催化中国, 中国催化分享 http://blog.sciencenet.cn/u/catachina 化学家(www.chemj.cn)

博文

几篇“氢能”相关的基础性知识介绍文章

已有 9204 次阅读 2007-10-7 18:52 |个人分类:休闲灌水娱乐|系统分类:科研笔记



绿色能源--氢能
引言
  煤炭石油等矿物燃料的广泛使用,已对全球环境造成严重污染,甚至对人类自身的生存造成威胁。同时矿物燃料的存量,是一个有限量,也会随着过度开采而枯竭。因此,当前在设法降低现有常规 能源(如煤、石油等)造成污染环境的同时,清洁能源的开发与应用是大势所趋。氢能是理想的清洁能源之一,已广泛引起人们的重视。氢不仅是一种清洁能源而且 也是一种优良的能源载体,具有可储的特性。储能是合理利用能量的一种方式。太阳能、风能分散间歇发电装置及电网负荷的峰谷差或有大量廉价电能能都可以转化为氢能储存,供需要时再使用,这种储能方式分散灵活。氢能也具有可输的特性,如在一定条件下将电能转化为氢能,输氢较输电有一定的优越性。科学家认为,氢能在二十一世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源。
l、氢的产生途径
  1.1电解水制氢.
  水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程,因此只要提供一定形式一定能量,则可使水分解。提供电能使水分解制得氢气的效率一般在75 -85%,其工艺过程简单,无污染,但消耗电量大,因此其应用受到一定的限制。利用电网峰谷差电解水制氢,作为一种贮能手段也具有特点。我国水力资源丰 富,利用水电发电,电解水制氢有其发展前景。太阳能取之不尽,其中利用光电制氢的方法即称为太阳能氢能系统,国外已进行实验性研究。随着太阳电池转换能量 效率的提高,成本的降低及使用寿命的延长,其用于制氢的前景不可估量。同时,太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节,贮存 转化能量,使得对用户的能量供应更为灵活方便。供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢,达到储能的目的。我国各种规模的水电解制氢装置数以百计,但 均为小型电解制氢设备,其目的均为制提氢气作料而非作为能源。随着氢能应用的逐步扩大,水电解制氢方法必将得到发展。
  1.2矿物燃料制氢
  以煤、石油及天然气为原料制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。该方法在我国都具有成熟的工艺,并建有工业生产装置。
  (1)煤为原料制取氢气
  在我国能源结构中,在今后相当长一段时间内,煤炭还将是主要能源。如何提高煤的利用效率及减少对环境的污染是需不断研究的课题,将煤炭转化为氢是其途径之一。
   以煤为原料制取含氢气体的方法主要有两种:一是煤的焦化(或称高温干馏),二是煤的气化。焦化是指煤在隔绝空气条件下,在90-1000℃制取焦碳副产 品为焦炉煤气。焦炉煤气组成中含氢气55-60%(体积)甲烷23-27%、一氧化碳6-8%等。每吨煤可得煤气300-350m3,可作为城市煤气,亦是制取氢气的原料。煤的气化是指煤在高温常压或加压下,与气化剂反应转化成气体产物。气化剂 为水蒸汽或氧所(空气),气体产物中含有氢有等组份,其含量随不同气化方法而异。我国有大批中小型合成氢厂,均以煤为原料,气化后制得含氢煤气作为合成氨 的原料。这是一种具有我国特点的取得氢源方法。采用OGI固定床式气化炉,可间歇操作生产制得水煤气。该装置投资小,操作容易,其气体产物组成主要是氢及 一氧化碳,其中氢气可达60%以上,经转化后可制得纯氢。采用煤气化制氢方法,其设备费占投资主要部分。煤地下气化方法近数十年已为人们所重视。地下气化 技术具有煤资源利用率高及减少或避免地表环境破坏等优点。中国矿业大学余力等开发并完善了“长通道、大断面、两阶段地下煤气化”生产水煤 气的新工艺,煤气中氢气含量达50%以上,在唐山刘庄已进行工业性运转,可日产水煤气5万m3,如再经转化及变压吸附法提纯可制得廉价氢气,该法在我国 具有一定开发前景.我国对煤制氢技术的掌握已有良好的基础,特别是大批中小型合成氨厂的制氢装置遍布各地,为今后提供氢源创造了条件。我国自行开发的地下 煤气化制水煤气获得廉价氢气的工艺已取得阶段成果,具有开发前景,值得重视。
