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利川品茶外卖海选工作室,氢能源为经济社会发展注入强劲动力(开卷知新),技术,氢气,制氢
2024-06-09 07:02:23
利川品茶外卖海选工作室,氢能源为经济社会发展注入强劲动力(开卷知新),技术,氢气,制氢

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作为能源,氢的优势十(shi)分突出。一(yi)是,氢元素(su)分布广泛,约占宇宙物质总量的81.75%,在地球水(shui)体中储量丰富;二是,氢气的燃烧热值高,是汽(qi)油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭(tan)的4.5倍;三是,氢气燃烧的产物只有一(yi)种——水(shui)。来源丰富,能量密度高,清洁无污染,集三重优势于一(yi)身,在倡(chang)导绿(lu)色发展的今天,氢能源的开发与利用受到前所未有的重视。

近年来,我国氢能技(ji)术及产业快速发展:首列氢能源市域(yu)列车完成达速试跑(pao),海水(shui)直(zhi)接(jie)制氢技(ji)术在福建海试成功,《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》《氢能产业标准体系(xi)建设指南(2023版)》等陆(lu)续推出……氢能作为清洁能源,为经济社(she)会发展注入强劲动力,也成为深受关注的科(ke)技(ji)话题。

既是清洁能源,也是“多(duo)彩”能源

氢元素(su)并不等于氢能源。从人类利用氢能的广义角度来看,太阳质量的72%是氢,它几(ji)十(shi)亿(yi)年来通过持续不断的热核聚变,把氢中的能量转换(huan)成光(guang)能,源源不断地送达地球,驱(qu)动地球上的物质循环(huan)与能量循环(huan),孕育了地球上的生命。而我们日常生产生活中用到的氢能,主要是氢和(he)氧进行化学反应释放出的化学能。

数百年来,人类从未停止对低能耗、低成本氢能制取技(ji)术的探(tan)索。因为地球上的氢元素(su)只占地球总质量的0.76%,其中氢单质,也就是氢分子的赋存更是极(ji)其稀少,所以人类无法像勘探(tan)开采石油和(he)煤炭(tan)那样(yang)轻易找(zhao)到“氢矿”,而要通过科(ke)技(ji)手(shou)段来制取氢气。19世纪(ji)后,氢燃料动力火箭把人类带入瑰丽的太空,氢燃料电池技(ji)术的出现则让“氢—电”直(zhi)接(jie)转换(huan)成为可能。直(zhi)到今天,科(ke)学家仍(reng)在努(nu)力将(jiang)地球上的太阳能、风能、海洋能等可再生能源,再度转化为氢这一(yi)清洁、高密度的能源形式。

氢能是“多(duo)彩”的。根据不同制取方式,氢能可分为绿(lu)氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。其中,灰氢来自煤炭(tan)制氢、天然气制氢、工业副(fu)产氢气,属于直(zhi)接(jie)制氢,成本较低,但(dan)需要消耗煤、天然气等化石能源,会产生大量二氧化碳。目(mu)前,灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则是在灰氢基础上,将(jiang)制备过程中排放的二氧化碳副(fu)产品捕(bu)获、利用和(he)封存,更加环(huan)保。紫氢是利用核能进行大规模电解水(shui)制氢。近年来,地质学家还发现了金氢,它由地下(xia)水(shui)与地下(xia)橄榄石(一(yi)种呈绿(lu)色的镁铁硅酸盐)等矿物相互作用,使水(shui)被(bei)还原为氧气和(he)氢气。在这一(yi)过程中,氧气与矿物中的铁结(jie)合,氢气则逃逸到周围的岩石中,并利用地下(xia)矿石的石化过程不断再生氢气。金氢因其地质储藏勘测和(he)开采难度极(ji)大,目(mu)前尚未得到充(chong)分开发利用。

