澳门新浦京8455com-最新网址

蒋利军:氢能的开发与应用

2019-01-11 18:02  来源: 民主与科学  浏览:  
氢能是洁净的二次能源,其来源广泛,可存可输,应用多样。自然界中,氢存在于水、化石燃料和生物质当中,当输入一定能源后,可从这些物质中提取出氢。近年来,全球可再生能源发展迅速,但由于其在时间和地理上的分布不均衡,产生的波动大,因此造成上网难,如何大规模消纳成为制约可再生能源规模化发展的瓶颈。2016年,我国弃风电量达497亿千瓦时,弃风、弃光、弃水总量超过800亿千瓦时,相当于整个三峡水电站一年的发电量,十分可惜。因此,发展合适的新浦京技术迫在眉睫。

氢能是大规模储存可再生能源的重要途径。氢适合各种规模的新浦京,在储存过程中无能量损失,可跨季度储存。例如,可以在风电资源丰富的时候,将剩余风电转化为氢储存起来,等到枯风期使用,这样可以实现全年的可再生能源供电。风电转变为氢后,还有另外一个优势,就是终端利用灵活,氢既可以作为化工原料和工业气体,还可用于分布式发电和燃料电池汽车的氢源,还可直接掺入天然气管网作为居民燃气等。从这个角度说,氢能作为二次能源,可以成为连接化石能源和可再生能源的桥梁,将热力网、电力网和燃料供应网连于一体,使化石能源应用更清洁,使可再生能源应用更高效。

制氢方法

目前,比较成熟的制氢方法有碱性电解水、水煤气和重整制氢等方法。与此同时,新型电解水制氢方法正在研发当中,如固体聚合物电解质电解水制氢技术(简称SPE)和固体氧化物电解水制氢技术(简称SOEC)。SPE技术可以实现纯水的电解,其功率波动适应范围广,能效比碱性电解水高。但电解水制氢首先需将其他能源转换为电能,然后再制氢,多了一次能量转换环节,因而其总的能量转换效率偏低。理想的方法是直接从太阳能出发,直接热分解水制氢,或直接光分解水制氢,其总效能会更高。从生物质出发,发展生物质气化制氢、微生物制氢也是比较有前途的制氢方法。

直接热分解水制氢,须达3000℃的高温,温度太高,因而目前一般采用热化学制氢,降低对温度的要求。碘硫法热化学制氢是一种新型的制氢方法,它可以与适当热源耦合,制取氢气。例如,清华大学利用高温气冷堆的副产品热能直接制氢,目前的制氢能力达到1m³/h。同样,这样的热源也可以来自聚焦的太阳能。但是这项技术最大的难点在于反应过程的稳定控制,同时硫酸和碘具有强腐蚀性,对容器、管道和阀件材料的耐蚀性要求非常高。

光催化分解水制氢是利用光对催化剂的作用,将电子从价带跃迁到导带,产生电子空穴对,水在这种电子空穴对的作用下发生电离,氢氧根成为氧气的来源,氢离子得到电子,还原成氢,实现了氢气的制备。但电子和空穴对在迁移过程中会部分复合,同时氢和氧也会在催化剂表面部分复合,从而降低制氢的效率。大家目前的技术就是在增加光的吸取,减少电子和空穴对复合及氢氧的复合上取得进展,获得了整体效率的提高。目前,这项技术的光-氢转化效率可以达到6%,按照美国能源部转化率达到10%即具有工业价值的说法,这项技术还是很有发展前景的。

储氢

氢能系统包含制氢、储氢和氢能应用三个环节,其中储氢技术依然是目前整个氢能发展中的瓶颈。例如,满足一个中型燃料电池轿车500公里的运行需求,约需6公斤氢作为燃料,在标准状态下,这些氢气的体积与车身的体积相当。由于体积过大,不能满足应用,因此需提高氢的储存密度。理想的储氢方式不仅要求高储氢密度,而且要求快速吸/放氢,在3~5分钟内完成车载充氢。同时还要求使用寿命长、安全性能好、价格成本低。

储氢有三种方式:高压储氢、液态储氢和固态储氢。目前,70兆帕下的高压储氢技术已经在燃料电池汽车中广泛使用,但这只是氢能商业化进程中的一个过渡性技术。液氢已在航天技术中成功使用,它可以同时满足重量和体积储氢密度的要求,但问题在于氢液化过程约耗费氢自身携带能量的30%,同时存在液氢蒸发的安全隐患。固态储氢的体积储氢密度最高,约合150㎏/m³,但目前其重量储氢密度偏低、储罐过重给直接上车带来困难。目前高压车载储氢技术已能满足燃料电池汽车行驶500公里的要求,但仍需降低成本,提高储氢密度。