  (2)以天然气或轻质油为原料制取氢气
  该法是在催化剂存在下与水蒸汽反应转化制得氢气。主要发生下述反应:
   CH4+H2O→CO+H2
   CO+H2O→COZ+HZ
   CnH2h+2+Nh2O→nCO+(Zh+l)HZ
  反应在800-820℃下进行。从上述反应可知,也有部分氢气来自水蒸汽。用该法制得的气体组成 中,氢气含量可达74%(体积),其生产成本主要取决于原料价格,我国轻质油价格高,制气成本贵,采用受到限制。大多数大型合成氨合成甲醇工厂均采用天然 气为原料,催化水蒸汽转化制氢的工艺。我国在该领域进行了大量有成效的研究工作,并建有大批工业生产装置。我国曾开发采用间歇式天然气蒸汽转化制氢工艺, 制取小型合成氨厂的原料,这种方法不必用采高温合金转化炉,装置投资成本低。以石油及天然气为原料制氢的工艺已十分成熟,但因受原料的限制目前主要用于制 取化工原料。
  (3)以重油为原料部分氧化法制取氢气
  重油原料包括有常压、减压渣油及石油深度加工后的燃料油,重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需热量及一定的反应温度。该法生产的氢气产物成本中,原料费约占三分之一,而重油价格较低,故为人们重视。我国建有大型重油部分氧化法制氢装置,用于制取合成氢的原料。
  1.3生物质制氢
  生物质资源丰富,是重要的可再生能源。生物质可通过气化和微生物制氢。
   (1)生物质气化制氢
  将生物质原料如薪柴、麦秸、稻草等压制成型,在气化炉(或裂解炉)中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料。我国在生物质气化技术领域的研究已取得一定成果,在国外,由于转化技术的提高,生物质气化已能大规模生产水煤气,其氢气含量大大提高。
  (2)微生物制氢
  微生物制氢技术亦受人们的关注。利用微生物在常温常压下进行酶催反应可制得氢气。生物质产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。属于化能营养微生物的是各种发酵类型的一些严格厌氧菌和兼性厌氧菌)发酵微生物放氢的原始基质是各种碳水化合物、蛋白质等。目前已有利用碳水化合物发酵制氢的专利,并利用所产生的氢气作为发电的能源。光合微生物如微型藻类和光合作用细菌的产氢过程与光合作用相联系,称光合产氢。
  1.4其它合氢物质制氢
   国外曾研究从硫化氢中制取氢气。我国有丰富的H25资源,如河北省赵兰庄油气田开采的天然气中H多含量高达90%以上,其储量达数千万吨,是一种宝贵资 源,从硫化氢中制氢有各种方法,我国在90年代开展了多方面的研究,各种研究结果将为今后充分合理利用宝贵资源,提供清洁能源及化工原料奠定基础。
  1.5各种化工过程副产氢气的回收
  多种化工过程如电解食盐制碱工业、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,如能采取适当的措施进行氢气的分离回收,每年可得到数亿立方米的氢气。这是一项不容忽视的资源,应设法加以回收利用。目前化工厂副产氢气的回收,可提供一种较为廉价的氢源,应予以重视。
  2、氢的解和运输
  氢在一般条件下是以气态形式存在的,这就为贮存和运输带来了很大的困难。氢的贮存有三种方法:高压气态贮存;低温液氢贮存;金属氢化物贮存。
  2.l气态贮存
