0前言

隨著全球對低碳環保要求的提升,氫能發展進入了快車道,特別是利用可再生能源制取綠氫將是未來發展趨勢。近年來氫與電耦合經歷了快速發展,利用風能和光能制取綠電,再利用綠電制取綠氫、綠醇、綠氨等。風電、光電與氫能耦合,降低了新能源隨機性、波動性對電力系統的影響,大幅提高了新能源發展和消納能力。隨著碳達峰、碳中和要求的日趨緊迫,低碳環保的新能源開發利用需求越來越多,除了太陽能和風能外,地熱的應用對節能減排也具有重要意義。

地熱作為可再生能源之一,儲量豐富、分布廣泛,具有污染小、產能穩定、服務周期長等特點,受到了各國的高度重視。在國內,20世紀70年代經歷了一次地熱開發熱潮,建設的羊八井發電廠至今仍在運轉,近年來地熱開發快速發展,但主要是直接利用(地熱供暖)。中國西部地區具有豐富的高溫地熱資源,但發展相對落后,人口密度低,目前廣泛應用的地熱供暖模式的適應性不高,需探索新的地熱利用方式。在國外,美國、日本、印度尼西亞、菲律賓、土耳其、新西蘭、冰島、肯尼亞等國紛紛加大了地熱的開發力度,一些地熱資源豐富的國家已經開啟了地熱制氫的探索。日本大林組株式會社在大分縣九重町野上建造了地熱發電制氫的示范裝置,冰島也計劃利用地熱電廠建造大規模制氫的工廠。地熱制氫作為前瞻性新興領域,國外從20世紀90 年代就開始了相關研究,但國內起步較晚,相關研究報道甚少。本文綜述當前國際上地熱制氫的研究與應用進展,以期為中國地熱制氫研究與行業發展提供參考。

1地熱資源及利用現狀

中國的干熱巖資源折合標準煤856×10¹²t,同時中溫地熱資源折合標準煤1.25×10¹²t。全球地熱資源主要集中在4個高溫地熱帶上:大西洋中脊地熱帶、東非裂谷地熱帶、環太平洋地熱帶和地中海—喜馬拉雅地熱帶。馬槽地熱田處于環太平洋地熱帶,羊八井地熱田、騰沖地熱田處于地中海—喜馬拉雅地熱帶。

地熱按儲存形式可分為水熱型、干熱巖型、熔巖型; 按溫度又可分為高溫(≥150℃)、中溫(90~150℃)、低溫(25~90℃)地熱資源。目前已開發利用的地熱資源以水熱型為主,其利用方式可劃分為地熱發電和直接利用兩類,不同的地熱資源,其利用方式也不同。

低溫地熱資源適合直接利用;中溫地熱資源適合雙循環發電、供暖、工業干燥等,雙循環發電主要是卡琳循環 (Kalina Cycle,KC)和有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle,ORC),ORC應用更廣泛;150~200℃的高溫地熱資源適合發電、供暖、工業干燥等,發電可采用閃蒸、雙循環或閃蒸與雙循環混合循環等方式;200℃以上的高溫干蒸氣地熱資源則適合直接發電和綜合利用,干蒸氣發電有背壓式和凝汽式發電系統。

為了提高地熱利用率,通常采用梯級開發和綜合利用方式。地熱資源利用方式以直接利用為主,2020年全球地熱直接利用裝機容量為107 727 MW,亞洲、歐洲、美洲的地熱直接利用裝機容量分別為49 079、32 386、23 330 MW;其中地熱直接利用裝機容量前五名的國家是中國、美國、瑞典、德國和土耳其,裝機容量分別為 40 610、20 713、6 680、4 806、3 488 MW。2020年全球地熱發電裝機量為15 608 MW,其中美國、印度尼西亞、菲律賓、土耳其地熱裝機容量分別為3 700、2 289、1 918和 1 549 MW。中國已開發的地熱資源主要是中、低溫地熱田,以直接利用為主,地熱發電規模較小,中國的地熱直接利用裝機容量僅為34.9 MW。

