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未来的能源?通过燃料电池和氢气实现可持续移动

2019-04-18 10:28
ERR能研微讯
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1、氢能—未来的能源

氢气相态图

能源的未来?通过燃料电池和氢气实现可持续移动

多年来,壳牌公布了一系列关键能源问题的情景研究?其中包括对重要能源消费行业的研究,如乘用车和商用车(卡车和公共汽车),以及向私人家庭供应能源和热能,以及对个别能源和燃料的状况和前景的研究,包括生物燃料、天然气和液化石油气?

氢是一种受到重视的元素?作为能源,氢一直被认为是可持续能源未来的可能基础?但它不能孤立地被看待,因为它既与其他能源竞争又相互依赖,并且与其他能源和技术相互依赖?问题是氢能否成为未来的重要能源载体?

近几十年来,壳牌一直致力于氢气生产以及氢气研究?开发和应用,并拥有专门的业务部门ShellHydrogen?现在,壳牌与德国研究机构和智库的伍珀塔尔研究所合作,开展了一项关于氢作为未来能源载体的研究?

壳牌氢能研究着眼于氢气供应途径和应用技术的现状,并探讨了氢气作为能源的潜力和前景?该研究还研究了氢气的非能源应用和非汽车应用,但其重点,正如其副标题“通过燃料电池和H2的可持续流动性”,在公路运输中,特别是在燃料电池电动车辆中使用氢气?

(一)氢元素

氢是大爆炸后创造的第一个元素。它是宇宙中最常见的物质,也是太阳等恒星最丰富的能源。

氢(H)是化学元素周期表中的第一个元素,也是最小、最轻的原子。纯氢仅以分子形式(H2)在地球上出现。氢在地球上通常以氢化合物的形式存在,最有代表性的是水分子(H2O)。

发现于18世纪的氢气最初被称为“易燃空气”。到了19世纪,氢气在当时的愿景中被视为能源的未来,特别是在能源工业和能源运动方面。20世纪60年代和70年代,太空旅行和日益稀缺的资源进一步加深了围绕氢的兴奋光环。20世纪90年代以来,随着人们对寻找可持续能源的紧迫性日益增强,对氢的兴趣得到了提升。最近,对氢的重点关注领域聚焦到其日益在以电力为基础的能源经济中的作用。

由于其特殊的物理性质,氢气几乎是永久性气体,因为它仅在非常低的温度(低于-253°C)下液化。它密度低,因此通常在压力下储存。液化使其密度增加800倍。氢的最典型特性是其可燃性。到目前为止,它还具有当今正在使用的所有能源的最高重量能量密度比。由于其化学性质,在处理的过程中必须加倍小心。

燃料燃烧范围

能源的未来?通过燃料电池和氢气实现可持续移动

(二)供应途径

由于氢通常作为化合物的一部分存在于地球上,因此必须在特定的过程中合成氢以用作材料或能源。这可以通过不同的技术方法来实现,并且各种主要能源-化石燃料和可再生燃料,无论是固体、液体还是气体形式-都可以用于这些技术生产过程中。

目前氢气生产最重要的主要能源是天然气,占70%,其次是石油、煤炭和电力(作为二次能源)。甲醇重整制氢(来自天然气)是最常用的制氢方法。其他生产方法包括部分氧化、自热重整和气化,其通常使用化石一次能源。一些未使用的残余氢可用作能源,作为工业生产过程的副产品。

迄今为止,只有少量的氢气来自可再生能源,尽管这一数量将来会增加。电解目前约占全球氢气产量的5%,但其中大部分仍基于传统电力来源。剩余可再生能源的电解被视为未来的巨大潜力。

碱性电解法已在该行业中使用了一个多世纪。目前正在开发提供改进的性能参数(关于转换效率,灵活性和成本)的替代电解方法。

生物质制氢虽然技术上可行,但在全球范围内的规模仍然微不足道,虽然生物质气化和生物质气体重整等热化学方法已经投入使用,但生物质化学过程仍处于起步阶段。必须根据可持续性要求检查生物质的可用性,毕竟它是有限的资源。

作为主要的氢供应途径,天然气和沼气和电解和蒸汽重整一直在能量输入、温室气体排放和生产成本方面被进行分析和比较:基于传统电力(电网混合)的电解制氢需要较高的一次能量输入。相比之下,基于可再生电力的天然气和沼气重整和电解则需要很少的一次能源。此外,可再生电力的电解仅使用极少量的化石资源。来自用可再生能源发电的电解产生的H2能够产生最少量的温室气体排放,而由基于天然气或沼气气体重整产生的H2比由基于电网的电解产生的氢更好。

在所考虑的所有生产方法中,集中式氢气生产比小型、分散式工厂的生产更具成本效益。集中式天然气重整制氢是最具成本效益的,其每千克氢的生产成本为1~2欧元。

电解制氢的成本更高,其商业可行性在很大程度上取决于电价。基于生物质的氢生产的成本处于天然气重整和电解之间。

未来,分散式天然气重整、集中式电解和集中式生物质路线有望提供最大的成本节约潜力。

产氢流程

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水的电解

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电极的重要属性

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氢气生产成本

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(三)存储和运输

氢的特定物理和化学性质导致比其他能量载体需要更高的物流成本(储存和运输)。氢具有非常低的体积能量密度,这意味着它必须被压缩以用于储存和运输目的。

商业上最重要的是作为压缩气体的氢存储。对于最终用户,可提供不同设计(350,700bar)的高压储罐。通过液化可以实现更高的储存密度,尽管这涉及将氢气冷却至-253℃。

存储密度越高,冷却和压缩所需的能量越多,这也是我们正在探索更有效存储方法的原因

与电力不同,氢气可以长期大量储存。诸如洞穴之类的低压地下储存设施可以用来自存储剩余的可再生电力氢气,并用作电力部门的缓冲储存库。然而,到目前为止,处于使用中的地下储氢设施仍然非常少。

新型存储媒介是基于材料的储氢技术。这些包括金属氢化物、化学储氢材料(例如液体有机氢载体)或吸附剂(例如金属有机骨架、沸石和碳纳米管)。大多数这些技术仍处于研发阶段。

目前,氢通常通过卡车在加压气罐中运输,在某些情况下也在低温液罐中运输。但是,每辆卡车拖车只能运输约0.5~1吨的气态氢或最多4吨液态氢。

某些地区提供区域氢气管道运输,其中最长的是美国和西欧。从长远来看,天然气供应基础设施(管道和地下储存设施)也可用于储存和运输氢气。就运输成本而言,液态氢适用于长距离运输,压缩的气态氢适用于较小量的较短距离运输,而管道运输对于大容量氢能运输是非常有利的。

存储方式

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