【Applied Energy最新原创论文】光伏、光热与煤气化耦合的近零碳排放制氢系统的提出与评估

(1) 提出并评估光伏、光热与煤气化耦合的近零碳排放制氢系统

(2) 能量效率和㶲效率分别提高了6.33和6.64个百分点

(3) 碳捕集率提高了27.45个百分点，达到99.99%

(4) 氢气化学能增加了20.86%，达到997.69MW

为助力实现“2030碳达峰、2060碳中和”目标，本研究在聚光太阳能与煤清洁、高效协同转化的基础上重点解决CO2排放的问题，提出了一种光伏、光热与煤气化相耦合的近零碳排放制氢系统，搭建了1 kW高温固体氧化物电解水实验台并开展关键过程实验验证，为太阳能与煤炭的热化学互补利用提供了一种清洁、高效且近零碳排放的新方案。

Significant attention has been given to achieving near-zero carbon emissions via the efficient and clean synergistic conversion of solar energy and coal. This study proposes a system for hydrogen production coupled with photovoltaic, photothermal and coal gasification. Its distinctive feature lies in the combustion of residual purge gas, obtained after separating hydrogen from hydrogen-rich synthesis gas, with pure oxygen from electrolyzed water. Combustion with pure oxygen results in carbon dioxide and steam as the only products, enabling carbon dioxide separation and capture through simple condensation, thereby achieving near-zero carbon emissions. The findings indicate that the overall system achieves exergy and energy efficiencies of 38.47% and 36.66%, respectively, representing enhancements of 6.64 and 6.33 percentage points over the baseline system. In the near-zero emissions system, hydrogen chemical energy is 997.69 MW, which is an increase of approximately 20.86% over the 825.46 MW produced by the baseline system. Furthermore, to validate the feasibility of oxygen and hydrogen production through water electrolysis, a 1 kW high-temperature solid oxide electrolysis experimental platform is constructed to carry out the experimental research. The experimental results reveal that within the electrolysis temperature range of 650–800°C, as the current density increases from 0.03 to 0.56 A/ cm2, the electrolysis voltage of a single-cell stack increases from 0.96 V, 0.94 V, 0.93 V, and 0.89 V to 1.96 V, 1.75 V, 1.69 V, and 1.69 V. Additionally, the conversion rate of the water electrolysis reaction also increases. This work provides a clean, efficient, and near-zero carbon solution approach for the thermochemical complementary use of coal with solar energy.

Keywords

Hydrogen production

Supercritical water coal gasification

Near-zero carbon emissions

Thermochemical complementarity

Solid oxide electrolysis cell

团队介绍：

本研究由天津商业大学、中国科学院工程热物理研究所的研究人员共同完成。

第一作者简介：

薛晓东，博士，天津商业大学讲师，优秀博士学位论文获得者。主要从事能源清洁高效利用、综合能源系统集成与优化、电解水制氢等研究工作，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目和国家科技重大专项资助项目等。在Applied Energy、Energy Conversion and Management、Energy和Applied Thermal Engineering等国内外高水平期刊发表论文15篇，其中SCI收录9篇（一作/通讯6篇），EI收录3篇（一作/通讯2篇），申请发明专利11项，授权实用新型专利9项。担任Energy Conversion and Management、Journal of Cleaner Production、《中国电机工程学报》等国内外知名期刊审稿人。

通信作者简介：

王誉霖，博士、天津商业大学副教授、硕士研究生导师，天津市杰出青年科学基金获得者，研究方向为新能源汽车燃料电池技术、电解水制氢技术、多孔介质传热传质及两相流、数据中心冷却技术、热电转换以及分布式综合能源系统优化。发表学术论文100余篇，以第一或通讯作者发表SCI论文55篇，多篇入选ESI高被引和热点论文。主编专著1本，受邀主编英文专著1章。申获专利11项。主持项目10余项，包括国家重点研发计划重点专项课题任务，国家自然科学基金项目，京津冀基础合作项目等，担任中国内燃机学会储能技术分会委员，多个SCI期刊客座编辑和青年编委，荣获天津市可再生能源学会科学技术一等奖以及Energy Reviews 优秀青年编委等。

韩巍，博士，中国科学院工程热物理研究所研究员、博士研究生导师。主要从事可再生能源与化石燃料互补利用机理与方法、综合能源系统集成优化与关键技术研发、新型太阳能热发电技术、化石能源低碳利用等研究工作。 主持或参加了国家自然科学基金项目、国家高技术研究发展规划项目（863）、国家重点基础研究发展规划项目（973）、国家重点研发专项等20余项。在国内外发表科研论文100余篇，其中被SCI检索50余篇，获得国家发明专利20余项。

本期小编：何意；审核人：薛晓东

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