计及沼气重整制氢和燃气掺氢的综合能源系统优化调度

为推动氢能多元生产和利用,提出一种计及沼气重整制氢和燃气掺氢的综合能源系统优化调度模型.首先,构建沼气重整制氢模型,满足天然气负荷的同时,实现生物天然气制氢.其次,将电解水和沼气重整产生的氢气联合,探究沼气重整制氢对系统经济性、低碳性的影响.然后,生成的氢气供给氢燃料电池、掺氢燃气轮机,并引入阶梯碳交易机制,限制系统碳排放.最后,以日运行总成本最低为目标函数,设置4种不同场景进行仿真分析.仿真结果表明:所提模型总成本降低5.33%,碳排放量降低5.17%;合适的秸秆价格有利于消纳风光和利用生物质能;燃气轮机适度掺氢燃烧可以进一步降低总成本和碳排放量.

电解水制氢技术:进展、挑战与未来展望

实现全球碳中和是各国在2050年制定的重要目标之一,旨在减缓气候变化的不良影响.氢能作为一种极具潜力的清洁能源,凭借其高能量密度、零碳排放、可再生性强等特性,被视为实现能源转型与应对气候变化的重要载体.为了实现这些目标,利用电解水制取氢气已经成为解决全球碳中和问题的重要关键方案之一.本文综述了碱性电解水、质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水和固体氧化物电解水制氢技术的最新进展,并对这四种电解水技术的工作原理、结构特点以及优缺点进行了详尽比较.此外,总结了电解水制氢催化剂材料的研究进展,尤其是新型材料的开发与结构优化,旨在提升材料的催化活性与稳定性.讨论了海水电解制氢和耦合制氢等新兴技术,强调通过电解质组成优化、高效双功能催化剂开发及利用小分子氧化反应热力学优势,可有效提升电解水制氢效率和系统稳定性.最后,提出了电解水制氢技术的发展趋势与未来研究方向,包括提升催化剂性能、降低电解过程能耗、开发新型电解设备等,旨在促进电解水制氢技术的进步,助力全球碳中和目标的实现,并为未来的研究提供参考与指导.

“双碳”背景下制氢技术前景展望

在全球能源转型的浪潮中,氢能产业迎来了前所未有的发展机遇。为促进氢能产业高速高质量发展,推动氢能从传统工业原料向大规模能源应用转型,国家发改委和能源局于2022年联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,从国家层面上明确氢的能源属性,提出氢能产业发展的基本原则以及各阶段的发展目标,部署了推动氢能产业良性健康发展的重要举措。围绕“双碳”目标下热门制氢技术的研究进展进行综述,分析各制氢技术的优缺点,最后对未来制氢技术的发展趋势进行了展望。

面向波动可再生能源的质子交换膜电制氢系统最优压强运行

为提升质子交换膜电制氢系统在波动可再生能源输入下的制氢效率,提出面向最大效率的质子交换膜电制氢系统最优压强运行模式。介绍质子交换膜电制氢系统,提出基于压强控制的协调运行原理;对质子交换膜电制氢系统的压强特性和功率特性进行建模,从而建立面向最大效率的压强优化模型。在波动电流输入算例下检验最优压强运行模式的制氢效果,结果表明,相较于恒定压强模式,最优压强运行模式下的质子交换膜电制氢系统平均制氢能耗得到有效降低,系统性能得到明显提升。

双碳目标下绿色制氢技术的进展

发展高能效、低成本、零碳排放的可再生能源电解水制氢技术是实现“碳中和”“碳达峰”的重要途径。随着可再生能源的价格持续下降,利用可再生能源来实现高效的电解水制氢正逐渐成为未来氢能的主流技术路线。围绕当前绿色制氢技术的研究进展,重点阐述电解水制氢、太阳能分解水制氢以及生物质制氢等“绿氢”技术的产氢机理、技术难题和发展现状,并对未来绿色制氢技术的应用前景和发展方向进行分析和讨论。

漂浮式海上风电离网制氢联合仿真实验平台

海上风电制氢有助于解决海上风电消纳和远海输电难题,但目前的仿真缺乏海上环境对制氢影响的模拟,限制了相关研究与教学发展,因此亟需开发充分考虑海洋环境载荷的海上风电离网制氢仿真实验平台。该文将风机一体化仿真工具FAST和MATLAB/Simulink电力系统工具箱相结合,实现海上风机与发电机的联合仿真,在MATLAB内部通过设计接口实现电力系统与数学模型的两工具箱的联合仿真,以此构建两软件三工具箱联合的海上风电离网制氢一体化仿真实验平台。仿真结果表明,该平台能实现漂浮式海上风电离网制氢联合仿真,可为海上风电制氢有关研究和实验教学提供有力支撑。

