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氢能生长历程与氢燃料电池工业链梳理【亚博APP安全有保障】

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本文摘要:为什么世界科学家对氢能如此重视?氢燃料电池汽车真的会替代电动电池车吗?“终极能源”之称是媒体炒作的噱头还是确会如此?“21世纪初叶人类正面临的两大危机:一是人为因素导致的气候变化是真实存在的,至21世纪末,气温的升高将会出现一个相当大的幅度,并将会给人类、动物、植物以及人类文化遗产带来灾难性的结果。

为什么世界科学家对氢能如此重视?氢燃料电池汽车真的会替代电动电池车吗?“终极能源”之称是媒体炒作的噱头还是确会如此?“21世纪初叶人类正面临的两大危机:一是人为因素导致的气候变化是真实存在的,至21世纪末,气温的升高将会出现一个相当大的幅度,并将会给人类、动物、植物以及人类文化遗产带来灾难性的结果。二是传统化石能源或核能源燃料被少数几个国家寡头垄断的情况正不停加剧,这倒霉于大多数国家使用能源。解决上述问题的方案不少,可是氢能为最优方案,它将为人类提供足够的清洁能源。

”——摘自国际氢能科学家于2006年11月13日联名向八国团体向导人以及团结国相关部门卖力人提交的《百年备忘录》为什么世界科学家对氢能如此重视?氢燃料电池车真的会替代电动电池车吗?“终极能源”之称是媒体炒作的噱头还是确会如此?对此,国际技术经济研究所将推出氢能专题系列,从氢能工业链、氢燃料电池与电动电池的对比、主要国家氢能生长现状这三个维度对氢能源生长做详细梳理。作为专题系列的第一篇,本文将首先从能源生长史和能源全生命周期的角度,探讨氢能被誉为“终极能源”的原因。

接下来,本文会系统性地先容氢能使用的生长历程,以及当前氢能工业链的情况。一、作甚氢能?氢(H),在元素周期表中位于第一位,广泛存在于自然界。

氢能是指氢和氧举行化学反映所释放出的化学能,是一种清洁的二次能源,具有泉源广、燃烧热值高、能量密度大、可储存、可再生、可电可燃、零污染、零碳排等优点,被誉为21世纪控制地球温升、解决能源危机的“终极能源”。二、氢能:未来能源的主角在《百年备忘录》里,世界科学家认为氢能是控制地球温升、解决能源危机的最优方案,不仅仅因为氢能的用途广泛,可涉及到传统能源的方方面面,也源于氢能自己所具有的很是优秀的储能属性。此外,无论是从能源生长历史的角度还是氢能生命周期的角度去分析,氢能源都将会是未来能源的主角。

1能源生长史:减碳增氢人类能源的生长史也是一部生产力生长史。从不蓬勃社会使用收集的牲畜粪干、秸秆茅草,到今天使用的石油、煤炭、天然气能源,人类社会的生长是随着能源的进步而进步的。

我们对能源生长史举行仔细研究可以发现一些纪律:(1)从差别时期主要能源的形态变化来看,煤炭等是固体,石油为液体,而天然气为气体,能源更替的历史是从固体到液体到气体的历程,而氢气就是跟天然气一样的气体。能源更替史(2)从差别时期主要能源的碳氢比例变化来看,煤炭、柴薪碳氢比为1:1,石油碳氢比为1:2,天然气碳氢比为1:4,碳氢比越来越高,能源的转化历史就是减碳增氢的历程,而氢气的碳氢比是正无穷。燃料中的碳氢比2氢能生命周期:与电一样的能源载体从氢能生命周期的角度来看,只要有水,有太阳能、光能、核能、电能等一次能源或者二次能源,就可以制成氢气。

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氢气的用途很是广泛,无论是发电、发烧还是用作交通燃料,最后氢气又会与氧化物反映生成水。氢就像个能源载体,跟电一样的能源载体,将地球上的能量源源不停地应用到人类生活的方方面面。另外,只要制氢的能量泉源是可再生能源,那么整个氢能的生命周期也将是清洁环保可连续的。

可以预测,我们未来社会主要的能源供应将会是电和氢。氢能的生命周期从氢能的生命周期也可以看出氢能源的特点:(1)泉源广,不受地域限制;(2)可储存,适应中大规模的储能;(3)可再生能源桥梁,可以将其酿成稳定能源;(4)零污染, 零碳,是控制地球温升的主要能源;(5)氢是全能的能源:可发电、可发烧,也可用作交通燃料。3氢是优秀的储能介质氢作为储存不稳定能量的介质,具有巨量的(GW级)能量储存容量和恒久放电连续时间,一直被视作太阳能、风能等不稳定可再生能源的桥梁。

