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氢能源为经济社会生长注入强劲动力
泉源: 国家能源局网站 时间: 2024-06-12 点击数: 808
 

       作为能源 ,氢的优势十分突出。一是 ,氢元素漫衍普遍 ,约占宇宙物质总量的81.75% ,在地球水体中储量富厚;二是 ,氢气的燃烧热值高 ,是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍;三是 ,氢气燃烧的产品只有一种——水。泉源富厚 ,能量密度高 ,清洁无污染 ,集三重优势于一身 ,在提倡绿色生长的今天 ,氢能源的开发与使用受到亘古未有的重视。

  近年来 ,我国氢能手艺及工业快速生长:首列氢能源市域列车完成达速试跑 ,海水直接制氢手艺在福建海试乐成 ,《氢能工业生长中恒久妄想(2021—2035年)》《氢能工业标准系统建设指南(2023版)》等陆续推出……氢能作为清洁能源 ,为经济社会生长注入强劲动力 ,也成为深受关注的科技话题。

  既是清洁能源 ,也是“多彩”能源

  氢元素并不即是氢能源。从人类使用氢能的广义角度来看 ,太阳质量的72%是氢 ,它几十亿年来通过一连一直的热核聚变 ,把氢中的能量转换成光能 ,源源一直地送达地球 ,驱动地球上的物质循环与能量循环 ,孕育了地球上的生命。而我们一样平常生爆发涯中用到的氢能 ,主要是氢和氧举行化学反应释放出的化学能。

  数百年来 ,人类从未阻止对低能耗、低本钱氢能制取手艺的探索。由于地球上的氢元素只占地球总质量的0.76% ,其中氢单质 ,也就是氢分子的赋存更是极其希罕 ,以是人类无法像勘探开采石油和煤炭那样容易找到“氢矿” ,而要通过科技手段来制取氢气。19世纪后 ,氢燃料动力火箭把人类带入漂亮的太空 ,氢燃料电池手艺的泛起则让“氢—电”直接转换成为可能。直到今天 ,科学家仍在起劲将地球上的太阳能、风能、海洋能等可再生能源 ,再度转化为氢这一清洁、高密度的能源形式。

  氢能是“多彩”的。凭证差别制取方法 ,氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等。其中 ,灰氢来自煤炭制氢、自然气制氢、工业副产氢气 ,属于直接制氢 ,本钱较低 ,但需要消耗煤、自然气等化石能源 ,会爆发大宗二氧化碳。现在 ,灰氢产量约占全球氢气产量的九成以上。蓝氢则是在灰氢基础上 ,将制备历程中排放的二氧化碳副产品捕获、使用和封存 ,越发环保。紫氢是使用核能举行大规模电解水制氢。近年来 ,地质学家还发明了金氢 ,它由地下水与地下橄榄石(一种呈绿色的镁铁硅酸盐)等矿物相互作用 ,使水被还原为氧气和氢气。在这一历程中 ,氧气与矿物中的铁团结 ,氢气则逃逸到周围的岩石中 ,并使用地下矿石的石化历程一直再生氢气。金氢因其地质蕴藏勘探和开采难度极大 ,现在尚未获得充分开发使用。

  最为主要的绿氢 ,是通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电 ,再使用这些清洁电能 ,以电解水方法制取氢气。绿氢在制取历程中基本不爆发温室气体 ,是现在氢能生长的主要趋势。放眼天下 ,绿氢成为各国清洁能源转型的主要一环 ,不少国家出台了相关政策 ,勉励建设大规模绿氢供应链。2023年8月 ,我国首个万吨级光伏发电直接制绿氢项目——新疆库车绿氢树模项目周全建成投产 ,每年可生产2万吨绿氢 ,镌汰二氧化碳排放约48.5万吨。

  立异“开采”方法 ,向海洋要氢

  进入21世纪 ,氢能应用场景越发普遍。从汽车到船舶 ,从工厂抵家庭 ,氢能泛起在社会生爆发涯各个方面 ,不少大型都会最先兴建加氢站等基础设施 ,氢能源手艺与工业获得大规模推广。中国作为氢能生产大国和使用大国 ,有力推动氢能生长。在交通领域 ,2022年我国氢能源汽车保有量首次突破万辆 ,预计到2025年有望增至10万辆。