最为重要的绿(lu)氢,是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电,再利用这些清洁电能,以电解水(shui)方式制取氢气。绿(lu)氢在制取过程中基本不产生温室气体,是目(mu)前氢能发展的主要趋势。放眼世界,绿(lu)氢成为各国清洁能源转型(xing)的重要一(yi)环(huan),不少国家出台了相关政策,鼓励建设大规模绿(lu)氢供(gong)应链(lian)。2023年8月,我国首个万吨级光(guang)伏发电直(zhi)接(jie)制绿(lu)氢项目(mu)——新疆库车绿(lu)氢示范项目(mu)全面建成投(tou)产,每年可生产2万吨绿(lu)氢,减少二氧化碳排放约48.5万吨。

创新“开采”方式,向海洋要氢

进入21世纪(ji),氢能应用场景更加广泛。从汽(qi)车到船舶,从工厂到家庭,氢能出现在社(she)会生产生活各个方面,不少大型(xing)城市开始兴建加氢站等基础设施,氢能源技(ji)术与产业得到大规模推广。中国作为氢能生产大国和(he)使用大国,有力推动氢能发展。在交通领域(yu),2022年我国氢能源汽(qi)车保有量首次突破万辆,预(yu)计到2025年有望(wang)增至10万辆。

在旺盛的需求引导下(xia),绿(lu)氢制取的成本大大降低。目(mu)前,绿(lu)氢主要通过电解水(shui)来制取,成本的80%来自电解过程的能耗。根据工作原理、温度以及所用电解池材料的不同,电解水(shui)制氢可分为碱性电解水(shui)、质子交换(huan)膜电解水(shui)、高温固体氧化物电解水(shui)3类。碱性电解水(shui)技(ji)术成熟(shu)度较高,具有成本优势,是现有大规模绿(lu)氢工程项目(mu)的主要方案。质子交换(huan)膜电解水(shui)技(ji)术效率高于碱性电解水(shui),系(xi)统集成简单,但(dan)需要使用贵(gui)金属铂、铱(yi)等作为催化剂,目(mu)前设备成本约为碱性电解水(shui)的3倍,未来需通过新型(xing)催化剂的开发和(he)膜电极(ji)制备技(ji)术的发展提升性价比。高温固体氧化物电解水(shui)技(ji)术,则是在500—800摄氏度高温下(xia),将(jiang)电能和(he)热能转化为化学能(氢能),氢气被(bei)高效地分离(li)出来,被(bei)认为是理论效率最高的电解水(shui)制氢技(ji)术。综(zong)合来看,发展新型(xing)电解质材料、提高关键材料寿命、优化工作温度成为电解制氢技(ji)术的发展方向。

新的制取方式也在开发中。其中,海水(shui)直(zhi)接(jie)电解制氢技(ji)术和(he)海上风电技(ji)术备受关注。未来绿(lu)氢的大规模生产,与风能、太阳能等可再生能源相耦合是关键。特(te)别是在海上风电发展迅速,海水(shui)资源颇为丰富(地球水(shui)资源总量的97%)的背景下(xia),利用海水(shui)直(zhi)接(jie)电解制氢技(ji)术和(he)海上风电技(ji)术向海洋要氢,成为绿(lu)氢制取的重要方向。这就像在大海上建起一(yi)座座“氢矿”,产出的绿(lu)氢可直(zhi)接(jie)通过海上油气管道等进行远距离(li)运输,提供(gong)了大量氢能。

实现海水(shui)直(zhi)接(jie)制氢的设想(xiang),要迈过不少技(ji)术门槛。电解海水(shui)制取氢有两种方式:一(yi)是淡化海水(shui)至纯水(shui)再制氢,技(ji)术复杂、成本高,难以规模化生产;二是海水(shui)直(zhi)接(jie)电解制氢,难点在于海水(shui)成分复杂,对设备中的催化剂、电极(ji)、隔膜要求很高。经过长期攻关,我们尝试用物理力学方法,在一(yi)种透(tou)气不透(tou)水(shui)的“膜”作用下(xia),把海水(shui)里的水(shui)汽(qi)“抽”出来,隔绝海水(shui)中的杂质离(li)子,从而使水(shui)汽(qi)成为电解制氢用的“纯水(shui)”,向电解液补水(shui)。2022年11月,这一(yi)成果发表(biao)在《自然》杂志,后被(bei)科(ke)技(ji)部评为2022年中国科(ke)学十(shi)大进展之一(yi)。未来,海水(shui)直(zhi)接(jie)制氢有望(wang)开辟氢能源技(ji)术和(he)产业化新赛道。