煤制氢、天然气制氢及绿电制氢经济性分析

氢气是人类利用的最轻元素。作为能源载体,氢气被称为未来的清洁能源。目前,通过化石能源煤炭、天然气制取的氢气为灰氢,灰氢叠合CCUS技术后可得到蓝氢,绿氢由绿电(光电、风电)转化的电能直接电解水得来,最具代表的是绿电电解水制氢。文中主要分析煤制氢、天然气制氢及绿电制氢主流制氢技术的资源消耗量与经济性,随着碳税开征,绿氢成本会远低于蓝氢、灰氢,未来绿氢在氢能市场上最具商业竞争力,会获得越来越多的重视。

清华大学王保国教授团队ACSNano:3D互锁结构的膜电极(MEA)在1.55V下实现安培级电解水制氢

阴离子交换膜水电解器(AEMWE)作为一种高效制氢技术,近年来备受关注.然而,传统AEMWE的高工作电压极大地限制了其能源效率的提升.通过在阳极催化层进行界面和空位工程,能有效降低电解电压,从而提升电解效率.

海上平台集中式制氢技术研究进展

随着风电制氢技术的成熟,各国逐渐将目光聚焦在海上平台制氢。将风能与氢能相结合,是海上风电和氢能发展的双赢举措。本文通过对国内外海上集中式制氢平台发展现状的调查及对不同电解槽特点的比较,找出更适合海上集中式风电制氢的质子交换膜电解技术。针对管线系统、管线附属系统及储氢系统进行研究,分析了氢气对临氢设施的影响,总结了其研究现状,并为我国进一步发展该产业提出建议。

PEM电解制氢技术问题及现状分析

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称PEM)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外PEM制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。

我国制氢技术发展现状

氢能在清洁能源领域备受关注。对比传统化石能源制氢、工业副产气制氢、可再生能源制氢技术,分析各制氢技术优缺点,简单测算制氢成本,得出煤制氢成本最低,为13.6元/kg H_(2);碱性电解水制氢成本为30.3元/kg H_(2);PEM电解水制氢成本最高,为34.04元/kg H_(2)。预测未来可再生能源电力成本会有所下降,在电解槽等设备成本优化及引入碳排成本等影响下,电解水制绿氢成本会逐步趋于平价,也会逐渐优于传统能源制氢。综合考虑制氢成本及氢能环保属性,我国未来制氢产业的发展趋势是电解水制氢。

分布式制氢技术现状与实践效果分析

针对加氢站场景,结合市场现有氢气供需方式的局限性和主要矛盾,重点阐述了分布式制氢技术优势和发展前景,剖析了分布式制氢技术与传统化工技术的核心区别,并对分布式制氢技术从开发到应用的发展思路进行探讨。结合分布式甲醇制氢技术开发历程,论述了分布式制氢成套技术开发过程中系统集成、过程强化和高效催化剂三者之间紧密联系和相互制约条件,通过制氢加氢一体站的运行效果验证了分布式甲醇制氢技术的可行性,讨论了未来分布式制氢技术与加氢站相结合的显著优势。

含多电解槽的新能源制氢能量管理优化

新能源制氢系统是提升风能、太阳能等新能源消纳的有效途径。目前国内外关于电解槽能量管理的研究以单电解槽为主。单电解槽能量管理未考虑电解槽非线性的工作特性,难以兼顾多个电解槽制氢效率,影响系统经济性。文中针对含有多电解槽的新能源制氢系统的能量管理问题进行了研究,以新能源消纳率、经济收益、制氢率为目标,考虑单个电解槽运行特性以及生产约束条件,建立包含风电、光伏、蓄电池、多电解槽的能量管理优化模型,并采用强度Pareto进化算法2(strength Pareto evolutionary algorithm 2,SPEA2)求解多目标优化问题。仿真研究表明,文中所提能量管理策略能够实现新能源发电的100%消纳,单位制氢收益可提升5.15%。因此,对多电解槽制氢系统进行有效的能量管理有助于提高制氢效率,可有效克服单电解槽运行及能量管理的不足。

关于晋城地区煤层气用于制氢的经济性分析

晋城市煤层气探明储量为3 706亿m^(3),占全省总储量的1/2以上、全国总储量的2/5以上,是我国目前规模最大、最成熟的煤层气开发利用区域。通过对瓦斯发电电解水制氢、瓦斯重整制氢和光伏发电电解水制氢等制氢方式的经济性进行分析对比,探讨瓦斯发电电解水制氢的可行性,以此提高煤层气的附加值。

