氢能：21世纪重要二次能源及世界制氢技术发展趋势

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：世界上许多国家,特别是发达国家非常重视氢能的研究、开发和利用,事实说明,氢能在21世纪将成为一种重要的二次能源。近10多年来氢能使用的领域越来越广泛。(三)世界制氢技术发展趋势世界上许多国家,为了满足对氢能日益增长需求,不断地研究、开发和应用新制氢技术。燃料电池是以氢气和氧气为原料,利用它们在高温下发生化学反应产生电能的原理制成的装置。

三、氢　　能

氢能源是一种最洁净的可再生能源。世界上许多国家,特别是发达国家非常重视氢能的研究、开发和利用,事实说明,氢能在21世纪将成为一种重要的二次能源。

(一)氢能的开发利用概况

20世纪以后,世界上一些国家,特别是发达国家,不断进行研究、开发氢的制造、贮存、输送和利用技术获得了成功,使氢气不仅作为石油、化工、制药等工业中重要的合成原料气,氢氧焰用于钢铁等金属的切割和焊接等方面,而且在本世纪20年代末氢作为高能燃料用于飞艇,30年代用于内燃机试验,50年代用于飞机的喷气发动机,60年代液氢用作航天燃料,同时氢弹成为威力最大的核武器。近10多年来氢能使用的领域越来越广泛。氢作为燃料,在用于交通运输、热能和动力生产中,不仅燃烧后没有CO、CO₂、SO₃及烟尘等污染物而且具有高效率和高效益的特点。尤其是固态金属氢用作火箭或弹药的推进剂,每公斤固态金属氢所产生的推动力相当于每公斤液氢———液氢火箭燃料的5倍,金属氢的爆炸威力相当于相同质量TNT炸药的25-35倍,是目前可以想象到的威力最强大的化学爆炸物其爆炸威力与核武器相当。随着制氢技术的发展,氢能无疑将成为其他新能源和可再生能源中的最佳能源,而替代化石能源,成为21世纪最洁净的重要能源。

(二)氢的特性及其资源

氢在元素周期表中名列第一,其元素符号为H。氢具有三种同位素,即普通氢,学名称氕,质量数为1;重氢,学名称氘,质量数为2;超生氢,学名称氚,质量数为3,这是一种放射性同位素,在氢的总量中含量极微。普通氢占氢的总量99﹒98%,重氢约占0﹒02%。在自然界,由于氘和氚的含量很少,对氢总性质影响极微。

普通氢是一种无色、无味、无臭、无毒的清洁气体,基密度最小,微容于水,液化较难,凝固点-259﹒14℃。氢在空气中燃烧温度极高,可超过2000℃,而且火焰传播速度很快,约比甲烷快4倍,氢焰没有颜色,人眼不能察觉。液态氢可用作高能燃料,固态氢具有金属性,并有超导性能

氢是最活泼的元素,在宇宙中所有元素者与氢有联系,可以说是宇宙中的一种基本物质,不少星球都起源于氢的变化,太阳中氢约占总体积的80%。地球上自然界的氢主要存在于化合物中。氢跟氧化合成水,大量贮存在江、河、湖、海之中,水中含氢的重量为11﹒2%。氢在地壳中按元素重量占1/4。氢燃烧之后回复为水,水中是制氢的原料,可以反复循环使用。因此,氢在地球上储量极为丰富。

氢的化合力特强,它与碳可以化合组成各种碳氢化物,其中包括各种烃类燃料,所以氢是所有化石燃料之母。反之,石油、天然气、煤和生物质也可制成氢。氢可同许多金属进行可逆的吸附和解附反应,这是金属电极电解水制氢的基础,也是为金属贮氢的基本条件。

总之,氢的特性非常活泼,在自然界制氢的资源储量极为丰富,人们能够科学地控制它,它就能更好地为人类利用。

(三)世界制氢技术发展趋势

世界上许多国家,为了满足对氢能日益增长需求,不断地研究、开发和应用新制氢技术。一些国家也在这一领域内取得了显著进展。德国在展示氢燃料电池交通工具,通过电解水利用可回收能源制造氢,以及建立氢燃料站等方面处于世界领先地位。日本对氢技术提出了雄心勃勃的计划,它在今后5年内的投资预算为8000万美元,到2020年将达到40亿美元。冰岛和壳牌石油公司、戴姆勒————克莱斯勒汽车公司以及挪威水力发电公司建立了独特的合作联盟,发起全球第一个氢经济计划,在今后40年内用氢能源取代汽车和轮船等使用的石油。长期以来,比较普遍采用的制氢技术,主要有以下几类:

