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氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要內(nèi)容之一。我國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，已初步掌握氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域已實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。
目前，世界上96%的氫來源于煤、天然氣等化石燃料，剩余的4%主要來源于電解水。制氫工藝可分為三大類：化工工藝，包括氣化、重整、裂/熱解等；光/電工藝，包括光解、電解等；生物工藝，包括微生物發(fā)酵等。
制氫工藝
我國氫能產(chǎn)業(yè)體量不小，但是缺乏由可再生能源制備并能用于能源供應(yīng)的綠色氫源。生物乙醇不但可以作為燃料部分替代石油，也是制備綠色氫能的理想原料。
目前，生物乙醇是世界上應(yīng)用最廣的可再生能源，其在保障國家糧食安全、應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用；美國、巴西、歐盟、中國、阿根廷、加拿大等40多個(gè)國家和地區(qū)都在積極推動(dòng)生物乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
生物乙醇重整制氫是氫能綠色供應(yīng)的重要途徑，其采用可再生能源為原料，運(yùn)用成熟、高效的化工工藝，積極助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。生物乙醇是已被廣泛應(yīng)用的化石燃料替代品，隨著纖維素乙醇技術(shù)不斷進(jìn)步，生物乙醇生產(chǎn)不再受限于淀粉基原料。目前，生物乙醇重整能夠以制氫和生物乙醇已有的產(chǎn)業(yè)化成果為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有氫能產(chǎn)業(yè)的快速鏈接。
近年來，隨著纖維素乙醇技術(shù)的不斷進(jìn)步，生物乙醇將逐漸突破淀粉基原料供給的束縛，農(nóng)林廢棄物可提供豐富來源的纖維素作為原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵，以保障生物乙醇產(chǎn)業(yè)的長期健康發(fā)展。生物乙醇重整制備的富氫氣體能夠用于燃料電池分布式電站；乙醇能量密度高、揮發(fā)性小、毒性低、便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，隨著重整設(shè)備建造水平的不斷提高，生物乙醇也將適用于加氫站內(nèi)原位制氫；生物乙醇還可采用現(xiàn)有加油站供應(yīng)，便于實(shí)現(xiàn)燃料電池車車載在線制氫。
在我國《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》《2022年能源工作指導(dǎo)意見》等多個(gè)政策文件中，加快纖維素等非糧生物燃料乙醇推進(jìn)與開展低成本可再生能源制氫被多次提及。生物乙醇重整制氫是以生產(chǎn)技術(shù)成熟的可再生能源為原料的制氫工藝，是一種有望短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的高效“綠氫”制備技術(shù)，且契合國家產(chǎn)業(yè)政策，具有廣闊的市場前景，對(duì)我國“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源體系建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義。
近年來，氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)得到了國家、政府和公眾的廣泛關(guān)注，若不能保證氫氣的來源是綠色的，則會(huì)嚴(yán)重違背發(fā)展氫能的初衷。我國燃料電池車的產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，急需夯實(shí)氫能綠色供應(yīng)。生物乙醇重整制氫是一種高度契合“碳中和”理念的“綠氫”制備技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化的核心工作為高效重整制氫催化劑及其配套反應(yīng)器的開發(fā)，其余技術(shù)和設(shè)備可與現(xiàn)有化工制氫工藝通用。
生物乙醇可通過現(xiàn)有加油站供應(yīng)，使在線制氫生物乙醇重整FCVs與燃油車長期并存。如果纖維素乙醇的價(jià)格能夠在政策補(bǔ)貼和技術(shù)發(fā)展的雙重作用下進(jìn)一步下降，生物乙醇制氫將在短期內(nèi)具有價(jià)格競爭力。因此，生物乙醇重整制氫技術(shù)雖然屬于新能源領(lǐng)域的新賽道，但其有望快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，融入我國現(xiàn)有能源體系，助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
（文章刊載于《中國科學(xué)院院刊》2023年第1期“科技與社會(huì)”欄目，作者：韓雪 賀泓 岳國君 林海龍 劉勁松 于斌）
來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站
責(zé)任編輯：胡惠雯
