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氢能经济-机遇与挑战
发布于:2018-1-16 8:28:15    文字:【】【】【

·氢气与氢能经济

     所谓氢能经济是指所有以氢气作为能量载体的活动及其相关过程,它的全部周期包括氢气的制造,运输,储存,及使用供能。

     Robert Boyle1671年发现并描述了一种铁跟酸的化学反应,这个反应的产物之一便是氢气。直到1776年,氢气才被Cavendish认定为单一的物质,但是那时他称这种由金属跟酸反应生成的气体为“易燃的空气”。随着他对这种气体的进一步研究,他发现其燃烧后的生成物是水。根据这一特性,在1783年,Antoine Lavoisier,命名其为Hydrogen,源自希腊语:水的创造者。至此,“燃烧的空气”正式命名为“氢气“。

     目前,氢元素是已知的分布最为广泛的元素之一,大约90%的原子中含有氢元素,占据了我们已知的宇宙四分之三的元素质量。氢原子是自然界中最轻最简单的物质,位列元素周期表第一。氢分子在标准环境温度,标准气压下是无颜色,无气味,无味道的双原子气体。氢气虽然无毒,但在某些情况下,会由于它置换掉空气中的氧气而造成窒息危害。 

表格 1 氢元素物理特性

原子数:

1

原子半径:

78 pm

原子符号:

H

熔点:

-259.34 0C

原子重量:

1.079

沸点:

-252.87  0C

电子配置:

1S1

氧化态:

1-1

标况密度:

0.08988 g/L

摩尔热容:

28.836 J/mol.K

     基于表格1中氢元素的物理特性,科学家们发现了氢气的诸多优点,包括重量轻,性质稳定,单位质量能量含量高,无污染排放等。这些特性使得氢气成为在未来最有希望代替传统化石燃料的能量来源。目前氢气主要应用于化工产业,但在不久的将来,随着可再生能源的发展,燃料电池系统的部署与普及,氢气的广泛民用化以及多元化应用将成指数倍的增长。

     1是氢能经济的结构示意图,图中展示了氢气使用的整个生命周期。首先氢气不是一次能源,它不存在于自然界中,需要被生产制造出来。换句话说,氢气是一种能源的载体,跟电一样,通过吸收外部能量而形成。当氢气被制造出来后,需要被传输到需求氢气的地方,这就涉及到氢气的封装,存储,和运输的相关过程。最终,氢气到达其使用端。


1 氢能经济

·氢气的制造

     制造氢气的原材料有很多种,如图2,这种多样性增强了氢气制造的地域适应性,同时使分布式制氢成为可能。在述求可持续化发展,倡导可再生能源,以及拥有逐渐成熟氢燃料电池技术的今天,制氢的多样性和可持续性无疑将为社会的发展保驾护航。

 

2 全球用于制造氢气的原材料分布

     如图2所示,目前大规模制氢的原材料还是以碳氢化合物,即化石燃料为主,其中天然气是目前制氢产业最大的原材料来源。主要制氢手段为蒸汽重整技术,根据原料物理特性的不同采取不同的实现方式,其方式间的区别包括以下3个方面:热力学过程(吸热反应或放热反应),催化处理过程(催化反应或非催化反应),以及氧化处理过程(氧化反应或非氧化反应)。

     美国国家可再生能源实验室(NREL)曾经对天然气蒸汽重整制氢过程进行过生命周期分析(life cycle assessment),意在详细分析这种制氢方法对环境的影响,分析过程包括对蒸汽重整过程中温室气体释出量的量化处理分析。结果显示,通过天然气蒸汽重整技术,每1kg的氢气生成,会伴随着等同于11.89 kg二氧化碳的温室气体排放到大气中。这其中,25%的排放来自于天然气的采集,制造,与运输过程;2.3%来自于制氢过程所需电力的生产过程;0.4%来自于设备建造与更新过程;然后剩下的74.8%全部来自于制氢平台的操作与生产过程。

     除去上述的空气污染,天然气蒸汽重整制氢过程也伴随着相应的液体污染与固体污染。液体污染为制造1kg氢气伴随着0.19g液体污染物,这些污染绝大部分来自于生产建造材料以及管道材料的过程。固体污染物为杂项非污染排放,相较上述两种排放,其对环境的污染影响最小。

     综上所述,氢气经由化石原料重整而来的过程会对环境造成一定影响。目前,水电解制氢可最小化制氢过程中污染物的排放,同时提高氢气的纯度,但其略高的制氢成本以及不高的能量转化效率使得其市场占有率不高。然而,水电解制氢在利用可再生能源领域,以及精密制造用氢领域有着绝对的优势。在未来可再生能源大规模应用的情况下,水电解制氢有望成为主流制氢手段。

