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绿碳神州云丨嘉庚创新实验室:探路绿氢产业化

作者:威士丹利发布日期:2024-05-1474 人已读

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一个巨大的集装箱内,整齐码放的金属罐体与管道相连,罐体周围分布着电解槽和大型纯水储存罐,宛如一个小型化工厂。这是入选国家能源局能源领域首台(套)重大技术装备、嘉庚创新实验室研制的高性能兆瓦级质子交换膜(PEM)电解水制氢装备。

PEM电解水制氢,是目前生产氢气最环保的技术路线之一,也是唯一能满足欧盟技术指标的可再生能源电解水制氢方式。但国产PEM电解槽性能普遍较低,成本居高不下,限制了该技术的规模化应用。

不仅是较前沿的PEM制氢技术,当前较为成熟且居于主导地位的碱性电解水制氢技术,同样存在能耗较高、电解效率偏低等问题。

难题,在嘉庚创新实验室被攻克。

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想方设法把绿氢成本降下来

氢能,被誉为“21世纪终极能源”,是纯正的绿色新能源,也是未来国家能源体系的重要组成部分。

今年政府工作报告提出,加快前沿新兴氢能、新材料、创新药等产业发展。这是氢能产业首次被写进政府工作报告。

然而,目前我国氢气生产主要依赖煤、天然气、石油等化石燃料,占比将近70%,工业副产氢约占30%,电解水制氢占不到1%。后者,才是真正在制备环节就能实现零碳排放的绿氢。

业内人士认为,中国现在不是氢够不够用的问题,而是我们能不能低成本制绿氢,从而为氢能的发展提供一个具备比较优势的产业基础。

低成本制绿氢,不仅需要使用低成本的光伏和风电等可再生能源,而且依赖电解水制氢装备对成本进行控制。

“制氢成本降不下来,氢能很难实现大规模产业化。”嘉庚创新实验室郭奇勋介绍,“电解水制氢有多条技术路线,我们都在关键技术上实现了突破。碱性电解水制氢项目电堆数据提前达到欧美发达国家公布的2026年行业技术目标;质子交换膜(PEM)电解水制氢项目实现关键材料自给自足,性能指标具备国际竞争力;阴离子交换膜(AEM)电解水制氢项目掌握了材料到系统的全产业链技术。在前两个领域,我们都研制出兆瓦级高性能工业制氢装备,达到国际先进水平。”

以高效碱性电解水制氢装备为例,嘉庚创新实验室通过对装备关键材料、核心结构进行开发和工艺改进,开发出低能耗、低成本、可适应光伏/风电等不稳定电源的1000标方碱性电解水制氢装备。

郭奇勋介绍,经检测认证,嘉庚创新实验室碱性电解水制氢项目产出1标方的氢气只需3.7千瓦时电,较业内平均能耗降低15%~20%。目前已建成年产能40套1000标方碱性电解水制氢装备生产线,包括高效电极生产车间及电解槽总装车间。

致力于创造国际一流氢能装备品牌,当前,嘉庚创新实验室建立了国际先进的氢能工况测试和技术示范平台,孵化出华商厦庚、鹭岛氢能、嘉膜科技、嘉氢科技等高科技公司,获外部投资超亿元。


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抓住福建绿氢产业发展优势

福建省是如何规划绿氢产业的?记者了解到,《福建省氢能产业发展行动计划(2022—2025年)》明确了福建在氢气制备领域的发展路线,即初期以工业副产氢供应为主,以可再生能源电解水制氢和核电“谷电”制氢为辅。

中国科学院院士、嘉庚创新实验室主任郑南峰认为,福建海上风电资源尤为丰富,富余核电制氢潜力较大。福建应充分发挥可再生能源优势,借鉴欧洲国家已积累的经验,开展规模化制氢,促进氢能发展的同时解决电力消纳。

2018年,福建启动省创新实验室布局,决定依托厦门大学建设“福建能源材料科学与技术创新实验室”,即嘉庚创新实验室,以新型体制机制打造国家级战略科技创新平台。

布局氢能产业,成为嘉庚创新实验室的主攻方向之一。面向我国能源安全和“双碳”目标,依托厦门大学化学等优势学科和重大平台,嘉庚创新实验室在制氢技术与装备方面取得了显著阶段性成果。

这吸引了投资方的注意。招商局集团外部董事吴献东、副总经理邓仁杰表示,嘉庚创新实验室在电解水制氢技术领域具有强大的基础研究能力和丰硕的研究成果,招商局集团正与其积极合作攻关,共同推动电解水制氢技术领域技术创新和科技成果转化。