2地熱制氫技術及其進展

2.1地熱制氫技術

2.1.1制氫技術現狀

制氫技術的路徑主要包括化石燃料制氫、工業副產物制氫、水電解制氫等,其中化石燃料制氫與工業副產物制氫的工藝技術成熟,成本較低,是當前制氫的主要方法。化石燃料制氫主要是煤制氫和天然氣制氫, 煤制氫是利用熱能使煤氣化與水蒸氣反應產生氫氣,天然氣制氫是利用熱能使天然氣通過高溫裂解或重整獲得氫氣,再通過分離提純出高純度的氫氣。工業副產物制氫是利用提純技術獲得高純度氫氣,提純技術主要包括深冷分離法、變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption, PSA)、膜分離法。水電解制氫是利用電能作用將水解離生成氧氣和氫氣,分別從電解槽陽極和陰極析出,主要包括堿性電解法(Alkaline Electrolyzer,ALK)、質子交換膜電解法(Proton Exchange Membrane,PEM)和固體氧化物電解法(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)。近年來, 利用太陽能進行光化學反應和光合作用制氫工藝被廣泛探索。常見制氫技術見表1。

熱化學工藝通常需要高熱,例如:煤氣化制氫的氣化溫度,對于濕法料漿氣化技術為1 250~1 400℃,干法粉煤氣化技術為1 400~1 700℃;甲烷水蒸氣重整制氫, 重整反應的溫度通常為750~920℃;甲烷芳烴構化技術目前還處于研究階段。煤氣化制氫和甲烷水蒸氣重整制氫都會產生溫室氣體———二氧化碳,通常稱為灰氫, 見圖1-a)~b)。這類制氫工藝與碳捕集結合起來產生的氫氣,通常稱為藍氫。

水電解工藝中ALK和PEM制氫工藝對溫度要求較低,技術成熟,但SOEC制氫工藝的工作溫度較高(約 900℃),目前處于產品試驗階段。電能可由太陽能、風能、水力能和地熱能等可再生能源獲取。水電解制氫只產生氫氣和氧氣,沒有二氧化碳排放,通常稱為綠氫,見圖1-c)。光解制氫工藝是利用太陽能的光熱來制取氫氣的前瞻性技術路線,包括太陽光催化分解水制氫、太陽光電化學分解制氫以及太陽能熱化學循環制氫,目前仍處于研究階段。

2.1.2地熱制氫工藝技術

供熱和發電是地熱資源最常見的兩種利用方式,因此,地熱制氫技術的研究也是基于用熱能和電能制氫, 利用地熱資源獲得氫氣的生產路徑見圖2。

由圖2可見,獲得氫氣的方式有:分離提純地熱資源伴生氣中的氫氣;利用地熱發電,通過水電解制氫;利用地熱采用熱化學類制氫工藝;電能和熱能混合制氫工藝。

從自然界直接獲取的氫氣通常稱為白氫,全球很多區域的地熱資源都含有一定量的氫氣,如冰島北部克拉布拉火山附近的Bjarnarflag地熱田,根據Arnason B等人的報告,該地熱田約產氫氣50 t a,但地熱井中含氫量通常較低,氫氣直接排放到大氣中。

煤氣化制氫、甲烷水蒸氣重整制氫等傳統的熱化學制氫工藝,原材料自身可通過反應提供熱能,因此未見其與地熱耦合的相關報道。冰島國家電力公司對冰島深井鉆探分析認為在4~5 km的地熱深井可獲得500~ 600℃的高溫地熱蒸汽。隨后開展了相對低溫的熱化學制氫工藝與地熱耦合的研究,如Cu-Cl循環工藝、 Mg-Cl循環工藝等。這些低溫熱化學制氫工藝的反應溫度大約500℃,但是,由于深井鉆探技術尚未廣泛普及, 至今還未獲得如此高溫的深井地熱資源,因此,熱化學制氫工藝與地熱的耦合仍處于理論研究階段。2022年,王朝文等人提出了一種利用地熱輔助加熱的氣藏原位轉化制氫方法,其原理為:向干熱巖地穴注入氧化鈣和水蒸氣進行預熱,使地層溫度到達滿足甲烷和水蒸氣反應制氫的要求;再向地層注入氧化鈣、甲烷和水蒸氣后悶井,生成氫氣和一氧化碳;然后再注入水蒸氣后悶井,生成氫氣和二氧化碳;最后開井采氣并分離出氫氣。

