《洁净煤技术》精品专题丨“氢能前沿与挑战性技术”专题

来源：洁净煤技术

氢能作为未来能源革命重要组成部分，在全球能源转型中扮演重要角色。随着全球对减少温室气体排放和实现碳中和目标的共识不断加深，氢能的重要性日益凸显。我国“十四五”规划将氢能发展列为长期发展战略，旨在通过推进氢能产业的创新与规模化发展，提高氢能产业的技术水平和市场竞争力，构建清洁、高效的氢能产业体系。《新时代的中国能源发展》白皮书强调了我国加速发展制氢、储氢、用氢等产业链技术装备及关键技术研发、示范和规模化应用的决心。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》进一步明确了氢能作为未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，也是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。2024年11月8日，第十四届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议表决通过《中华人民共和国能源法》,正式将氢能纳入《能源法》,明确氢能在能源安全、能源结构优化和绿色低碳转型中的关键作用，为构建清洁、高效、安全及大规模低成本的氢能产业体系，实现氢能产业高质量发展奠定了坚实的基础。氢能产业链覆盖面广，涉及制、储、输、用全链条，对减少CO₂ 等温室气体排放、深入推进能源生产和消费革命意义重大，但也存在效率不高、成本昂贵等问题。鉴于此，未来的氢能发展必须聚焦于加强先进氢能技术的前瞻性研究和部署，同时提升关键核心技术的水平，包括但不限于化石燃料低碳制氢、可再生能源制氢、工业副产物制氢、氢气储存与输运、氢能高效发电及氢能源化工转化等。目前，我国学者在先进氢能创新技术研究方面已取得了诸多成果。应《洁净煤技术》编辑部邀请，我们策划出版了“氢能前沿与挑战性技术”专题。专题收录了来自西安交通大学、北京理工大学、厦门大学、华北电力大学、广东工业大学、河北大学、南京师范大学等国内多家高校的13篇论文。(1)制氢方向。西安交通大学杨卫卫等开展了光热驱动甲烷在Ni-Sr-Ti 界面上高效转化与积碳抑制策略研究；西安交通大学陈杰等综述了光伏驱动电解水制氢技术的研究进展与挑战；西安交通大学刘茂昌等重点综述了光催化分解水制氢研究中能质传输与转化视角下的挑战与突破；西安交通大学孙杰等综述了全光谱太阳能光热催化制氢领域的研究进展；北京理工大学李胜等开展了基于煤与生物质互补气化技术的新型制氢系统技术经济与环境评估研究；华北电力大学徐超等开展了太阳能驱动甲烷化学链重整制氢与甲醇合成的储能系统模拟分析研究；河北大学李亚光等开展了六元高熵二维材料的光热甲醇重整制氢的研究与应用。(2)储氢方向。西安交通大学方涛等综述了有机液态储氢载体技术研究进展；西安交通大学吴震等开展了高储氢密度金属氢化物蓄热性能预测的机器学习回归算法对比研究。(3)用氢方向。厦门大学赵英汝等开展了电氢耦合综合能源系统的韧性量化与多目标优化研究；广东工业大学何松等开展了氨驱动天然气电厂钙循环燃烧后捕集系统集成研究，以及耦合化学链制氢与钙循环过程实现水泥厂脱碳的系统性能评估研究；南京师范大学王瑞林等开展了全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源集成与优化研究。值此专题刊出之际，我们谨代表编辑部对众多学者的踊跃投稿表示真诚的谢意，同时感谢同行专家们对每篇稿件耐心细致的审阅和提出的宝贵意见。希望本专题能加深读者对氢能前沿与挑战性技术的了解和关注，从而促进相关研究和技术的快速发展。

行业视野: 洁净煤技术
类别; 64个
关键词; 76位
专家; 13篇
论文; 2630IP
点击量; 864次
下载量

高储氢密度金属氢化物蓄热性能预测

作者(Author)：杨宜坤, 吴震, 刘洪皓, 张早校

摘要：金属氢化物材料具有储氢/热密度高,工作温度区间广,无污染无腐蚀性的优点,被认为是理想的储氢/热材料。金属氢化物储氢/热材料可以通过掺杂不同元素形成多元合金,以开发具有不同目标性能的材料。这种方法依赖实验合成,十分耗费时间和经济成本。数据驱动的机器学习性能预测模型可以解决这一问题,通过测试对比最小二乘回归、最小绝对收缩和选择操作符回归、岭回归、弹性网络回归、支持向量回归和随机森林回归多种回归算法,成功建立了金属氢化物微观材料性质与宏观形成能之间的关系。测试结果显示随机森林回归具有最好的预测性能,在训练集和测试集上相对误差均较小,仅为3.078和8.2011,且决定系数较高,具有良好的回归能力和泛化能力。SHAP分析中表明组成金属氢化物的基态原子体积的均值和最值具有高达5.56和1.26的SHAP值,这2个因素很大程度上决定了金属氢化物材料的形成能大小。对Mg基,Ca基,AB、AB2及AB5型金属氢化物材料预测结果分析显示预测相对误差均在9%以下,证明了模型准确性及普适性,可用于未知数据集的形成能预测。