  在兴旺的需求指导下 ,绿氢制取的本钱大大降低。现在 ,绿氢主要通过电解水来制取 ,本钱的80%来自电解历程的能耗。凭证事情原理、温度以及所用电解池质料的差别 ,电解水制氢可分为碱性电解水、质子交流膜电解水、高温固体氧化物电解水3类。碱性电解水手艺成熟度较高 ,具有本钱优势 ,是现有大规模绿氢工程项目的主要计划。质子交流膜电解水手艺效率高于碱性电解水 ,系统集成简朴 ,但需要使用贵金属铂、铱等作为催化剂 ,现在装备本钱约为碱性电解水的3倍 ,未来需通过新型催化剂的开发和膜电极制备手艺的生长提升性价比。高温固体氧化物电解水手艺 ,则是在500—800摄氏度高温下 ,将电能和热能转化为化学能(氢能) ,氢气被高效地疏散出来 ,被以为是理论效率最高的电解水制氢手艺。综合来看 ,生长新型电解质质料、提高要害质料寿命、优化事情温度成为电解制氢手艺的生长偏向。

  新的制取方法也在开发中。其中 ,海水直接电解制氢手艺和海优势电手艺备受关注。未来绿氢的大规模生产 ,与风能、太阳能等可再生能源相耦合是要害。特殊是在海优势电生长迅速 ,海水资源颇为富厚(地球水资源总量的97%)的配景下 ,使用海水直接电解制氢手艺和海优势电手艺向海洋要氢 ,成为绿氢制取的主要偏向。这就像在大海上建起一座座“氢矿” ,产出的绿氢可直接通过海上油气管道等举行远距离运输 ,提供了大宗氢能。

  实现海水直接制氢的设想 ,要迈过不少手艺门槛。电解海水制取氢有两种方法:一是淡化海水至纯水再制氢 ,手艺重大、本钱高 ,难以规;;二是海水直接电解制氢 ,难点在于海水因素重大 ,对装备中的催化剂、电极、隔膜要求很高。经由恒久攻关 ,我们实验用物理力学要领 ,在一种透气不透水的“膜”作用下 ,把海水里的水汽“抽”出来 ,阻遏海水中的杂质离子 ,从而使水汽成为电解制氢用的“纯水” ,向电解液补水。2022年11月 ,这一效果揭晓在《自然》杂志 ,后被科技部评为2022年中国科学十大希望之一。未来 ,海水直接制氢有望开发氢能源手艺和工业化新赛道。

  储用团结 ,富重使用手段

  解决了氢能的泉源和制取本钱问题 ,就要思量怎样把氢能送达种种应用场景并立异氢能使用方法。贮存和运输 ,始终是人类能源使用的手艺课题。氢气密度小、易燃烧 ,因而储运本钱高 ,保存清静危害 ,恒久以来影响着氢能使用。为此 ,科学家们正实验将氢转化为易储易运的氨或甲醇 ,进而实现绿氢大规模应用。好比 ,以经典的哈伯—博施工艺借助氮气及氢气制取氨气 ,或使用新兴的电化学常压低能耗合成氨手艺 ,实现“氢氨融合” ,富厚了化肥、工业等古板用氨行业及绿氨掺混发电、绿色船用燃料等下游新兴领域的能源供应。另外 ,使用绿氢和二氧化碳合成绿色甲醇 ,也能实现氢能整体的全周期近零排放。现在全球市场对绿色甲醇、绿氨、生物柴油等绿色清洁液体燃料需求重大 ,相关工业总产能有待进一步提高 ,绿色清洁液体燃料远景辽阔 ,有望成为更具经济性的绿氢消纳使用新路径。

  除了作为化工质料(如石油炼化、合成氨、合成甲醇)和工业工艺气体(如钢铁、半导体行业还原剂)等古板使用方法外 ,绿氢还可以作为能源、燃料来使用。氢燃料电池是现在被普遍看好的氢能使用蹊径。氢燃料电池汽车具备零排放、零污染、无噪声、增补燃料快、续航能力强等优势。2022年北京冬奥会时代 ,凌驾1000辆氢能源汽车投入使用 ,并配备了30多个加氢站 ,这是迄今为止氢燃料电池汽车在全球最大规模的集中树模运营。

  在新手艺加持下 ,氢能交通工具可以实现风、光、水到氢再到水的“无碳物质闭环” ,组成绿色生长的一次次清洁能量循环。好比氢能源市域列车 ,以天天500公里里程计 ,每年约莫可镌汰10余吨二氧化碳排放。未来 ,氢能大巴、氢能重卡、氢动力船舶、氢动力无人机等都可能泛起 ,氢能交通工具也有望与其他新能源交通工具一道 ,修建城乡生长的运力网络。

  展望未来 ,在实现“双碳”目的的历程中 ,氢能源将在交通、工业、修建、电力、国防、航空航天等领域施展更着述用。这需要科研事情者和一线企业配合起劲 ,开发氢能制取、贮存、运输、使用等一系列新手艺。时不我待 ,元素周期表上的第一个名字 ,尚有许多神秘期待我们去探索发明。


 
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