膜)的半透膜,允許純水分子通過,同時排斥溶解的鹽和其他雜質(zhì)此外。為了控制反滲透膜(生物)的污染和結垢,SWRO系統(tǒng)需要物理 (如雙介質(zhì)、沉積物和碳過濾器或低壓膜) 和化學 (如混凝聚合物、防垢劑、酸、氯化/脫氯) 預處理。SWRO-PEM耦合系統(tǒng)可以位于沿海地區(qū),例如有強烈的太陽照射或者風能的地區(qū),使用光伏或風力渦輪機產(chǎn)生可再生電力,也可以在海上架構。

 

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圖表說明:按容量、給水類型和海水淡化技術分布全球的大型海水淡化廠

凈化和電解電能成本:PEM電解裝置通常需要10千克水來生產(chǎn)1千克氫氣,即總水50噸/天H2 PEM電廠SWRO水需求為500 立方/天。SWRO-PEM耦合過程每日所需能量的分解如下圖(a)所示,突出顯示了SWRO所需的低能量(占總能量的0.1%)。電解10kg水需要~55.44千瓦時的能量(包括BOP),而淡化等量水只需要0.03千瓦時。

建造成本:與建造SWRO-PEM電廠相關的資本支出細項如下圖(b)所示。對于一個50噸/天的制氫工廠,總安裝的資本成本約為460美元/千瓦,其中26%為與BOP相關的成本。與此同時,SWRO工廠的資本成本取決于技術、地點、環(huán)境法規(guī),最重要的是工廠的規(guī)模。該分析顯示,SWRO工廠的資本支出只占耦合過程所需的總直接資本支出的3%(下圖(b))。

運營成本:SWRO-PEM耦合過程的運營成本分解如下圖(c)所示。PEM系統(tǒng)的運營成本主要是電力成本。另一方面,SWRO工廠的典型運營成本包括電力消耗、膜更換、廢水處理、化學品、人工和運維成本。假設電力成本為0.05 美元/kWh, SWRO電廠的運營成本只占耦合過程總運營成本的一小部分(約0.2%),其余主要占比是PEM電解槽運行的電力成本(約95%)。

氫氣平準化成本:在不考慮SWRO的情況下,氫氣的平均成本約為3.81美元/kg,考慮SWRO水的成本后,平均成本略增加到3.83美元/kg (下圖(d))。分析表明,與PEM電解相比,SWRO電解的能源、資本支出和運營成本較低,因此使用SWRO水不會顯著增加氫氣生產(chǎn)成本。

 

 

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圖表說明:(a)每日能源需求;(b)總資本支出;(c)運營成本;(d)以50噸H2/天的產(chǎn)能運行的SWRO-PEM電解裝置的氫氣平準化成本

3.SWRO- PEM耦合技術的碳排放

利用不同能源的平均排放強度計算了SWRO-PEM電解過程中產(chǎn)生一千克H2的CO2排放量,如圖6(a)所示。如果用純化石燃料(煤、石油、天然氣) 電力電解水產(chǎn)氫,最終產(chǎn)生的二氧化碳比現(xiàn)在的SMR過程 (8-12千克CO2/千克H2) 更多。但是,與PEM水電解相比,無論電力來源如何,SWRO對CO2排放的貢獻是微不足道的(見下圖6(a))。

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圖表說明:(a) SWRO-PEM電解過程的CO2排放量(kg CO2e/kg H2)匯總,具體取決于電力來源,顯示了SWRO-PEM電廠使用天然氣電廠的電力產(chǎn)生的二氧化碳排放的放大圖。典型的SMR過程碳釋放顯示為陰影紅色區(qū)域

4.SWRO-PEM在實際的情況下的二氧化碳排放量

 

下圖 (b)顯示了基于不同轄區(qū)發(fā)電的SWRO-PEM耦合過程的二氧化碳排放。SWRO-PEM工藝只有在二氧化碳排放量較高的國家才具有環(huán)境局限性; 直到今天,只有在加拿大、瑞典和冰島等大部分電能來自可再生能源的國家,才能實現(xiàn)這樣的低碳排放。中國和美國等國家目前是世界上大的二氧化碳排放國,除非能源政策和生產(chǎn)方法發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,否則這種低碳排放將一直是未來幾十年要實現(xiàn)的一個最重要目標。對于真正綠色的氫氣生產(chǎn),可以參考冰島,*的可再生電力在電網(wǎng)中只排放~0.48 kg- CO2e /kg H2。

 

 

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圖表說明:(b)基于不同發(fā)電轄區(qū)碳釋放強度。典型的SMR過程碳釋放顯示為陰影紅色區(qū)域

 

【結論】

研發(fā)投資優(yōu)先放在在不久的將來有可能被廣泛應用的技術上,包括SWRO和PEM系統(tǒng),比大規(guī)模投資開發(fā)催化劑和系統(tǒng)用于直接電解海水及其伴隨的不確定性,是一條更實際、更容易部署的路線。同時,全球有12億人生活在水資源匱乏的地區(qū),因此有機會通過進一步開發(fā)高效節(jié)能、經(jīng)濟實惠的海水淡化技術來解決水資源短缺和水質(zhì)惡化問題。此外,海水淡化技術可以衍生出來的一個額外的優(yōu)點,即能夠處理來自各種各樣來源的水,如咸水地下水、地表水、海水以及生活和工業(yè)廢水。為了使海水淡化耦合PEM更容易推廣和實用,研究工作應致力于改進海水淡化過程,設計更有效和耐用的膜。

 

編者題外話:
1、對于海水制氫簡單來說一是直接海水制氫,是一個類似氯堿電解的環(huán)境;另外就是海水純化后電解制氫,那對于電解環(huán)節(jié)和現(xiàn)狀電解水制氫并無差異。
2、實際上對于電解海水制氫更多的是要考慮環(huán)境以及工藝問題,比如離岸制氫海上相對苛刻的工作環(huán)境、風電的波動性、各設備安置的空間有限等等。
3.海水制氫的更大意義在于在和海上風電的耦合。
4.針對波動性間歇性的電源以及有限空間對電解槽的功率密度(電流密度)以及能否實現(xiàn)大標方撬裝等提出了更高的要求。無論堿性、PEM、AEM等都是一種技術路線,最終選擇依據(jù)一定是性價比,所謂性就是特定工況下要求的性能;性價比就是能滿足使用場景和工況要求的能被商業(yè)模式接受的價格。

 

文章來源:氫眼所見  作者:馬震

注:本文已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)載權,未經(jīng)原作者允許

 

 

 

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