炙手可熱，各方紛紛布局入場
公開統(tǒng)計數(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”首次寫入《政府工作報告》，3月28日，李克強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)站上了風口。
一系列導向政策的發(fā)布也徹底點燃了各方熱情，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)濟概念早在20世紀70年代就被提出，近年來隨著氫能應用技術發(fā)展逐漸成熟，以及全球應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注，氫能及燃料電池技術作為促進經(jīng)濟社會實現(xiàn)低碳環(huán)保發(fā)展的重要創(chuàng)新技術，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)達成了共識。
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)補貼普遍退坡、但氫能補貼力度始終持續(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;熱化學法;生物制氫;電解水制氫;生物質(zhì)熱解技術等。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：熱化學法制氫、光電化學分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫和生物制氫等，其中的熱化學法制氫便與光熱發(fā)電技術息息相關。
聚光技術發(fā)展為熱化學制氫帶來曙光
據(jù)公開資料，熱化學制氫即太陽能直接熱分解水制氫其實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。
隨著聚光技術和膜科學技術的發(fā)展，這種方法又重新激起了科學家的研究熱情。
來自以色列魏茨曼研究所(WIS,Weizmann Institute of Science)的Abraham Kogan教授從理論和試驗上對太陽能直接熱分解水制氫技術可行性進行了論證，并對如何提高高溫反應器的制氫效率和開發(fā)更為穩(wěn)定的多孔陶瓷膜反應器進行了研究。如果在水中加入催化劑，使水的分解過程按多步進行，就可以大大降低加熱的溫度。由于催化劑可以反復使用，因此這種制氫方法又叫熱化學循環(huán)法。
目前，科學家們已研究出100多種利用熱化學循環(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。熱化學循環(huán)法可在低于1000K的溫度下制氫，制氫效率可達50%左右，所需熱量主要來自核能和太陽能，為了適應未來大規(guī)模工業(yè)制氫的需要，科學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)實現(xiàn)工業(yè)化應用
多年來，很多國家的研究機構(gòu)和企業(yè)一直在致力于熱化學制氫相關的研究并已取得一定進展。
2013年8月，美國科羅拉多大學波德分校化學和生物工程學院的教授阿蘭?維摩與其團隊設計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器內(nèi)，當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)計劃提供資金支持的歐洲HYDROSOL-PlANT研發(fā)團隊【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)跨學科科技人員組成】也傳來好消息。
該團隊從2014年1月開始研究太陽能制氫HYDROSOL技術，在西班牙建設了一座750KW額定功率的太陽能熱反應堆中試示范項目，經(jīng)過反復檢測驗證的指標參數(shù)，顯示出強勁的競爭力。同時，該太陽能制氫熱反應堆實現(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裝置。DLR太陽能研究所項目經(jīng)理MartinRoeb表示：“通過HYDROSOL_Plant項目，我們首次設計出了一個可實現(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，通過太陽能反應堆生產(chǎn)太陽能燃料。研究人員預測，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)
中國在熱化學制氫領域的探索和布局
在中國，中國科學院大連化學物理研究所、首航節(jié)能等也在開展相關研究。
2019年2月份，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究中心王曉東研究員團隊在兩步法太陽能高溫熱化學儲能研究方面取得新進展，相關研究成果以全文的形式發(fā)表于《能源和環(huán)境科學》(Energy Environ.Sci.)上。
據(jù)悉，兩步法太陽能高溫熱化學儲能是利用聚焦太陽能，高溫熱裂解二氧化碳和水的過程。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、易于儲存運輸?shù)奶柲苋剂?合成氣或氫氣)，實現(xiàn)太陽能到化學能的直接轉(zhuǎn)化。
在前期水裂解研究工作中(AIChEJ)，該團隊開發(fā)了一種CeO2-SnO2復合氧化物相變材料，可有效降低第一步熱還原溫度，提高氫氣的產(chǎn)量。在此基礎上，該團隊開發(fā)了一種CeO2-TiO2復合氧化物負載的鎳基催化劑，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，塔式點聚光技術在聚光點會產(chǎn)生高能量密度，利用這種高能量密度產(chǎn)生極高的反應溫度，從而熱化學氧化還原反應制氫。首航節(jié)能經(jīng)過多年的積累掌握了光熱塔式點聚光技術，而熱化學制氫反應器正在研發(fā)推進之中。
圖：運行中的敦煌100兆瓦塔式光熱電站
今年6月17日，由首航節(jié)能自主設計、投資建設的敦煌首航節(jié)能100兆瓦國家光熱示范電站順利滿負荷發(fā)電，同時夏季工況下晝夜連續(xù)發(fā)電突破180萬度，各項指標均達到或優(yōu)于設計值，這意味著該公司光熱發(fā)電技術商業(yè)化推進再獲重大突破。
同時，首航節(jié)能在氫能產(chǎn)業(yè)領域動作頻頻。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1億元設立氫能公司。
未來如熱化學制氫技術獲得突破，首航節(jié)能在光熱發(fā)電領域的領先技術和氫能產(chǎn)業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢將可能實現(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)面助攻光熱技術進步和成本下降。
