工程熱物理所實(shí)現(xiàn)400°C以下太陽能天然氣制氫與脫碳

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著雙碳戰(zhàn)略的深化，氫能產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。制氫技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)的源頭，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的整體布局與發(fā)展頗為重要。傳統(tǒng)制氫技術(shù)包括工業(yè)天然氣重整制氫與煤氣化制氫，是目前氫能的主要來源，而在雙碳戰(zhàn)略與能源低碳轉(zhuǎn)型的背景下，面臨的共性挑戰(zhàn)包括反應(yīng)溫度高、能耗高、CO2排放高。如何突破“三高”問題，對(duì)于氫能與能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的相容發(fā)展具有重要意義。
 

　　中國科學(xué)院工程熱物理研究所首次實(shí)現(xiàn)了400°C溫和條件下“凈零排放”的天然氣制氫原理突破。通過有序分離氫氣和CO2產(chǎn)物，天然氣制氫反應(yīng)溫度由傳統(tǒng)的800-1000°C降至400°C以下，實(shí)現(xiàn)了99%以上甲烷直接轉(zhuǎn)化為高純氫與高純CO2，并實(shí)現(xiàn)了基于化石能源的制氫與脫碳的完全協(xié)同。制氫與脫碳能耗下降幅度達(dá)20-40%。基于此，該工作結(jié)合商業(yè)化中溫槽式聚光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)的天然氣制氫與脫碳，進(jìn)一步減少化石能源制氫的碳足跡，展示了化石能源與可再生能源互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)氫能利用的可行性。反應(yīng)溫度的降低使工業(yè)余熱與氫能的結(jié)合成為可能。迄今為止，研究人員已完成了超過6000次的穩(wěn)定循環(huán)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可靠性，并初步展示了技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的廣闊前景。
 

　　該工作由中科院院士、工程熱物理所研究員金紅光團(tuán)隊(duì)完成，獲得國家自然科學(xué)基金“能源有序轉(zhuǎn)化”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。科研人員圍繞科學(xué)中心項(xiàng)目主線，原創(chuàng)性地提出了“熱化學(xué)多產(chǎn)物有序分離耦合中低溫?zé)崮芷肺惶嵘?rdquo;的熱力學(xué)新思路，在降低反應(yīng)溫度、提高甲烷轉(zhuǎn)化率與選擇性、低能耗捕集二氧化碳、設(shè)備小型化等方面實(shí)現(xiàn)了系列重要突破。相關(guān)研究成果發(fā)表在Energy & Environmental Science上。
 

　　工程熱物理所研究員郝勇表示，天然氣與太陽能結(jié)合制備“凈零排放”氫能，展示了低碳、可再生能源技術(shù)蓬勃發(fā)展的新形勢(shì)下，符合我國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的化石能源低碳利用新模式，對(duì)低碳發(fā)電、工業(yè)余熱利用以及太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)沼氣等可再生能源的消納具有重要意義。基于這一成果，研究通過所得低碳?xì)渑c天然氣摻燒，可有效提高火電廠發(fā)電效率并降低碳排放；以天然氣為氫能載體實(shí)現(xiàn)加氫站內(nèi)按需制氫，有望降低基礎(chǔ)設(shè)施投資及氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)成本，并實(shí)現(xiàn)CO2集中資源化利用。另外，本成果可實(shí)現(xiàn)500℃以下工業(yè)余熱的高價(jià)值、低碳利用。本研究有望助推能源結(jié)構(gòu)的脫碳、可再生能源占比提升和可再生能源技術(shù)的加速發(fā)展，并將為解決氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)全鏈條瓶頸提供新思路。當(dāng)前，該團(tuán)隊(duì)正努力推動(dòng)本成果的產(chǎn)業(yè)化，日產(chǎn)百公斤級(jí)氫氣的原理樣機(jī)正在研制中。
 

圖1.溫和條件下“凈零排放”的天然氣制氫原理
 

圖2.天然氣99%直接轉(zhuǎn)化為高純氫與高純CO2的6000次穩(wěn)定循環(huán)實(shí)驗(yàn)