华商厦庚氢能技术(厦门)有限公司,就是双方孵化的具有自主核心技术的氢能公司。其由嘉庚创新实验室与招商局集团旗下港股上市公司华商能源科技股份有限公司合资成立。已实现成果转化的碱性电解水制氢项目,就获华商能源增资,近日还获第三届TERA-Award智慧能源创新大赛百万美元金奖。

今年3月,双方共建的目前国内功率最大的电解水制氢测试基地之一——多功能电解水制氢装备漳州测试基地(12MW)落成。有了这个测试基地,电解水制氢装备的大规模验证成为可能。

“碱性和PEM电解水制氢装备,在大规模应用前需要进行长周期和深入的工况测试验证。”郭奇勋告诉记者,原先受电力和安全条件限制,嘉庚创新实验室只能在自有的研发基地建设小型测试场地,验证效果不佳。测试基地的落成,将完善制氢行业标准及产品验证机制,满足行业所需。

紧抓氢能发展风口,嘉庚创新实验室已攻克电解水制氢关键核心技术,形成了覆盖电极、隔膜、制氢器件、制氢装备与催化剂、膜电极、电解槽、检测仪器及方法等高价值专利群。联合知名校企,嘉庚创新实验室还成功申请到科技部2023年国家重点研发计划“氢能技术重点专项”制氢领域全部3项新项目中的2项,配套经费超2亿元。

 

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探索氢气多领域应用场景

完成了生产端的技术创新与突破,生产出来的氢该如何使用?

以福州、厦门国家燃料电池汽车示范应用城市群等为核心,福建省正重点开展氢能在道路交通领域示范应用。到2025年,福建燃料电池汽车应用规模计划达到4000辆。

实际上,对照我国纯电动汽车从孕育到高质量发展的历程,我国燃料电池汽车产业比纯电动汽车产业发展滞后约10年,目前仍处于产品导入期,正进入应用成本快速下降的成长期。这意味着短期内,氢气的使用量不会大规模上涨。

如果海量的绿氢被制造出来,如何消纳?《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》明确,加快氢能技术研发和示范应用,探索在工业、交通运输、建筑等领域规模化应用。

嘉庚创新实验室刘圣杰认为,除了上述领域,氢气最广泛的应用是化工行业。瞄准这一领域,郑南峰团队研究出的连续化加氢催化工艺,可以采用高选择性催化剂将氢转化为高价值化学品。

“催化剂被誉为化工‘芯片’,如何获得好的催化剂,在推动化学工业进步中非常重要。”刘圣杰介绍,连续化加氢催化技术是生产效率高、产品质量稳定、反应条件恒定易控的一种工艺,具有环保、节能、自控的优点。目前,实验室研发的连续化加氢催化工艺已达到国内领先水平。

提高催化反应的选择性和连续性,是精细化工行业从源头上实现零排放的一大策略,也是提高产品竞争力,促进精细化工产业升级的重要推动力。而连续化加氢催化技术正是该领域最关键的议题之一,也是氢能产业链下游重要的应用出口。

“以清洁加氢催化工艺代替高污染高能耗传统工艺,能使工业三废减排95%,实现应用产业的高端智能化发展。通过原创加氢催化技术,也能大幅提高各类卡脖子新材料单体纯度,并降低其生产成本。”刘圣杰说,如今该技术已经成功应用于世界三大高性能纤维之一的芳纶纤维和聚酰亚胺等新材料超高纯单体的生产,有望广泛应用在航空航天等领域。

目前,郑南峰团队的连续化加氢催化技术入选工信部首批石化化工行业鼓励推广应用的技术产品目录,并已开始实现万吨级的工业生产,为企业带来新增产值超10亿元。

科技成果转化是连接创新和产业的重要桥梁,也是培育发展新质生产力的重要环节。以氢能为代表的绿色低碳技术落地转化是一项系统性工程。眼下,在储能、氢能和硅能等重点项目领域,嘉庚创新实验室正开展全链条核心技术攻关,多路线推进技术研究与产业化工作。

“福建作为东部沿海大省,亟须加强氢能技术创新、应用研究,完善产业布局,构建产业生态,通过示范项目促进技术的成熟和降低成本,打造有福建特色的氢能强省。”郑南峰表示,要强化嘉庚创新实验室、福州大学等优势科研院所的氢能创新动力,推动资源整合、技术迭代、应用示范,助推氢能在新领域、新场景的应用推广,健全氢能全产业链,构建特色产业集群。

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