目前,該技術還處于概念階段。

地熱發電制氫和水電解制氫均有商業化的技術,兩者耦合具備技術可行性。當前探索地熱能制氫的主流技術路線是利用地熱電廠,先將地熱水蒸汽的熱能轉換為電能,再利用電能解離水產出氫氣。地熱發電的方式有閃蒸、雙循環以及閃蒸與雙循環混合循環等;ALK、 PEM制氫工藝已商業化,但PEM制氫工藝的效率比 ALK制氫工藝的效率更高,大部分效率研究采用PEM制氫工藝,其系統見圖3。目前,地熱發電+水電解制氫的地熱制氫模式已經進入實證階段,2021年7月,日本建造了一套地熱能制氫實證設備。

2.2地熱制氫研究進展

自20世紀90年代冰島開展地熱制氫可行性研究以來,有關地熱制氫的相關研究持續進行。隨著氫能成為全球最熱門的清潔能源話題,地熱制氫的相關研究在近 10年蓬勃發展。當前地熱制氫系統主要是地熱發電與水電解制氫耦合系統,相關研究主要是熱力效率評估分析、地熱制氫系統的優化以及經濟性評估分析,目的是優化效率和經濟性,推動地熱的綜合利用,見表2。

2.2.1地熱制氫效率

Balta M T等人對地熱發電驅動高溫水電解制氫工藝進行了熱力學評價,高溫水電解制氫工藝的熱效率和效率分別為87%和86%。盡管高溫水電解制氫工藝具有更高的效率,但目前還未實現商業化推廣應用。 因此,近年來地熱制氫系統的研究大多選擇了已商業化的ALK、PEM制氫工藝,以PEM制氫工藝為主。YilmazC等人以PEM電解技術和ORC熱電廠耦合為例進行了地熱制氫的熱力學分析,以溫度160℃、流量100 kg s 的地熱資源為例,其地熱電廠系統的熱效率和效率分別為11.4%和45.1%,水電解制氫系統的熱效率和效率分別為64.0%和61.6%,整個地熱制氫系統的熱效率和效率則分別為6.7%和23.8%。Yuksel Y E等人對利用地熱發電制氫及液化系統的熱力學進行分析發現,地熱資源的溫度對該系統的效率影響最大,當地熱流體的溫度由130℃增加到200℃,該系統的效率由38%提升到64%,PEM水電解的溫度由60℃ 增加到85℃,氫氣生產效率由39%提升到44%。

Karakilcik H等人對ORC地熱發電與氯堿電解制氫系統的性能進行研究,地熱流體溫度為155℃時,該系統的熱效率和效率分別為6.2%和22.4%;當地熱溫度從140℃增加到155℃,該系統的氫氣產量由10.5 kg h提升到21.1 kg h。Ganjehsarabi H對地熱制氫系統中 ORC發電的工作流體性能進行分析發現,工作流體的沸點越高,ORC發電的效率越高。本文對當前地熱制氫系統的效率研究情況進行了統計,見表3。

由表3可見,單一的地熱發電制氫系統的熱效率通常較低。這是因為當地熱系統僅用于發電,則未利用的余熱比例較大。為了提升地熱的熱效率,通常采用多系統梯級利用地熱資源。Tekkanat B等人對地熱發電、 制氫、海水淡化等多功能組合的綜合利用系統的熱效率、效率和經濟性進行了分析評價,系統的熱效率和效率分別為59.53%和53.17%,均化能源成本為0.102 美元kW·h,地熱綜合利用系統的效率和成本優于地熱單一利用系統的效率和成本。

Rahmouni S等人將碳捕獲與地熱結合起來制氫,利用二氧化碳從地熱井中取出熱能進行發電,再利用電能進行水電解制氫,但成本較高。Hadjiat M M等人對低溫地熱資源制氫進行了研究,采用熱電發電機代替ORC進行發電,然后再利用水電解制氫,研究結果顯示,針對70℃的地熱資源,熱電發電機每單位面積(m2)的產量極低,氫氣產量0.565 2 kg a。目前, 這兩種地熱制氫方式還不具備經濟可行性,仍處于前沿探索研究。

2.2.2地熱制氫經濟性分析

20世紀90年代,冰島就開始了地熱制氫的可行性研究,生產系統的能量需求由水電和地熱聯合提供, 氫氣成本較汽油成本高約65%,液氫成本則比汽油成本高260%以上,不能與燃油價格競爭。因此,地熱制氫的經濟可行性相關研究對推動地熱制氫非常重要。許多學者進行了這方面的調查研究,現有地熱制氫經濟性分析過程中,對于制氫成本的考慮不盡相同,大部分熱經濟分析主要針對能耗成本,少數研究以地熱發電的經濟模型為基礎進行了總成本分析,包括能耗成本、投資成本、運行維護成本。當前地熱制氫系統成本分析研究的情況統計見表4。

