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氢能发展历程与氢燃料电池产业链梳理

 日期:2022-10-03 02:21:25    来源:龙8游戏官方网站   作者:龙8游戏网址

  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线世纪末,气温的升高将会呈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后果。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断加剧,这不利于大多数国家利用能源。解决上述问题的方案不少,但是氢能为最优方案,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日联名向八国集团领导人以及联合国相关部门负责人提交的《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,从氢能产业链、氢燃料电池与电动电池的对比、主要国家氢能发展现状这三个维度对氢能源发展做详细梳理。

  作为专题系列的第一篇,本文将首先从能源发展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,本文会系统性地介绍氢能利用的发展历程,以及当前氢能产业链的情况。

  氢(H),在元素周期表中位于第一位,广泛存在于自然界。氢能是指氢和氧进行化学反应所释放出的化学能,是一种清洁的二次能源,具有来源广、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”。

  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,也源于氢能本身所具有的非常优秀的储能属性。此外,无论是从能源发展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。

  人类能源的发展史也是一部生产力发展史。从不发达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,人类社会的发展是随着能源的进步而进步的。我们对能源发展史进行仔细研究可以发现一些规律:(1)从不同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过程,而氢气就是跟天然气一样的气体。

  (2)从不同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过程,而氢气的碳氢比是正无穷。

  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。氢气的用途非常广泛,无论是发电、发热还是用作交通燃料,最后氢气又会与氧化物反应生成水。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断地应用到人类生活的方方面面。另外,只要制氢的能量来源是可再生能源,那么整个氢能的生命周期也将是清洁环保可持续的。可以预测,我们将来社会主要的能源供应将会是电和氢。

  从氢能的生命周期也可以看出氢能源的特点:(1)来源广,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,可以将其变成稳定能源;(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、可发热,也可用作交通燃料。

  氢作为储存不稳定能量的介质,具有巨量的(GW级)能量储存容量和长期放电持续时间,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非常明显。

  从比能量的角度来看,氢的比能量几乎是汽油的三倍。此外,氢能的储存几乎不受地点的限制,不像水电站和核电站在选址上困难重重。因此氢作为一种优秀的储能介质,非常适合应用于大中规模的储能。

  世界上许多国家都将氢能作为战略性能源来发展。早在20世纪70年代,美国就成功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,氢能源技术的发展近乎停滞。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减少导致能源紧缺,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,日本是氢能源发展最为积极的推动者;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”。

  氢能产业链包括制氢、储存、运输以及氢气利用。其中,制氢是基础,储存和运输是氢气利用的核心保障。

  氢能产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,主要技术方式包括低温液态、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,包括交通运输、工业燃料、发电发热等,主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。

  制氢的方法非常多,无论是一次能源还是二次能源都可以制氢。目前来看,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,而产生的氢气反过来也可以通过发生化学反应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。

  从制氢的能量来源来看,化石燃料制氢是我国主导的制氢方式,技术成熟、成本低并且已“有利可图”,但不可持续、不环保,违背了氢能作为清洁能源的本质。而多种化工过程如煤化工、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、成本低且对环境友好,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,如果利用弃水、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,还能反过来利用氢气再发电增强电网的协调性和可靠性,并且整个过程清洁环保,几乎不产生二氧化碳。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)的水里就可以产生氢气,但是这种光解水制氢的效率很低,目前只有6%,而要达到10%左右才可以实现工业化,因此还无法大规模应用。

  从制氢的成本来看,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,达到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高在上。

  从可持续发展的角度来看,制氢过程中的环境友好程度决定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尽管成本较低,但二氧化碳排放量分别高达193kg/GJ和 69 kg/GJ,两者都不能从根本上解决能源与环境的矛盾问题。而电解水制氢尽管现阶段来看成本还不够理想,但整个生产过程是可持续和低污染的,尤其是利用弃水、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。

  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。目前常用的储氢方法主要有四种:高压气态储氢、低温液态储氢、固体材料储氢以及有机液体储氢。

  高压气态储氢,是一种物理储氢方法,也是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术。其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。目前所使用的容器是钢瓶,它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是也存在体积储氢密度低、安全性能较差等缺点。目前钢瓶所能达到最高的体积比容量仅有25g/L,远低于美国能源部(DOE)的目标体积储氢容量70g/L。为了保证安全性,现在国际上主要采用碳纤维钢瓶,但是碳纤维材料价格非常昂贵,只可以作为过渡阶段使用,并非是理想的长期储氢选择。

  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高出数倍。如果氢气能以液态形式存在,那储运起来将极其简单安全,且体积占比小。但事实上,要把气态的氢变成液态的并不容易,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,仅适用于不太计较成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。

  固体材料储氢主要是利用氢气与储氢材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进行氢气储存。储氢材料种类非常多,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)和纳米结构碳材料,化学氢化物储氢又可分为金属氢化物(包括简单金属氢化物和复杂金属氢化物),非金属氢化物(包括硼氢化物和有机氢化物)。

  储氢材料最大的优势是储氢体积密度大,相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少,并且具有操作容易、运输方便、成本低、安全等优点,恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点,成为最具发展潜力的一种储氢方式。但是目前各种材料基本都处于研究阶段,仍然存在很多技术问题等待解决。

  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应来实现储氢。理论上,烯烃、炔烃以及某些不饱和芳香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进行加氢和脱氢,并且反应可逆。

  有机液体储氢具有诸多优点:储氢密度高;可用现有管道设备进行储存和运输,安全方便,并且可以长距离运输(环己烷和甲基环己烷等在常温常压下呈液态,与汽油类似);催化加氢和脱氢反应可逆,储氢介质可循环使用;可长期储存,一定程度上能解决能源短缺问题。

  有机液体储氢也存在很多不足:技术操作条件较为苛刻,要求催化加氢和脱氢的装置配置较高,导致费用较高;脱氢反应需在低压高温非均相条件下,受传热传质和反应平衡极限的限制,脱氢反应效率较低,且容易发生副反应,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。

  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,用途非常广泛。

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