储用结(jie)合,丰富利用手(shou)段

解决了氢能的来源和(he)制取成本问题,就要考虑如(ru)何把氢能送达各类应用场景并创新氢能利用方式。储存和(he)运输,始终是人类能源利用的技(ji)术课题。氢气密度小、易燃烧,因而储运成本高,存在安全风险,长期以来影响着氢能利用。为此,科(ke)学家们正尝试将(jiang)氢转化为易储易运的氨或甲醇,进而实现绿(lu)氢大规模应用。比如(ru),以经典的哈伯—博施工艺(yi)借助氮气及氢气制取氨气,或利用新兴的电化学常压低能耗合成氨技(ji)术,实现“氢氨融合”,丰富了化肥、工业等传统用氨行业及绿(lu)氨掺混发电、绿(lu)色船用燃料等下(xia)游新兴领域(yu)的能源供(gong)给(gei)。另外,利用绿(lu)氢和(he)二氧化碳合成绿(lu)色甲醇,也能实现氢能整体的全周期近零(ling)排放。目(mu)前全球市场对绿(lu)色甲醇、绿(lu)氨、生物柴(chai)油等绿(lu)色清洁液体燃料需求巨大,相关产业总产能有待进一(yi)步提高,绿(lu)色清洁液体燃料前景广阔,有望(wang)成为更具经济性的绿(lu)氢消纳利用新路径。

除了作为化工原料(如(ru)石油炼化、合成氨、合成甲醇)和(he)工业工艺(yi)气体(如(ru)钢铁、半导体行业还原剂)等传统使用方式外,绿(lu)氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池是目(mu)前被(bei)广泛看好的氢能利用路线。氢燃料电池汽(qi)车具备零(ling)排放、零(ling)污染、无噪声(sheng)、补充(chong)燃料快、续航能力强等优势。2022年北(bei)京冬奥会期间,超过1000辆氢能源汽(qi)车投(tou)入使用,并配(pei)备了30多(duo)个加氢站,这是迄(qi)今为止氢燃料电池汽(qi)车在全球最大规模的集中示范运营。

在新技(ji)术加持下(xia),氢能交通工具可以实现风、光(guang)、水(shui)到氢再到水(shui)的“无碳物质闭环(huan)”,构(gou)成绿(lu)色发展的一(yi)次次清洁能量循环(huan)。比如(ru)氢能源市域(yu)列车,以每天500公里里程计,每年大约可减少10余吨二氧化碳排放。未来,氢能大巴、氢能重卡、氢动力船舶、氢动力无人机(ji)等都可能出现,氢能交通工具也有望(wang)与其他新能源交通工具一(yi)道,构(gou)筑(zhu)城乡发展的运力网络(luo)。

展望(wang)未来,在实现“双碳”目(mu)标的过程中,氢能源将(jiang)在交通、工业、建筑(zhu)、电力、国防、航空航天等领域(yu)发挥更大作用。这需要科(ke)研工作者和(he)一(yi)线企业共(gong)同努(nu)力,开发氢能制取、储存、运输、利用等一(yi)系(xi)列新技(ji)术。时不我待,元素(su)周期表(biao)上的第(di)一(yi)个名字,还有许多(duo)奥秘(mi)等待我们去探(tan)索发现。

(作者为中国工程院院士、深圳大学特(te)聘教授)

推荐读物

《氢能:21世纪(ji)的绿(lu)色能源》:毛宗(zong)强编著;化学工业出版社(she)出版。

《氢的传奇:人类的伟大发现》:约翰(han)·里格登著,傅川宁译;外语教学与研究出版社(she)出版。

《煤炭(tan)碳中和(he)战略与技(ji)术路径》:谢和(he)平、任(ren)世华、吴立新著;科(ke)学出版社(she)出版。

发布于:北(bei)京市
版权号:18172771662813
 
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