免费下载

洁净煤技术

2024年第12期

161

63
电氢耦合综合能源系统：韧性量化与多目标优化

作者(Author)：黄敬智, 肖宁, 黄夏楠, 林长锥, 胡臻达, 刘林, 吴念远, 字政宇, 林健, 谢珊, 景锐, 赵英汝

摘要：近年来,为提升能源系统韧性,电氢耦合综合能源系统的相关研究逐渐受到关注。提出了一种高时间分辨率(小时级)的能源系统韧性量化评价方法,并构建了一个自下而上的多目标优化模型,规划电氢耦合综合能源系统方案,旨在应对能源系统三难困境(经济−环境−韧性),评估电氢耦合技术在综合能源系统中的应用效益。以中国东南沿海某工业园区为案例,将文中提出的方法与模型应用于该园区的能源系统,根据极端事件对能源系统的干扰规律,在4种碳排放限制情景下进行多目标优化,以确定各情景下的最优方案。案例研究结果表明,由于目前电氢耦合技术应用成本较高,只有在对能源系统环境性和韧性均有要求下,电氢耦合技术应用才具有较大的价值。随着碳排放约束加强,经济性目标函数的净现值成本从全局情景的4.48×1010元上升至强碳排放限制情景的4.74×1010元,增长了5.80%。韧性指标则从5061.62MWh下降至4184.01MWh,减少了21%,电氢耦合显著提升了系统的环境性与韧性。最优化方案表明,氢储能不仅是跨季节长期储能的有效解决方案,其在短期储能中的独特优势同样值得关注。最后,将提出的韧性量化评价新方法与前人方法进行对比,可使优化方案净现值提高0.9%,系统最低供能水平提高5.19%,系统恢复能力提高12.57%。

免费下载

洁净煤技术

2024年第12期

291

67
基于氨驱动钙循环捕集CO2的天然气−氨互补发电系统集成与评价

作者(Author)：郑雅文, 曾雪兰, 刘建辉, 王珺瑶, 何松, 杨光, 范峻铭

摘要：天然气电厂由于其清洁高效以及优异的调峰能力将在高比例可再生能源输入的情景下扮演重要角色。尽管天然气电厂相比于煤电具有更低的碳排放强度,但其仍然是全球CO2排放的主要来源。CO2捕集、利用与封存技术是实现碳中和目标的兜底技术,其中钙循环燃烧后捕集技术由于吸附剂来源广泛、成本低廉而备受关注。传统富氧燃烧钙循环捕集技术采用纯氧与化石燃料燃烧为煅烧过程供热,并通过直接加热水蒸气的方式回收碳酸化反应恒温热量,导致了较高的能量惩罚。通过采用零碳燃料氨替代化石燃料,提出了一种新型的基于氨驱动钙循环捕集CO2的天然气−氨互补发电系统。新系统避免了化石能源供热所带来的额外碳捕集需求,同时利用氨裂解反应回收碳酸化反应释放的中温热量,避免了碳酸化热直接加热水蒸气的大温差换热损失。结果显示,新系统相比于传统的富氧燃烧钙循环捕集系统,效率惩罚从9.4%下降到了0.6%,CO2避免能耗从4.7MJ/kg下降到了−8.1MJ/kg,新系统的热力学性能显著提升。同时,新系统碳排放强度相比于富氧燃烧钙循环系统显著降低,达到了18.6kg/MWh。分析了氨供能侧燃气透平入口温压对新系统性能的影响,结果显示,新系统在较宽的运行参数范围下均具有较好的系统性能表现。

免费下载

洁净煤技术

2024年第12期

136

45
全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源集成与优化

作者(Author)：翟宇凯, 王炯超, 吴寒逸, 王瑞林, 赵传文

摘要：针对现有太阳能与氢能协同的混合能源系统存在系统能量利用率低、能源供需不匹配等问题,提出了全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源架构。考虑太阳能综合输出效果最佳,确立了光谱分频窗口为700~1100nm。以江苏省南京市某一工业园区为供能对象,通过对园区全年逐时的电、冷、热、生活热水负荷需求进行分析,进行了系统设计,并通过Matlab搭建了全工况动态数字模型。经过模拟仿真得出新系统较参比系统在全年的能量利用率及温室气体减排量上分别提升了10.43%和655660kg,验证了新系统在能效以及环境友好性方面的优越性。分别探究了太阳能聚光面积和储热装置容量对系统性能的影响规律,在综合考虑系统性能和经济成本下,对新系统开展了容量配置优化,得出了新系统的最佳容量配置是太阳能聚光面积为6000m2,储热装置容量比Nstore为0.9。经过容量配置优化后,系统的能效达到29.03%,比初始设定下系统的能效提高了3.56%。采用全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源系统,不仅提高了能源利用效率,还有效减少了温室气体排放,为实现可持续发展目标提供了新的思路和方法。

免费下载

洁净煤技术

2024年第12期

139

52
耦合化学链制氢与钙循环过程实现水泥厂脱碳的系统性能评估

作者(Author)：何松, 王丹, 郑雅文, 高李帆, 王珺瑶, 杨智, 曾雪兰

摘要：零碳燃料替代和CO2捕集在水泥厂脱碳过程中可以发挥重要作用。提出了一种将钙循环工艺与化学链制氢工艺(CaL-CLHG)相结合的集成方案,并评估了该方案用于水泥生产过程脱碳时的系统性能。CaL-CLHG方案的优势在于可回收水泥生产过程中的余热用于制氢,同时还避免了传统钙循环捕集工艺(CaL-Oxy)中用于空气分离的能耗。研究结果表明通过避免空气分离过程的电力消耗和利用余热回收制氢实现了水泥生产过程脱碳的热力学性能和经济性提升。在CaL-CLHG方案中,避免单位CO2排放的一次能源消耗可降低到2.68GJ/t,相比传统CaL-Oxy捕集工艺下降33.5%。经济性分析表明,CO2减排成本可从CaL-Oxy方案中的56.6$/t降至CaL-CLHG方案中的34.2~41.6$/t。采用CaL-CLHG工艺对现有水泥厂进行脱碳是一种技术经济上可行的选择。

免费下载

洁净煤技术

2024年第12期

160

62