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不同的再生能源制氢方式介绍

 更新时间:2023-08-25    点击量:491

有一些方法允许利用基于清洁能源的水的热分解生产氢,如太阳能、风能、地热能、生物质能、水能、海洋热能、潮汐和波浪能以及核能。在本文中,我们重点介绍了基于太阳能和风能的制氢工艺。下图1总结了上述制氢方法下图2展示了通过清洁能源生产清洁氢气的过程。



图1:不同的制氢方法



图2:利用太阳能和风能生产清洁氢的过程。

下面具体介绍基于风能和太阳能的不同制氢工艺!

一、太阳能电解系统

该系统由光伏电池组成,光伏电池产生电能为电解装置供电,如下图3所示。

图3:光伏电解装置原理图


水的电解是将水(H2O)分解为H2和O2气体的电化学水分解过程,如下图4所示。氢离子和氧离子通过水分别到达阴极和阳极。产生的氢气有很多应用,例如燃料电池应用和焊接应用,当与O2混合得到氢氧气体。该方法可生产大量高纯度氢气,且不影响环境。这个制氢过程是由太阳能供电的。
图4:电解水原理图
目标是将电解槽的效率提高到90%以上,目前的效率约为75%。当使用可再生能源作为电能时,电解槽产生的氢气过程没有温室气体排放。
上图3所示的pv电解装置由一个三结太阳能电池和两个串联的电解(PEM)单元组成。使用水冷却系统将电池冷却至25℃,并在基于白光的太阳模拟器下照射,使用氙弧灯获得与AM 1.5D太阳照射相对应的照度。
两个电解单元与PV电池串联。水被泵入电解单元的阳极室,电解单元的阴极没有输入流。水和O2从电解装置的阳极室流向第二电解装置的阳极室。氢气从电解装置的阴极侧流向第二电解装置的阴极侧。产生的H2和O2从第二个电解装置收集,剩余的水收集在一个水箱中,然后再循环到系统中。
电解装置的温度几乎固定在80°C,这与工业水电解的标准条件相对应。


二、光伏/热(PV/T)-混合电解系统

太阳能光伏热(PV/T)电解系统由光伏板和PEM电解组成。PV/T电解系统由以下部分组成:PV-热阵列、变换器DC/DC和电解单元。下图5为PV/ T-混合电解系统。



图5:所提出系统的原理图

使用PEM电解电池(PEMEC)对PV/T系统的性能进行了测试。PV/T为PEMEC提供必要的电流并预热给水。利用PEMEC制氢的年度实验数据如下图6所示。

图6:PV和PV/T月制氢量的比较。

建立了PV/T-PEMEC系统的模型。该模型有助于研究太阳辐照、水温、水质量流量等不同因素对产氢的影响。

一项实验研究调查了通过混合PV/T利用太阳能生产氢,这允许获得电能和热能。电能用于为碱性电解水供电,热能用于加热固定在光伏板背面的循环水,如下图7所示。对不同电解水温度下的制氢装置进行了实验研究。结果表明,在配置下,系统的产氢速率约为154 mL/min,系统效率约为21%,日产氢量约为221 L/天。

图7:实验装置与热电偶位置。

三、风能电解系统

一种风电解装置,包括风力发电机、变流器(交/直流)和水电解槽。许多应用可以使用风能系统执行以下配置:

直接配置:风能发电电解。该应用适用于有风电场的偏远地区。

使用这种配置生产氢气:混合风电/电网电解。这种应用允许电网在无风时作为风力发电机的辅助能源。

第三种配置包括使用风能生产氢气,多余的风能提供给电网。

第四种情况与第三种配置相对应,该配置具有氢气存储系统,可以通过燃料电池产生电力。

下图8显示了风电解系统的不同组成部分。



图8:风电解系统原理。

一项研究阐述了利用水平轴风力涡轮发电机(HAWT)为一种碱性电解(AWE)的电解提供动力,并利用多余的氢气通过燃料电池发电。研究发现,它的总效率为60%。一项关于风能/氢气系统的实验研究为10户家庭提供了3天的电力。与其他能源相比,风能的电力成本更高。因此,将采取许多措施来降低风力发电系统的成本。实际上,由于风速波动,已经引入斩波电路来调节每个电解系统的输入电量。