我国储氢技术发展

从整体来看,我国储氢技术的发展还有很长的路要走。轻质是车载移动储氢的前提,我国目前以锂镁氮氢氨基化合物为储氢材料,开发出轻质且高容量的储氢罐,与国际同类型储氢罐相比,具有一定优势。作为固定式应用,加氢站对储氢罐重量的要求相对较低,固态储氢用于此处较为适宜。从美国加氢站的情况来看,采用高压式加氢技术,压缩机的故障率最高。为此,大家研制出一种新型加氢站用固态高压混合储氢罐,集静态压缩和高密度储氢于一身,通过低品位热源的作用,可使其持续保持45MPa的高压,为35MPa氢罐充氢,从而减少压缩机的开启频率,降低压缩机的故障率;当室温储存时,罐内氢压降低从而提高了储罐的安全性;此外,罐内储氢密度比同等体积的高压罐高一倍,因而可以减少加氢站的占地面积,缩短加氢站的安全距离。固态储氢在燃料电池分布式发电、备用电源用储氢装置、非稳定风/氢转化用储氢和太阳能集热/氢化物储热中均有一定应用。

燃料电池是氢能应用的一种重要方式

来自环境污染和能源紧缺的压力,倒逼两个转变:一是汽车产业由燃油动力向氢动力的转变;二是供能模式由集中式向分布式供能的转变。在这种形势下,燃料电池技术的显著进步,推动了燃料电池汽车产业和分布式电站产业的兴起。从全球来看,燃料电池市场快速成长,一部分市场来自汽车,另一部分来自分布式发电。燃料电池汽车只排放水,不会带来环境污染,目前世界各大汽车企业都在开展燃料电池汽车的研发。除此之外,燃料电池还可以应用在潜艇、深海空间站和无人机等方面。

为燃料电池汽车配套的加氢站也在迅速发展中。目前,全球在运行的加氢站有274个,其中日本有92个,占据总量的1/3,在西欧、北美、日本等发达国家和地区,已经初步形成加氢站网络。

氢能研发已经得到世界各国的重视。我国近年来通过三个五年计划的支撑,已经形成以大学和研究所为主的研发体系,包括制氢、储氢、输氢及安全、燃料电池、标准等研发。目前,我国已经具备良好的制氢和储氢工业基础,煤制氢及变压吸附纯化等技术处于国际先进水平,燃料电池产业链已经初具雏形。

但是从整体讲,我国氢能还是处于世界第二方阵,与国外先进水平相比还有差距。我国燃料电池的关键材料、氢气循环泵等设备还依赖进口,燃料电池可靠性亟待提高,在氢气泄露和爆炸等安全研究方面还有很多空白。

为此,对我国氢能发展提出一些建议:以应用为导向,以系统集成为主线,尽快形成可靠的终端产品,再逐次解决材料和部件全部自供问题;以企业为主导,以产品为目标,以资本为纽带,集中国内优势单位,建立协同创新联盟,上下游密切结合,资源共享,快速研发;燃料电池汽车和分布式电站应同步发展,汽车先商用车后乘用车,分布式发电与可再生能源微网应密切结合,先供偏远地区后供城市;加氢站应首先定位于“可自我持续运行”上,在初期示范车辆不足情况下,宜建混合站,以油养氢,以气养氢;开展弃风(光)制氢、天然气管网掺氢输氢技术可行性和标准预先研究。

相关推荐
欧阳明高:分布式光伏与电动汽车分布式新浦京的组合能源系统将构建未来能源交通体系

欧阳明高:分布式光伏与电动汽车分布式新浦京的组合能源系统将构建未来能源交通体系

我国新能源汽车技术路线经过了长时间的演变,从节能与新能源汽车到纯电驱动技术转型战略,再到新能源汽车强国战略。2018年11月,全国政协召开了“双周座谈会”,一些委员提出了一些新的建议,提出要面向2035年制定新能源汽车发展规划。大家首先从技术角度来展望一下未来的发展,我就纯电动力、混合动力、燃料电池以及电动化和新能源融合四个方面做一下展望。

推荐阅读

热文

关于大家 | 广告服务 | 联系大家 | 免责声明
澳门新浦京8455com-最新网址 Copyright © 澳门新浦京8455com 服务台:010-63990880
XML 地图 | Sitemap 地图