尤其是对比超级电容器、电池、压缩空气等常见的储能载体,氢气在储存容量和充电时间上的优势很是显着。几种差别储能载体的容量和放电时间对比从比能量的角度来看,氢的比能量险些是汽油的三倍。

此外,氢能的储存险些不受所在的限制,不像水电站和核电站在选址上难题重重。因此氢作为一种优秀的储能介质,很是适合应用于大中规模的储能。石油、柴油、天然气和氢的比能量对比三、氢能技术的生长历程世界上许多国家都将氢能作为战略性能源来生长。

早在20世纪70年月,美国就乐成地将燃料电池应用于双子星五号太空船和阿波罗号宇宙飞船上,成为第一个实现氢能源技术应用的国家。然而20世纪末期至21世纪初期,因成本问题,氢能源技术的生长近乎停滞。直到2014年日本燃料电池技术的突破,再加上石油、煤炭等一次能源的储量逐渐淘汰导致能源紧缺,各国构建“氢能社会”的愿景才又被重拾,氢能源也重新受到重视。如今从国家层面来看,日本是氢能源生长最为努力的推动者;从市场实践层面来看,交通领域是全球氢能技术应用的“领头羊”。

四、氢能源工业链氢能工业链包罗制氢、储存、运输以及氢气使用。其中,制氢是基础,储存和运输是氢气使用的焦点保障。

氢能工业链氢能工业链的上游是氢气的制备环节,主要技术方式有化石能源制氢、副产制氢、可再生能源制氢、电解水制氢以及光解水制氢等;中游是氢气的储运环节,主要技术方式包罗低温液态、高压气态和金属氢化物储氢等;下游是氢气的应用,氢气应用可以渗透到传统能源的各个方面,包罗交通运输、工业燃料、发电发烧等,主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。1制氢制氢的方法很是多,无论是一次能源还是二次能源都可以制氢。现在来看,我国是最大的氢气生产国,在2015年生产了2200万吨氢气,占世界产量的34%,其中96%的氢气来自化石能源制氢,剩下的4%则来自水电解制氢。

值得一提的是,氢气与电力是可以相互转化的,太阳能、风能、水能等可再生能源可先转化为电力再通过电解水来制氢,而发生的氢气反过来也可以通过发生化学反映释放化学能再来发电。从这里也可以看出,氢气是一种储能介质,甚至可以看作是与电一样的能源载体。多种多样的制氢方式从制氢的能量泉源来看,化石燃料制氢是我国主导的制氢方式,技术成熟、成本低而且已“有利可图”,但不行连续、不环保,违背了氢能作为清洁能源的本质。而多种化工历程如煤化工、电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气,技术成熟、成本低且对情况友好,也是我国制氢的一大特色。

另一方面,可再生能源的间歇性导致弃风、弃水、弃光现象十分严重,如果使用弃水、弃风、弃光、弃核等可再生能源来电解水制氢,不仅可解决弃电问题,还能反过来使用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性,而且整个历程清洁环保,险些不发生二氧化碳。除此之外,太阳能还可以通过光解水直接制氢,只需要将太阳光照在加了二氧化钛(催化剂)的水里就可以发生氢气,可是这种光解水制氢的效率很低,现在只有6%,而要到达10%左右才可以实现工业化,因此还无法大规模应用。资料泉源:网络,国际技术经济研究所整理从制氢的成原来看,对比几种主要制氢技术的成本,煤气化制氢的成本最低,为1.67美元每千克,其次是天然气制氢2.00美元每千克,甲醇裂解3.99美元每千克,成本最高的是水电解,到达5.20美元每千克。相对于石油售价,煤气化和天然气制氢已有利润空间,电解水制氢成本仍高屋建瓴。

主要制氢技术成本对比(美元/千克)(泉源:华创证券)从可连续生长的角度来看,制氢历程中的情况友好水平决议了氢气是否可作为清洁能源。煤气化制氢和天然气重整制氢只管成本较低,但二氧化碳排放量划分高达193kg/GJ和 69 kg/GJ,两者都不能从基础上解决能源与情况的矛盾问题。而电解水制氢只管现阶段来看成本还不够理想,但整个生产历程是可连续和低污染的,尤其是使用弃水、弃风、弃光、弃核等可再生能源来电解水制氢,二氧化碳排放远低于煤气化制氢和天然气重整制氢,将会是以后制氢的主流技术。