这可以提高这种系统的使用寿命和效率。此外,使用垂直轴风力涡轮发电机(VAWT)为电解系统供电的实验工作也给出了可接受的结果。

四、PEM电解/光催化

用异相光催化剂也可以生产氢气。该过程基于光电催化或直接光催化。这个过程的原理是在附带光的作用下在电极之间产生和转移电子。当电极由诸如半导体(SC)之类的光活性材料制造时,这可以执行。光阳极由N型SC制成,而光电阴极由P型SC制成。光电化学电池(PEC)的原理如下图9所示。


图9:PEC电池的原理(a);光阳极带金属阴极(B);光电阴极带金属阳极(C)。


光催化系统的原理是基于太阳能的水分解,驱动光材料,产生光激发的载流子,以简单的步骤产生氢气,如下:


太阳光被光阳极吸收,然后产生电子和空穴。
电子和空穴在电极之间转移。


化学反应允许从水分子中提取H2和O2


基于水分解系统的氢气生产可阐述如下:
光触媒)系统
光电化学)系统


光伏-光电化学)系统

PC系统是一种基于太阳辐照的简单的水分解方法(见下图10)。

在光催化过程中,水的分解出现在均相中,不需要透明电极。PC系统在水分解过程中有一个局限性:


由于在水分解过程中需要额外的能量来立即分离H2和O2,因此效率较低。
在PC系统的照明下,由于相同的反应速率而没有水的分裂,可以引起光稳态。
对于大型项目企业,PC系统的安装是复杂的。
图10:太阳能氢基光催化系统(PC)方案


V-PEC由单个光电极PEC结构组成,由PV电池供电,如下图11a所示。在PEC系统中,光阳极和光电阴极由光活性半导体材料制成。用低电压裂解水。入射太阳辐射使几代载流子和空穴(N型光阳极)、电子(P型光电阴极)移动到半导体电极-液体界面进行反应,如图11b、c所示。PEC系统的优点是不需要气体进行分离,因为H2和O2的生成是在不同的电极两侧分离的。

图11。光电化学(PEC)系统方案:(a)由光伏电池供电的光电极PEC系统,(b)并联的双光电极PEC系统,(c)串联的双光电极PEC系统。


五、生物光解/光化学
光的过程是用来分离氢从水利用阳光。的照片过程可分为以下几类:
光电化学;
光化学;


光生物学。


光生物工艺因其效率低而应用于少量制氢。事实上,以光化学或生物单元为基础的制氢系统是小规模的单元,仅用于教育和研究目的。这种系统产生的少量氢通常用于为几瓦左右的小型燃料电池提供动力。


在生物光解系统中,从水中提取H2和O2是由于太阳能。该过程可分为正向或反向生物光解:


在正向生物光解过程中,阳光允许水分解,然后,水分解产生的电子被利用。


在间接生物光解过程中,内源性底物分解代谢并产生用于间接过程的电子。

在将剩余的电子转移到光系统后,氢化酶允许在几乎零二氧化碳排放的情况下生产氢气。生物光解过程根据这一反应向大气中释放氧气:



六、热解系统

基于太阳能的热分解系统或水的热分解已被应用于提高效率和最小化制氢成本。与太阳能电解制氢的成本相比,利用高温电解水和气的太阳热解离制氢的成本更低。聚光器产生的热能可用于加热热解系统中的水或化石燃料。事实上,天然气在高温下的热分解是更合适的制氢方法。

七、热化学系统

热化学过程是通过热源(热水瓶)与化学反应相结合,将水分解成氢和氧。所使用的化学物质在称为热化学循环的过程中被回收。


在这种方法中,水被加热到非常高的温度,这是2500左右,直到它分解成氢和氧。因此,这一过程需要三个条件:
高温热源的必要性。
反应中使用的材料应能承受高温。
使用复杂的化学方法分离氢和氧。


八、蒸汽电解


电解可以在高温下使用蒸汽电解(HTSE)产生氢和氧,在低温下使用水。分解反应的关系与普通电解水公式相同。


在蒸汽电解过程中,蒸汽(H2O (G))的解离所需的能量比液态水(H2O (L)要少。此外,对于高温,加热可以取代水分解所需的部分电能。这种热量的贡献使氢气生产成本降低,效率高。


蒸汽电解过程包括几个单次重复单元,如下图12所示。HTSE的主体部分是电化学电池,由于工作温度高,电化学电池由陶瓷制成。这种电化学电池被命名为固体氧化物电解电池(SOEC),由三层陶瓷组成:致密的电解质和两个多孔电极(H2为阴极,O2为阳极),如下图12所示。


图12:电化学电池的展示。


下表显示了不同方法的比较;给出了优点、缺点:



文章来源:氢眼所见

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