對比研究法也是本文的重要研究方法之一。將甲醇制氫技術與其他常見制氫技術,如水電解制氫、天然氣重整制氫等進行多方面對比。在成本對比中,綜合考慮原料成本、設備投資、運行維護成本等因素,分析不同制氫技術在不同規模下的成本差異;在技術性能對比中,比較各種制氫技術的氫氣純度、制氫效率、反應條件等關鍵指標。
在光伏發電過剩時,利用電能電解水制氫,再將氫氣轉化為甲醇儲存;在能源需求高峰或光伏發電不足時,通過甲醇制氫滿足能源需求,實現能源的時空轉移和互補利用。內容上,本文創新性地對甲醇制氫現場運用中的安全管理與風險防控進行了深入研究。
甲醇制氫主要通過甲醇水蒸氣重整、甲醇部分氧化以及甲醇裂解等化學反應實現,這些反應在特定的條件下進行,各有其特的反應機理和特點。甲醇水蒸氣重整制氫是目前應用較為廣泛的一種方法,其反應方程式為:(CH_{3}OH + H_{2}O rightleftharpoons 3H_{2} + CO_{2}),(Delta H^{0}= + 131kJ/mol) ,這是一個吸熱反應 ,需要外界提供熱量來推動反應的進行。
在實際反應過程中,甲醇與水蒸氣的混合氣體在一定的溫度(通常為 200 - 300℃)壓力(1 - 5MPa)條件下,通過裝填有催化劑的反應器。常見的催化劑有銅基催化劑,其活性中心能夠吸附甲醇和水蒸氣分子,使它們在催化劑表面發生活化。甲醇分子在催化劑表面發生裂解,生成一氧化碳和氫氣(rightleftharpoons CO + 2H_{2})。
因此需要選擇合適的催化劑和優化反應條件來抑制副反應的發生。甲醇裂解制氫的反應方程式為CH_{3}OHrightleftharpoons CO + 2H_{2}),Delta H^{0}= + 90.7kJ/mol),同樣是吸熱反應。在高溫和催化劑的作用下,甲醇分子中的化學鍵斷裂,分解為一氧化碳和氫氣。
該反應相對簡單,但由于產物中一氧化碳含量較高,而一氧化碳會對后續的氫氣應用,如燃料電池的使用產生不利影響,因此通常需要對產物進行進一步的處理,如通過一氧化碳變換反應將一氧化碳轉化為二氧化碳和氫氣,以提高氫氣的純度和質量 。
傳統的高壓氣態儲氫需要將氫氣壓縮至的壓力(通常為 35MPa 或 70MPa),這不僅需要昂貴的壓縮設備和高壓儲存容器,而且存在較大的安全風險 。液氫儲存雖然能量密度高,但需要將氫氣冷卻至 - 253℃的低溫,能耗,儲存和運輸成本高昂,且對儲存設備的絕熱性能要求。
相比之下,甲醇在常溫常壓下為液體,其密度約為 0.79g/cm3 ,便于儲存和運輸。它可以利用現有的液體燃料儲存和運輸基礎設施,如油罐車、管道等,大大降低了儲存和運輸成本。
目前,我國甲醇產能世界前列,煤炭、天然氣等化石能源均可作為甲醇的生產原料,使得甲醇的供應充足且成本可控。而傳統的水電解制氫,由于其耗電量,電價在制氫成本中占比高達 70% - 80%,導致制氫成本居高不下 。