制氢成本与石油天然气售价对比(元/千克)(泉源:华创证券)2储氢氢是所有元素中最轻的,在常温常压下为气态,密度仅为0.0899 kg/m3 ,是水的万分之一,因此其高密度储存一直是一个世界级难题。现在常用的储氢方法主要有四种:高压气态储氢、低温液态储氢、固体质料储氢以及有机液体储氢。

高压气态储氢高压气态储氢,是一种物理储氢方法,也是现在最常用而且生长比力成熟的储氢技术。其储存方式是接纳高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。现在所使用的容器是钢瓶,它的优点是结构简朴、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。可是也存在体积蓄氢密度低、宁静性能较差等缺点。

现在钢瓶所能到达最高的体积比容量仅有25g/L,远低于美国能源部(DOE)的目的体积蓄氢容量70g/L。为了保证宁静性,现在国际上主要接纳碳纤维钢瓶,可是碳纤维质料价钱很是昂贵,只可以作为过渡阶段使用,并非是理想的恒久储氢选择。

储氢钢瓶剖解示意图低温液态储氢液态氢的密度是气体氢的845倍,液态氢的体积能量密度也比压缩状态下的气体氢横跨数倍。如果氢气能以液态形式存在,那储运起来将极其简朴宁静,且体积占比小。

但事实上,要把气态的氢酿成液态的并不容易,液化1kg的氢气需要耗电4-10 kWh,液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器。因此低温液态储氢是一种不太经济的储氢方法,仅适用于不太计算成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。固体质料储氢固体质料储氢主要是使用氢气与储氢质料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来举行氢气储存。

储氢质料种类很是多,主要可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢。其中物理吸附储氢又可分为金属有机框架(MOFs)和纳米结构碳质料,化学氢化物储氢又可分为金属氢化物(包罗简朴金属氢化物和庞大金属氢化物),非金属氢化物(包罗硼氢化物和有机氢化物)。差别储氢质料特点(泉源:华创证券)储氢质料最大的优势是储氢体积密度大,相同质量的氢气用储氢质料储存占用空间最少,而且具有操作容易、运输利便、成本低、宁静等优点,恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点,成为最具生长潜力的一种储氢方式。可是现在种种质料基本都处于研究阶段,仍然存在许多技术问题等候解决。

有机液体储氢有机液体储氢技术是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反映来实现储氢。理论上,烯烃、炔烃以及某些不饱和芬芳烃与其相应氢化物如苯-环己烷、甲基苯-甲基环己烷等,可在不破坏碳环主体结构下举行加氢和脱氢,而且反映可逆。有机液体储氢具有诸多优点:储氢密度高;可用现有管道设备举行储存和运输,宁静利便,而且可以长距离运输(环己烷和甲基环己烷等在常温常压下呈液态,与汽油类似);催化加氢和脱氢反映可逆,储氢介质可循环使用;可恒久储存,一定水平上能解决能源短缺问题。

有机液体储氢也存在许多不足:技术操作条件较为苛刻,要求催化加氢和脱氢的装置设置较高,导致用度较高;脱氢反映需在低压高温非均相条件下,受传热传质和反映平衡极限的限制,脱氢反映效率较低,且容易发生副反映,使得释放的氢气不纯,而且在高温条件下容易破坏脱氢催化剂的孔结构,导致结焦失活。3使用近年来,日本在氢燃料电池车领域的技术突破,使大家越来越关注氢能技术,尤其是其在交通领域的应用。

氢燃料电池车相比传统汽车,具有无污染,无噪声,无传动部件的优势,相比电动车,具有续航里程长,充电时间段,起动快(8秒钟即可达全负荷)的优势。除了在交通领域的应用,氢能源还可用于大中规模的储能和发电,可作为工业能源、化工原料等,用途很是广泛。氢能源是一种很是有前景的清洁能源,但仍有许多技术问题有待解决。

尤其在我国,相比于电动电池车全球领先的生长态势,氢燃料电池技术却鲜有突破。在接下来的氢能专题系列中,我所将继续研究氢燃料电池与电动电池的对比以及主要国家氢能生长现状,敬请期待!(泉源:全球技术舆图 作者:张欢欢 )​。


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