     水电解制氢也有其需要克服的技术难题。首先,可再生能源如风能,太阳能,以及潮汐能等由于其能量收集的特殊性和时效性,其所产电能无法有效的并入电网使用,从而出现“弃风弃光弃水”的现象。其次,可再生能源的输入具有波动性,这会给传统的水电解设备造成不小的麻烦,包括不稳定的设备容量利用率,以及恶化的能源转换率。

     目前,对这些技术难题最好的解决办法是ag环亚官网的可变容量水电解装置,该装置根据可再生能源的特性,采取了可变容量的设计,使其能完美适配风能,太阳能等的不稳定性,大幅增加了设备的使用效率,最终实现提高产氢效率的目的。于此同时,ag环亚公司将水电解制氢技术与氢燃料电池技术相结合,高效地利用其电解设备所制的氢气,实现了氢气制造与应用的可持续发展。

·氢气的储存

     氢气的储存技术主要分为物理存储与化学存储两大类:物理存储是指通过压缩,液化等手段将氢气分子存储起来;化学存储则是指将氢化物存储起来,然后通过化学手段将其转化为氢气使用。目前主流的氢气储存手段包括以下3种:

1)  压缩氢气(CGH2),存储于压力氢气罐中;

2)  液态氢气(LH2),存储于低温氢气罐中;

3)  氢浆,存储于低温氢气罐中。

表格2和表格3分别列举了气态氢气与液态氢气存储的特性,潜在危害,以及相应的对策:

表格 2 气态氢气存储

特性

潜在危害

对策

无色,无臭,无味

难以被人类感官检测

检测传感器

低粘度

非常小的原子

泄漏

脆化某些金属; 可导致结构失效

泄漏检测系统

通风

特殊材料的选择

低能量密度(按体积算)

需要在高压下存储

存储容器设计

卸压装置

置换空气中的氧气

在有限的空间内积累会造成窒息

通风

泄漏检测系统

易燃范围广(氢气与空气的体积比)

宽广的易燃浓度范围;任何泄露都值得关注

通风

泄漏检测系统

 

表格 3 液态氢存储

特性

潜在危害

对策

最小点燃能量低

很小的能量便可以被点燃

通风

接地

远离可能的着火源

点燃呈现淡蓝色的火焰并且没有烟生成,在阳光下几乎不可见;低热辐射

意外燃烧时不易被察觉

泄漏检测系统

火焰探测器

低液化温度(-253

低温灼伤/肺损伤

泄漏检测系统

个人保护设备

液态到气态的相变速率快

体积迅速膨胀引起爆炸

卸压装置

通风

·氢气的使用

     氢能经济的最后一个环节是氢气的使用,目前氢气主要用于化工产业,其安全保护措施以及相关操作守则已经相对完善和成熟。除了化工工业,氢气也逐渐被大众认识并接受其为一种能源载体,它拥有极高的摩尔热容,单纯用作燃料也有较好的表现。与此同时,高纯度氢气,可直接用于氢燃料电池的属性,极大的缓解了“弃风弃水弃光”的问题,以及最大程度上地提高了可再生能源的利用率。

     也许很多人认为氢气是一种很危险的燃料,其实不然。图3对比了氢气泄漏点燃与传统汽油泄漏点燃的情况。如图3所示,由于氢气的低质量特质,当泄漏发生时,氢气是往上方逸散的,即便被引燃也不会造成大规模的爆炸现象。反观汽油泄漏引燃的情况,由于汽油的高密度,泄漏的油会向下蔓延,当被引燃后,会灼烧其上方的物体从而造成不可挽回的损失。虽然氢气无色无味无臭,在没有氢气传感器的情况下,泄漏很难被人察觉。但其实这个问题并不难解决,氢气绝对不是唯一无色无味无臭的气体,常态下的天然气实际上也是无色无味无臭的,为了防止泄漏时不易被察觉,人为的加臭而增加了其安全性。综上所述,氢气的运输及使用过程中的安全性并不低于目前使用的汽油。


3 氢气泄漏引燃V.S.汽油泄露引燃 (图片来自网络)

     氢能经济需要制氢,运氢,用氢相结合,它被认为是未来终极的能源解决方案。目前,人类仍须在可再生能源技术,燃料电池技术,以及环境保护技术上不断的探索,付出努力。

脚注信息
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