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能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

2019-04-18 09:38
ERR能研微訊
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2018年,殼牌發布《能源的未來?—通過燃料電池和氫氣實現可持續移動》,在此ERR能研微訊研究團隊對報告的主要觀點進行了翻譯,分享給大家,歡迎轉發擴散!

1、氫能—未來的能源

氫氣相態圖

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

多年來,殼牌公布了一系列關鍵能源問題的情景研究。其中包括對重要能源消費行業的研究,如乘用車和商用車(卡車和公共汽車),以及向私人家庭供應能源和熱能,以及對個別能源和燃料的狀況和前景的研究,包括生物燃料、天然氣和液化石油氣。

氫是一種受到重視的元素。作為能源,氫一直被認為是可持續能源未來的可能基礎。但它不能孤立地被看待,因為它既與其他能源競爭又相互依賴,并且與其他能源和技術相互依賴。問題是氫能否成為未來的重要能源載體?

近幾十年來,殼牌一直致力于氫氣生產以及氫氣研究、開發和應用,并擁有專門的業務部門ShellHydrogen。現在,殼牌與德國研究機構和智庫的伍珀塔爾研究所合作,開展了一項關于氫作為未來能源載體的研究。

殼牌氫能研究著眼于氫氣供應途徑和應用技術的現狀,并探討了氫氣作為能源的潛力和前景,該研究還研究了氫氣的非能源應用和非汽車應用,但其重點,正如其副標題“通過燃料電池和H2的可持續流動性”,在公路運輸中,特別是在燃料電池電動車輛中使用氫氣。

(一)氫元素

氫是大爆炸后創造的第一個元素。它是宇宙中最常見的物質,也是太陽等恒星最豐富的能源。

氫(H)是化學元素周期表中的第一個元素,也是最小、最輕的原子。純氫僅以分子形式(H2)在地球上出現。氫在地球上通常以氫化合物的形式存在,最有代表性的是水分子(H2O)。

發現于18世紀的氫氣最初被稱為“易燃空氣”。到了19世紀,氫氣在當時的愿景中被視為能源的未來,特別是在能源工業和能源運動方面。20世紀60年代和70年代,太空旅行和日益稀缺的資源進一步加深了圍繞氫的興奮光環。20世紀90年代以來,隨著人們對尋找可持續能源的緊迫性日益增強,對氫的興趣得到了提升。最近,對氫的重點關注領域聚焦到其日益在以電力為基礎的能源經濟中的作用。

由于其特殊的物理性質,氫氣幾乎是永久性氣體,因為它僅在非常低的溫度(低于-253°C)下液化。它密度低,因此通常在壓力下儲存。液化使其密度增加800倍。氫的最典型特性是其可燃性。到目前為止,它還具有當今正在使用的所有能源的最高重量能量密度比。由于其化學性質,在處理的過程中必須加倍小心。

燃料燃燒范圍

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

(二)供應途徑

由于氫通常作為化合物的一部分存在于地球上,因此必須在特定的過程中合成氫以用作材料或能源。這可以通過不同的技術方法來實現,并且各種主要能源-化石燃料和可再生燃料,無論是固體、液體還是氣體形式-都可以用于這些技術生產過程中。

目前氫氣生產最重要的主要能源是天然氣,占70%,其次是石油、煤炭和電力(作為二次能源)。甲醇重整制氫(來自天然氣)是最常用的制氫方法。其他生產方法包括部分氧化、自熱重整和氣化,其通常使用化石一次能源。一些未使用的殘余氫可用作能源,作為工業生產過程的副產品。

迄今為止,只有少量的氫氣來自可再生能源,盡管這一數量將來會增加。電解目前約占全球氫氣產量的5%,但其中大部分仍基于傳統電力來源。剩余可再生能源的電解被視為未來的巨大潛力。

堿性電解法已在該行業中使用了一個多世紀。目前正在開發提供改進的性能參數(關于轉換效率,靈活性和成本)的替代電解方法。

生物質制氫雖然技術上可行,但在全球范圍內的規模仍然微不足道,雖然生物質氣化和生物質氣體重整等熱化學方法已經投入使用,但生物質化學過程仍處于起步階段。必須根據可持續性要求檢查生物質的可用性,畢竟它是有限的資源。

作為主要的氫供應途徑,天然氣和沼氣和電解和蒸汽重整一直在能量輸入、溫室氣體排放和生產成本方面被進行分析和比較:基于傳統電力(電網混合)的電解制氫需要較高的一次能量輸入。相比之下,基于可再生電力的天然氣和沼氣重整和電解則需要很少的一次能源。此外,可再生電力的電解僅使用極少量的化石資源。來自用可再生能源發電的電解產生的H2能夠產生最少量的溫室氣體排放,而由基于天然氣或沼氣氣體重整產生的H2比由基于電網的電解產生的氫更好。

在所考慮的所有生產方法中,集中式氫氣生產比小型、分散式工廠的生產更具成本效益。集中式天然氣重整制氫是最具成本效益的,其每千克氫的生產成本為1~2歐元。

電解制氫的成本更高,其商業可行性在很大程度上取決于電價。基于生物質的氫生產的成本處于天然氣重整和電解之間。

未來,分散式天然氣重整、集中式電解和集中式生物質路線有望提供最大的成本節約潛力。

產氫流程

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

水的電解

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

電極的重要屬性

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

氫氣生產成本

能源的未來?通過燃料電池和氫氣實現可持續移動

(三)存儲和運輸

氫的特定物理和化學性質導致比其他能量載體需要更高的物流成本(儲存和運輸)。氫具有非常低的體積能量密度,這意味著它必須被壓縮以用于儲存和運輸目的。

商業上最重要的是作為壓縮氣體的氫存儲。對于最終用戶,可提供不同設計(350,700bar)的高壓儲罐。通過液化可以實現更高的儲存密度,盡管這涉及將氫氣冷卻至-253℃。

存儲密度越高,冷卻和壓縮所需的能量越多,這也是我們正在探索更有效存儲方法的原因

與電力不同,氫氣可以長期大量儲存。諸如洞穴之類的低壓地下儲存設施可以用來自存儲剩余的可再生電力氫氣,并用作電力部門的緩沖儲存庫。然而,到目前為止,處于使用中的地下儲氫設施仍然非常少。

新型存儲媒介是基于材料的儲氫技術。這些包括金屬氫化物、化學儲氫材料(例如液體有機氫載體)或吸附劑(例如金屬有機骨架、沸石和碳納米管)。大多數這些技術仍處于研發階段。

目前,氫通常通過卡車在加壓氣罐中運輸,在某些情況下也在低溫液罐中運輸。但是,每輛卡車拖車只能運輸約0.5~1噸的氣態氫或最多4噸液態氫。

某些地區提供區域氫氣管道運輸,其中最長的是美國和西歐。從長遠來看,天然氣供應基礎設施(管道和地下儲存設施)也可用于儲存和運輸氫氣。就運輸成本而言,液態氫適用于長距離運輸,壓縮的氣態氫適用于較小量的較短距離運輸,而管道運輸對于大容量氫能運輸是非常有利的。

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聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯系舉報。

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