1﹒传统的制氢技术

传统的电解水法制氢;利用一些工业废气经过提纯制取氢气;采用煤、天然气、重油等造气或者氨裂解、甲醇裂解等方法得到含氢气源再分离提纯氢气等类型。

2﹒新兴的制氢技术

80年代初,甲醇水蒸气转化制取纯氢的方法,已用于工业生产,日本、美国、西欧等多家公司已有成套装置出售。主要工艺过程为:甲醇和水经过汽化,过热进入反应器,在催化剂作用下,同时发生甲醇的催化裂解反应及一氧化碳的变换反应,生成75%左右的氢气,25%左右的二氧化碳及少量的其余杂质。甲醇直接裂解还可以同时制取氢及纯度大于98%的一氧化碳。甲醇分解制氢技术具有以下特点:与大规模的天然气、轻油、水煤气等转化制气相比,具有流程短、投资省、能耗低、无环境污染等特点。与水电解制氢相比,单位氢气成本低50%以上。与氢裂解技术相比,反应条件温和,原料运输和储存方便,装置规模可大可小,无环境污染。

3﹒高新技术制氢

80年代末,国际上出现了光解海水制氢的方法,以激光诱导制膜技术有所突破,制成新型的金属/半导体/金属氧化物光电化学膜,用此种膜作为海水电解的隔膜,能使海水分离制得氢和氧,其电耗低,转换效率已达10%左右,此方法已引起各国科学家的关注;在太阳能利用的高技术研究中,光化制氢或将光电、光化转换同时进行,以获得直流电和氢、氧;在生物工程研究中开发的生物制氢技术;通过核聚变产生的热能分解水制氢,在美国进行的“核能热化学制氢研究项目”已进行多年,前苏联投诚的通过托马克核聚变堆进行高温蒸汽电解的制氢方案等高新技术制氢项目,都是为攻克氢的新技术新途径而努力。(www.chuimin.cn)

4﹒氢燃料电池技术

近几年来,世界上许多国家对治理汽车尾气污染非常严格,先后研制出以电力、天然气、液化石油气、太阳能、甲醇、氢燃料、双燃料等为燃料的“环保汽车”、“绿色汽车”。世界各大汽车厂商都认为,近期内有可能取代传统汽车的清洁交通工具只有燃料电池车,并展开发激烈的燃料电池车技术开发竞争。燃料电池是以氢气和氧气为原料,利用它们在高温下发生化学反应产生电能的原理制成的装置。燃料电池车的最大优点是清洁、无污染、所排出的唯一废弃物为水分。美国、欧洲和日本最大的汽车厂商为了获得燃料电池所需的氢气,主要采取两种制氢方式:一种方式是从一种名为清洁碳氢化合物燃料的新型汽油中制取氢,另一种方式是以天然气为原料,采取对甲醇改质的办法制取氢,另一种方式是以天然气为原料,采取对甲醇改质的办法制取氢气,都得到了本国政府的高度重视和支持,这将大大加快制氢技术的研究、开发和应用的步伐。

(四)氢能开发和应用的各国对比

近年来,美国、日本、欧盟都制定了氢能发展规划,投入大量经费支持氢能开发和应用示范活动。

美国一直重视氢能。2003年,布什政府投资17亿美元,启动氢燃料开发计划,该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项目。2004年,美国建立了第一座氢气站,2005年底,加利福尼亚州的一个固定制氢发电装置“家庭能量站第三代”开始试用。这个装置用天然气制造氢气维持燃料电池。第三代比第二代的重量轻了30%,发电量却提高了25%,同时氢气的制造和储存能力提高了50%。

欧盟也加紧对氢能的开发利用。在2002—2006年欧盟第六个框架研究计划中,对氢能和燃料电池研究的投资为2500万—3000万欧元。北欧五国最近成立了“北欧能源研究机构”,通过生物制氢系统分析,提高生产生物氢能力。欧盟此举旨在把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略高新技术,使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位,欧盟将力争在2020年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。

