9659澳门新葡萄娱乐场app观察室丨氢能降碳,举重若轻
2022.10.08

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2H2+O2=2H2O——这个有关氢气和氧气合成水的方程式,是无数人关于化学的第一道印象,也启发了人们关于氢能塑造清洁社会的美好想象。氢气作为能源,最终只有水一个产物,可以说是一个零碳、零污染的理想能源。数十年来,人们孜孜不倦探索利用氢能的各种可能,也将氢能利用视为双碳进程中的重要路径。那么,氢能究竟有何魅力?我们真的可以利用它来实现降碳吗?今天让我们一起走近氢能。

 

基本介绍

 

氢能,顾名思义指的就是氢的化学能, 即氢元素在化学变化过程中所释放的能量,可以通过直接燃烧或燃料电池的电化学反应进行利用。氢能具有零碳、无毒、低污染、单位质量热值高的特点,相比电力又具备储运方式多样的优势。

氢在地球上主要以化合态的形式出现(即氢气 H2),虽然其分布十分广泛,但我们很难像开采煤、石油那样直接获取氢气,仍需要从水、化石燃料等含氢物质中制得,因此氢能属于二次能源。一般来说,可以根据制备方式和碳排放情况将制得氢气分为三类:

① 灰氢。指的是以化石燃料为原料制备的氢气,生产过程中存在一定的碳排放。目前全球绝大多数制得氢气为灰氢。

② 蓝氢。不同专家学者对其定义并未完全统一,相对狭义的说法中,仅将利用蒸汽甲烷重整制备,并且在生产过程中配合碳捕集、封存和利用技术(即 CCUS,点击查看:什么是 CCUS?)的氢气,称为蓝氢;更广义的说法中,所有在灰氢基础上采用了 CCUS 技术的制得氢气都被称为蓝氢。

③ 绿氢。指的是通过可再生能源制氢,生产过程中没有碳排放产生。绿氢是氢能利用的终极目标,主要通过电解水制备获取。

除上述三类制得氢气之外,也有部分专家学者进一步提出了褐氢(或称“棕氢”,指煤气化法制氢)、紫氢(或称“红氢”,指核能制氢)等概念,但事实上也没脱离前述范畴,此处便不再赘述。

 

产业链路

 

氢能产业正处于发展阶段,其产业链主要包括氢气的制备、储存、运输和利用四大环节,每一环节都有多条技术路线可供选择。以当前研究水平来看,不同技术都有其优缺点,技术路线的最优选择尚无定论。

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氢气制备

氢气制备的工艺路线有很多,多数也相对技术成熟,包括化石燃料制氢、工业尾气副产氢、电解水制氢、光解水制氢和生物质制氢等。其中,电解水制氢可以与新能源发电技术耦合,被认为是最具发展潜力的绿色氢能生产方式。目前电解水制备工艺主要有碱性电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM)和固体氧化物电解水技术(SOEC)。

氢气储存

常温常压下,氢气的密度仅为0.089g/L,是空气的1/14、天然气的1/8,导致其常态下的体积能量密度非常低。因此氢能产业链中,氢气的储存至关重要。根据氢气的储存状态,可以将氢气储存技术划分为高压气态储存、低温液态储存、固态储存、有机液态储存等。前两者是目前实际应用中可行性较高的方案,后两者在材料和技术上都有待进一步突破。

氢气运输

氢气的运输受其储存方式、终端用途及运输距离的综合影响。如长管拖车运输一般适用于少量、短距离的高压气态氢气运输,操作简单、技术成熟,但整体经济性较差;液氢槽车的投资及液化能耗成本较高,适用于大量、长距离的液氢和有机液氢运输;管道输送是未来氢气运输的发展方向,但在基础设施投入和相关技术完善上还有待发展。

氢气利用

以往,氢气主要作为化工原料应用于传统石化等工业生产过程。随着碳达峰碳中和目标的确立,氢气将以清洁能源的身份,在交通、电力、建筑等领域大展身手。氢气应用于交通、电力领域时,主要通过燃气轮机或燃料电池进行电力生产,其中氢燃料电池是将化学能直接转化为电能,免除了机械能的中间环节,其理论发电效率可以达到90%以上;氢气应用于建筑领域时,主要作为供热供暖之用。

 

趋势展望

 

2022年3月23日,国家发改委、能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,明确了氢的能源属性,是未来国家能源体系的组成部分。此前,中共中央、国务院也在碳达峰碳中和相关文件中指出,要统筹推进氢能“制储输用”全链条发展,加快氢能技术研发和示范应用。

据中国科学院院士欧阳明高判断,氢能具备对可再生电力利用更充分、规模化储存更经济、与电池放电更互补、制运储方式更灵活等特点,是集中式可再生能源大规模、长周期储存的最佳途径。从政策保障和应用场景来看,我们已经为氢能的广泛发展做好了准备。

我国氢能产业发展动能强劲,现有加氢站总量已是世界第一,但我国的加氢站仍大量依赖政府补贴,相比加油站和加气站的竞争力不足。事实上,放眼国际视角,氢能产业的核心技术和关键材料都还有待进一步发展,氢能大规模商业化应用的成熟解决方案也未成型,氢能应用仍存在许多问号。不过,有关氢能的种种优势,早已为我们擘画出一个曼妙未来,相信随着技术和材料研究的持续突破,“氢”这个引领我们步入化学世界的重要元素,也终将敲开零碳社会的大门。

 

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