基于全生命周期评价的风光制氢综合系统容量配置优化研究

风光互补发电制氢是促进风光资源就地消纳、减少弃风弃光的重要技术途径。然而风光出力的波动性与系统设备复杂性也对风光制氢系统的容量优化配置决策提出了挑战。为此基于全生命周期评价方法,将平准化制氢成本、单位氢气碳排放强度与系统能量损失率作为优化目标,结合改进的NSGA-Ⅲ多目标优化算法,构建了年产2万t氢气的离网型风光制氢系统容量配置优化模型,并进一步分析了系统碳排放与经济性收益。研究结果表明,结合内蒙古某地区风光资源特征,经优化后系统平准化制氢成本为25.88元/kg,单位制氢碳排放量为0.59 kg/kg,同时全年风光利用率提升至91.09%,风光制氢系统的资源得到了高效利用。同时,结合全生命周期碳排放分析计算,系统碳排放总量为25.03万t,与典型煤制氢技术相比,单位制氢的碳减排量降低了97.05%。研究成果将为开展风光制氢综合利用提供了有益参考。

风光制氢合成氨系统的多时段可调度域分析

为直观描述风光发电制氢合成氨(power-to-ammonia,P2A)系统的柔性负荷调节潜力,计及制氢、合成氨化工过程的负载调控特性,基于动态规划思想和计算几何理论,提出其多时段可调度域(multi-stagedispatchableregion,MSDR)的刻画方法。所提方法将多时段间相互耦合的鲁棒约束变换为“氢缓冲罐贮量–合成氨产率”状态空间中的确定性多面体约束,使得对于可调度域内的任意系统状态,均存在满足完整调度过程安全约束的“制氢流量–氨产率爬坡速率”控制序列,从而实现P2A系统可调度能力的可视化。所提MSDR模型可进一步用于构造多时段鲁棒优化调度,在保证可行性的前提下优化P2A系统的经济收益。最后,基于内蒙古自治区某在建示范工程构造算例,验证所提方法的有效性。

基于制氢设备精细建模的综合能源系统绿氢蓝氢协调低碳优化策略

在“双碳”背景下,为了降低氢能利用成本及综合能源系统的碳排放,该文提出一种综合能源系统绿氢和蓝氢协调低碳优化策略。首先考虑电解水制氢和天然气制氢的经济和碳排放特性,分别引入绿氢和蓝氢产-储-用模块,并对绿氢制取设备的功率-效率动态特性、蓝氢制取中的能量转换过程进行精细化建模,实现不同类型氢能高效协调利用。其次,通过优化氢负荷供应中的绿氢和蓝氢比例,提升供氢灵活性。基于此,综合考虑碳交易、波动性风电制氢下的电解槽寿命损耗以及各设备的约束条件,以风电运行与弃风惩罚成本、购能成本、电解槽的寿命折损成本、蓝氢提纯成本及碳排放成本之和的总经济成本最小为目标,构建低碳经济调度模型。最后,通过算例分析验证了所提绿氢蓝氢协调优化策略的合理性。

可再生能源电制氢合成氨系统的并/离网运行方式与经济性分析

可再生能源电制氢合成氨(renewablepowerto ammonia,Re Pt A)是风力发电、光伏发电等可再生能源的大规模消纳方式之一,也是化工行业实现低碳清洁发展的重要技术路线之一。利用风电光伏电解水制氢合成氨系统模型,分析电网调峰型系统、电网友好型系统、工艺离网型系统的绿氨成本,并对电化学储能设备规模、储氢设备规模、电解水制氢设备规模、电解水制氢设备效率等影响因素进行敏感性分析。基于3种绿氨系统的设备配置方案和运行方式评估不同类型系统所需的电网调峰电量,提出3种系统所适合的应用场景。研究结论是近期应该发展电网友好型RePtA系统,远期应该发展工艺离网RePtA系统。

基于专利大数据统计分析的全球制氢技术发展

文章基于国家级知识产权大数据中心的专利检索分析平台,采用人工智能、云计算等信息技术手段,通过新的检索策略对全球制氢技术专利数据与信息进行了全面分析,引入专利价值度、生成专利图景、统计词云分布,结合万方、知网等信息辅助研究,梳理出国内外化石能源制氢、电解水制氢、新兴制氢技术等领域的专利申请现状、热点变化及发展方向,提出国内制氢产业在专利战略布局、核心技术自主化、国际竞争力提升等方面存在的问题和建议。

3种制氢技术路线的经济性分析

为分析不同制氢技术路线的成本,选取了天然气制氢、石油制氢、电解水制氢3种制氢方式来测算制氢成本。其中,天然气的制氢成本最低,石油制氢的成本最高。分析了3种制氢方式的成本组成,发现制氢成本的主要部分都是原料/电力成本。讨论了原料/电力成本、设备投资、碳税税率3个变量对氢气价格的影响,得出原料/电力成本对氢气价格的影响远大于设备投资、碳税税率的结论。