日本研究氢能比较早,目前燃料电池是日本氢能的主要发展方向。日本政府为促进氢能实用化和普及,进一步完善了汽车燃料供给制,全国各地建造了不少“加氢站”,近百辆燃料电池车已经取得牌照上路,计划到2030年,发展到1500万辆。迄今,日本燃料电池的技术开发以及氢的制造、运输、储藏技术已基本成熟。

印度研制成功一种通过金属氢化物驱动的清洁摩托车,虽然现在使用成本较高,但是由于氢燃料的成本很低,并且金属氢化物储能罐的寿命很长,因此从长远来看它还是一种非常经济的交通工具。此外,以氢能为燃料的烹饪炉、发电机组和氢照明灯等的研究也取得显著进展。

(五)中国氢能发展现状及前景

中国现在的氢能发展水平和国际相比,有自己的长处和特点,但也有不足。比如说制氢,应该说中国是全世界生产氢气最多的国家。2002年中国生产氢气800多万吨,仅次于美国。而现在产量基本上已经翻番。2008年,我国神华集团建成全世界最大的煤制氢工厂,每小时可生产625吨氢气。不过我国不足的方面也很明显。全世界氢能的96%、中国氢能的97%都来自化石能源,3%、4%来自水电。我国化石能源制氢设备小、技术水平不高,与国外有很大差距。包括神华集团,煤的气化环节(制氢最重要的一块)还是用的壳牌技术。

氢的净化方面,中国也有优势。通过化石能源制出来的氢很不干净,伴随有氮氧化物、一氧化碳等等需要净化。目前,工业界最常用的净化方法就是变压吸附(PSA)。这个技术中国现在做得最好。即便外国公司在中国拿到了工程,也往往找中国公司来做PSA部分。

储氢技术上,咱们也有长处。储氢技术很多,目前最实用的有三种方法:一是高压压缩;二是液化;三是做成储氢合金,即把氢吸进合金原子之间的缝隙中,变成固态,这种状态下单位体积的氢含量甚至比液氢含量还要多。高压储氢方面我们作出很多贡献,做的最大的固定式高压储氢容器是70兆巴,相当于700公斤左右。国际上有,但体积没有我们大。轻质的高压储氢容器,35兆巴的可以国产,70兆巴的在研制。另外很多国家现在都在研究储氢合金,最常用的储氢合金是LaNi5类合金,全世界的产能是三万吨左右,主要集中在中国和日本,其中,中国产能世界第一。

上海作为我国氢能产业最领先的地区,2007年11月建成中国第一个汽车氢气充装站,并计划2009年形成千辆级氢能汽车的生产能力,2011-2012年则可望达到万辆级产能,并加快氢能汽车的基础设施建设,初步建成加氢站网络。同时,我国氢燃料电池汽车国家标准编制也在上海启动,可望于今年内完成。

目前,我国要大规模推广氢能利用仍需要解决氢源问题。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气,国内虽已有规模化生产,但从长远观点看,这已不符合可持续发展的需要。从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径。在这方面电解水制氢已具备规模化生产能力,研究降低制氢电耗有关的科学问题,是推广电解水制氢的关键。光解水制氢其能量可取自太阳能,这种制氢方法适用于海水及淡水,资源极为丰富,是一种非常有前途的制氢方法。我国南部和西南地区势能差大,水资源丰富,水电发达,在丰水期可用大量剩余电力通过电解水制取氢。氢还可以从石油、天然气和煤等化石燃料中制取,以及从甲醇、烃类等通用燃料中转化而得。此外生物质能也可成为氢的重要来源,如细菌制氢、发酵制氢及沼气回收制氢等,传统的工业矿物如硼氢化钠等及工业副产氢也是获取氢的有效途径。

在氢能利用方面,燃料电池发电系统仍是实现氢能应用的重要途径。在我国质子交换膜燃料电池已有技术基础上,除继续加强大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键技术研究外,还应注意PEMFC系统工程关键技术开发和系统技术集成,这是PEMFC发电系统走向实用化过程的关键。此外,天然气重整制氢技术开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车具有零排放的突出优点,在各类电动汽车发展中占有明显的优势。

氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点,赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多,例如航天器燃料、氢能飞机、氢能汽车、氢能发电、氢介质储能与输送,以及氢能空调、氢能冰箱等等,有的已经实现,有的正在开发,有的尚在探索中。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展,氢能应用范围必将不断扩大,氢能将深入到人类活动的各个方面,直至走进千家万户。

氢能：21世纪重要二次能源及世界制氢技术发展趋势

相关推荐