氢能源

氢经济

2016-02-09  星期二 氢能源
氢经济的目标是取代现有的石油经济体系,并达到环保目标。氢气可以利用风能和太阳能等可再生资源进行水分解,其燃烧只向大气中释放水蒸气。

氢经济(英语:Hydrogen Economy)是指设想以氢气(氢燃料)为主要能源的社会状态,最早于1970年由约翰·博克里斯在美国通用汽车公司技术中心的演讲所创。当时发生第一次石油危机时,主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后,整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。

氢电池即是利用氢气经过化学反应后产生能量,是燃料电池的一种,它不但不会产生废气污染环境,而且也可以储存能量,每公斤高达1.4亿焦耳,所以是目前正在研究大量生产的方法。

氢经济的目标是取代现有的石油经济体系,并达到环保目标。氢气可以利用风能和太阳能等可再生资源进行水分解,其燃烧只向大气中释放水蒸气。但是诸多技术瓶颈导致“先有鸡、先有蛋”的循环难题,很多氢设备要大量使用才有成本效益,但是不先装设这些天价设备,则根本无法吸引人使用,更不会有相关产业,如何过渡到氢时代是氢经济的研究课题。

原理

氢经济是为了取代诸多困扰的石油经济体系而生的解决方案。包含运输,和其他会导致温室气体的应用;一次给予解决计划。

在目前的石油经济中,人员运输和商品运输都靠石油,例如石油提炼的汽油和柴油,少数是天然气。不论如何都会产生温室气体和其他污染物质。而且石油藏量已经到达极限,但是使用需求却一直飙高,例如中国印度和巴西等新兴国家越来越多人生活水准提升也需要用油。

氢气是一种极高能量密度与质量比值的能源。燃料电池的效益高过诸多内燃机。内燃机效率顶多有20–30%,而最差的燃料电池也有35–45%效率(通常都更高很多),再加上相关电动马达和控制器的耗损,最后纯输出能量最差也有24%,但是,内燃机的则是更低得多。

生产, 存储, 基础设施

今天主要(> 90%)以化石来源生产氢。连接其集中生产到轻型燃料电池车的车队将需要大量投资建设一个分布基础设施。

颜色分类

有人使用颜色来区分氢的来源,尽管这样的区分氢并无标准,但也不是随兴分类。下表是各种氢的颜色分类,有些氢的来源多重,表列为主要生产来源

用颜色区分氢的生产方式
颜色 生产来源 备注
绿氢 再生能源提供的电力 电解水产生
蓝绿氢 不稳定储存的氢; 热裂解甲烷 甲烷热裂解产生
蓝氢 储存的氢,参见 表面科学;碳氢化合物搭配碳捕集与封存 要搭配碳捕集与封存系统
灰氢 化石碳氢化合物,以蒸气重组天然气为主  
褐氢或黑氢 氢量最少,煤  
紫氢 氢储能;核能 电解水或蒸气重组天然气
黄氢 低阶氢;太阳能 利用太阳光电
金氢或白氢 在地壳深层中含有的天然氢 采矿

生产方法

氢分子在地球上不是以天然的气体存在。大部分氢结合氧存在水中。

存储

虽然氢分子在质量的基础上具有非常高能量密度的,部分是因为其低分子量,气体在环境条件下从体积上它具有非常低的能量密度。如果它是被用来作为存储在车上的燃料,纯氢气必须是加压或液化,以提供足够的驱动范围。提高气体压力,提高了在体积上的能量密度,使用较小的,但不轻的容器罐(压力容器)。实现更高的压力,需要更多地使用外部能源动力压缩。或者,也可以使用较高的体积能量密度的液体氢或氢浆(slush hydrogen)。

2016年9月扬子江汽车集团实验生产线首次下线一台常温常压氢能储存公车泰歌号,该实验车几乎已经达成商业运行能力,其科技突破在于采用一种化学吸收剂将液态氢吸收混和其中,之后再用催化剂还原释放,解决了氢能危险或高成本的储存运送问题,传统氢气困境在于必须低温或高压二选一储存方式,低温需耗费大量电能完全没有经济性,高压钢瓶虽便宜但也是高价品,且普及到市井民用有重大安全隐患,装载于车辆上万一发生车祸则安全堪虑。此次突破技术在于千人计划的专家程寒松教授全球领先原创颠覆性的“常温常压储氢技术”,可以利用现有加油站和石油输送体系等基础设施,大幅减低了氢经济难题。

2023年4月13日,第一代吨级镁基固态储运氢车发布会在上海汽车会展中心举行。根据展会信息展示 ,40寸长标准集装箱尺寸的的镁基固态储运氢车可以存储氢气一吨。

Pipeline 存储

天然气网络是适合存储氢气。在切换到天然气(natural gas) 之前, 德国天然气网络运行于towngas, 其大部分由氢气构成。

德国天然气网络的存储容量超过200,000 GWh,就足够了几个月的能源需求。相比之下,德国所有的抽水蓄能电站容量只有约40 GWh。通过气体网络的传输能量的损耗(<0.1%)比在电力网络(8%)的要少得多。

为氢使用现有的天然气系统的研究是由NaturalHy做的。