电解技术助力能源转型

电解技术的革新推动了Power to X能源长期存储解决方案的发展

作者:Kathrin Rübberdt 点击数:40 发布时间:2019-06-21
CO2已经成为化学工业中的一种原材料、交通运输部门和可再生能源之间的连接器以及精细化工产品的关键,上述种种过程中都离不开电解。这也使电解技术引起了科学届和工业届的高度关注,也反应在其最新的研发工作中。
电解技术助力能源转型

在能源转型的趋势下,人们长期以来聚焦的问题已经不再局限于电力方面了。在“综合能源”这一关键词中,交通运输部门和化学工业成为人们关注的焦点。尤其是在工业领域新能源的探索浪潮下,科学界和工业界都在使用“Power to X”这种最有前景的能源储存方案,这一方案是将来自可再生能源的电力和CO2作为一系列产品的原材料并逐步取代能源化石。

无论是可再生能源转变为电能的过程、氢燃料电池的使用过程、化学工业的氢气生产过程以及生产基于CO2为燃料的化学品还是CO2用于电(生物)合成的过程,在所有这些过程中电解都是其中的关键步骤。与此同时,人们也在积极探索新型电极材料、创新性的电极设计和新应用的可能性,而且传统的电解技术领域也在不断从探索中受益。

Power-to-X技术发展的最初推动力源于风力发电和太阳能发电。在这两大可再生能源发电领域中,电解能够充分发挥它的优势。由于这两种发电方式的发电量波动很大,所以除了保证正常的产品生产之外,还要保障电网的稳定性,这就要有一定的电网扩容能力,否则就会出现局部的供电瓶颈,而要做到电网扩容、实现柔性电网,就离不开电解技术。

水电解技术的发展

在最近出台的BMBF德国联邦教育与研究部重点扶持的哥白尼项目的框架内,首次公布了Power-to-X(简写为P2X)的路线图,并讨论了各种电解技术方案。其中就包括了水电解,水分解产生的氢气可以用作燃料电池的能源和用于生产化学品。霍伦霍夫ISE研究所最近发表的“德国水电解产业化”的研究报告中证实了水电解具有“千兆瓦行业”的潜力。根据目前进行的研究项目,这一评价有迹可循,无论是在当地的氢气热电联产设备,还是在2018年早期Akzo Nobel公司和壳牌公司宣布的10 MW和20 MW的大型项目中。

与此同时,电解设备也在不断地发展革新。新的电极材料或者PEM电解设备的开发也都保证了电解的效率越来越高。根据氢的不同应用,电解氢的工艺过程也越来越有经济性。2018年4月Wuppertal 研究所和霍伦霍夫ISI研究所在其给BMWI德国经济及跨接板的报告中指出,现在采用的电解技术不是大规模生产时使用的技术,必须尽快实现规模化生产,规模化生产的技术将开辟新的出口市场。例如在哥白尼项目P2X中电力应用的另一个选项就是将有机液体氢载体(LOHC)运送到加氢站或者化工厂中。

然而,电解技术研究的重点早已不再是如何生产氢了。目前正在研究的是水和CO2共电解生产合成气体的工艺技术。在哥白尼P2X的Rheticus研究项目中,西门子公司和创赢公司正在研究利用可再生电力和微生物将CO2转化为丁醇和乙醇的工艺。在这一研究项目中,西门子公司负责提供电解技术并开发出了第一套工业化生产规模的气体-气体电解设备,这种CO2低温电解技术能够生产出CO2含量很高的合成气体,并在这一研发项目的框架内通过微生物对这些合成气体进行进一步的发酵处理。该项目的目标是生产出有多种用途的高品质化学品,高品质产品也为化学品平台和燃料平台添砖加瓦。同时,电解和发酵的相互结合也充分体现了分散式的生产方式,这相当于建造了多个小型发电厂。这不仅避免了大量投资,也避免了接入大型电网时遇到的电网接入的问题。

聚焦共电解技术

利用高温共电解不仅可以获得不同成分的合成气体,而且这些合成气体也可以生产出很多的不同产品。例如生产液体燃料、气体燃料和基础化学品等。这一技术的基础是SOEC固态电解设备,其结构类似于高温燃料电池,它是Haldor Topsoe公司分散式集装箱式共电解设备中的核心部件。同样,有了这种能够在现场生产的集装箱式共电解设备也避免了大量的基础设施建设工作量,例如管道线路的铺设。

生产高品质的化学品是人们关注的焦点,许多生产这种化学品的工艺方法促进可再生能源整体的耦合发展,它可以在一定的范围内上下调节,能够根据可供使用的电力能源的多少,在一个时间单位内多用或者少用一些电力。

而这仅是在有限的范围内适用于传统的氯碱电解工艺,而电解产生的氯是许多其他化学品的原材料,专家估计至少有超过50%的化学品生产都需要氯。传统的氯生产工艺过程存在着两大缺陷,一是设备一旦启动就不能随便停机关闭,二是在生产过程中氯的中间储存也有很大的局限性。但就在这一历史悠久、技术成熟的生产工艺过程中也蕴藏着优化改进的潜力,例如可以用氧气去极化阴极,科思创公司已经能够将氯生产的能源消耗降低30%以上。

OCD氧去极化阴极技术的基本原理是膜技术,但由催化剂、载体材料、膜和添加剂综合起来组成的结构非常复杂,因此在电解池中产生了亲水区和疏水区两大区域。2015年时,科思创公司与Thyssenkrupp Uhde合作,将该工艺推向了批量生产应用中。

本电解技术的应用领域还没有被完全开拓出来。阳极替代作为高选择性的工艺方法在精细化工、海水淡化和废水净化的电解过程中还有着无穷无尽的潜力可以挖掘。即使是作为钢铁生产的焦化工艺的替代方案,电解技术仍然是值得探讨的技术。例如,Arcelor Mittal公司的试验设备已经通过电解技术来减少铁元素了。