Yilmaz C等人以規模為20 MW雙循環工藝地熱電廠為例,針對不同的地熱制氫系統經濟性進行評估, 當地熱溫度為200℃、電成本單價按0.06美元考慮時, 未預熱的ALK電解制氫的能耗成本為2.65美元kg H2,總成本為3.80美元kg H2;ALK水電解預熱至85℃時, 能耗成本略有降低,為2.38美元kg H2;高溫水電解制氫的能耗成本為1.53美元kg H2,總成本為2.60美元 kg H2。高溫水電解工藝具有更高的效率,所以成本更低。但是,目前高溫水電解工藝還未完全實現商業化, 其設備成本難估計,因此,針對地熱制氫的熱經濟和成本的分析探討,主要采用商業化的ALK、PEM制氫工藝。

對比能耗成本和總成本,能耗成本占總成本的比重較高,對于水電解制氫,能耗主要是用電耗能,因此,地熱制氫成本受電成本單價的影響較大。地熱制氫由地熱電廠供電,其電成本單價的主要影響因素包括:電廠成本(鉆井、地面建設、運行維護)、地熱資源品質(溫度、 流量等)以及地熱電廠的類型(單閃、雙閃、雙循環、混合循環等)。Yilmaz C等人對地熱制氫及其液化成本進行調查研究,地熱制氫成本受地熱水蒸汽的溫度和流量影響顯著,隨溫度的增加,制氫或氫氣液化的成本降低;隨著流量增加,制氫成本降低,地熱流體溫度越低。其他研究者也得到同樣結論,Yuksel Y E等人針對單閃+ORC發電,PEM制氫、熱水、供熱和制冷的多功能系統的效率和熱經濟性分析發現,當地熱溫度為 130℃時,制氫成本為4.8美元kg H2;地熱溫度增加到200℃時,制氫成本則降至1.1美元kg H2。Coskun A等人以土耳其屈塔西亞—錫馬夫地熱田(98~ 162℃)為例,對比分析了雙閃、雙循環、單閃+雙循環、KC循環發電的經濟性,4種地熱發電的成本分別為: 0.011 6、0.020 2、0.016 5、0.011 6美元kW·h。FiaschiD等人針對阿米亞塔山地熱田(212℃)和波馬蘭且地熱田(120℃),對不同地熱發電方式的經濟性進行分析研究,采用ORC循環和KC循環發電的經濟性研究結果為:212℃工況下,采用工質為R1233zd(E)的ORC循環的經濟性最佳,1 kW·h的成本為8.85歐分(約0.096 美元);120℃工況下,采用KC循環的經濟性最佳, 1 kW·h的成本為12.5歐分(約0.135美元)。

3認識與展望

本文回顧了地熱制氫技術的研究進展,對地熱制氫系統的熱效率、效率、熱經濟性以及制氫成本進行分析,獲得了如下認識。

1)基于現有的地熱開發技術,目前最具技術可行性的地熱制氫技術路線為地熱發電+水電解制氫。

2)地熱制氫成本受地熱資源品質的影響較大,地熱井流體溫度越高,流量越大,氫氣制取成本相對越低。

3)低溫地熱資源制氫成本較高,當前還不具備經濟性,地熱制氫宜優先選取中、高溫地熱資源。

4)利用高溫地熱制氫時,宜與其他地熱利用方式結合以實現熱能梯級利用,提升地熱利用率,降低整個系統的綜合成本。

中國西部地區位于地中海—喜馬拉雅高溫地熱帶, 具有豐富的高溫地熱資源,地熱開發潛力巨大,但當前應用最廣泛的地熱供暖模式并不適合于該地區,地熱制氫作為新興的地熱利用方式值得探索。近年來,中國持續推動氫能產業鏈的完善與改進,隨著制氫裝備技術的高速發展,在ALK方面已處于國際領先水平,制氫裝備成本降低,可靠性不斷增強。水電解制氫技術耦合高溫地熱進行地熱制氫將是具有發展潛力的新方式。