  气态氢可贮存在地下库里,也可装人钢瓶中,为减小贮存体积,必须先将氢气压缩,为此需消耗较多的压缩功。一般一个充气压力为 20mp的高压钢瓶贮氢重量占只1.6%;供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5%。为提高贮氢量,目前正在研究一种微孔结构的储氢装置,它是一微型球床。微型球系薄壁(1—10um),充满微孔(l0-10um),氢气贮存在微孔中,微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。
  2.2、低温液氢贮存
  将氢气冷却到-253℃,即可呈液态,然后,将其贮存在高真空的绝热容器中,液氢贮存工艺首先用于宇航中,其贮存成本较贵,安全技术也比较复杂.高度绝热的贮氢容器是目前研究的重点,现在一种间壁间充满中孔微珠的绝热容器已经问世。这种二氧化硅的微珠导热系数极小,其颗粒又非常细可完全抑制颗粒间的对流换热,将部分镀铝微珠(一般约为3%-5%)混入不镀铝的微珠中可有效地切断辐射传热。这种新型的热绝缘容器不需抽真空,其绝热效果远优于普遍高真空的绝热容器,是一种理想的液氢贮存罐,美国宇航局已广泛采用这种新型的贮氢容器。
  2.3、金属氢化物贮存
  氢与氢化金属之间可以进行可逆反应,当外界有热量加给金属氢化物时,它就分解为氢化金属并放出氢气。反之氢和氢化金属构成氢化物时,氢就以固态结合的形式储于其中,用来贮氢的氢化金属大多为由多种元素组成的合金。目前世界上己研究成功多种贮氢合金,它们大致可以分为四类:一是稀土锎镍等,每公斤锎镍合金可贮氢153L。二是铁一钛系,它是目前使用最多的贮氢材料,其贮氢量大, 是前者的4倍,且价格低,活性大,还可在常温常压下释放氢,给使用带来很大的方便。三是镁系,这是吸氢量最大的金属元素,但它需要在287℃下才能释放 氢,且吸收氢十分缓慢,因而使用上受限制。四是钒、铌、锆等多元素系,这类金属本身属稀贵金属,因此进一步研究氢化金属本身的化学物理性质,包括平衡压力 一温度曲线、生成食转化反应速度,化学及机械稳定性等,寻求更好的贮氢材料仍是氢开发利用中值得注意的问题。带金属氢化物的贮氢装置既有固定式也有移动 式,它们既可作为氢燃料和氢物料的供应来源,也可用于吸收废热,储存太阳能,还可作氢泵或氢压缩机使用。
  2.4、氢气的运输
  氢虽然有很好的可运输性,但不论是气态氢还是液氢,它们在使用过程中都存在在着不可忽视的特 殊问题,首先,由于氢特别轻,与其他燃料相比在运输和使用过程中单位能量所占的体积特别大,即使液态氢也是如此。其次,氢特别容易泄漏,以氢作燃料的汽车 行驶试验证明,即使是真空密封的氢燃料箱,每24h的泄漏率就达2%,而汽油一般一个月才泄漏1%,因此对贮氢容器和输氢管道、接头、阀门都要采取特殊的 密封措施。第三,液氢的温度极低,只要有一点滴掉在皮肤上就会发生严重的冻伤,因此在运输和使用过程中应特别注意采取各种安全措施。
3、氢能利用
   早在第二次世界大战期间,氢即用作A—2火箭发动机的液体推进剂。1960年液氢首次用作航天动力燃料。1970年美国发射的“阿波罗”登月飞船使用的 起飞火箭也是用液氢作燃料。现在氢已是火箭领域的用燃料了。对现代航天飞机而言,减轻燃料自重,增加有效载何变得更为重要。氢的能量密度很高,是普遍汽 油的3倍,这意味着燃料的自重可减轻2/3,这对航天飞机无疑是极为有利的。今天的航天飞机以氢作为发动机的推进剂,以纯氧分为氧化剂,液氢就装在外部推 进剂桶内,每次发射需用 1450m3,重约100t。
  现在科学家们正在研究一种“固态氢”的宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料,又作为飞船的动力燃料。在飞行期间,飞船上所有的非重要零件都可以转作能源而“消耗掉”。这样飞船在宇宙中就能飞行更长的时间。
  氢是21世纪重要的能源载体。以氢为燃料的燃料电池,燃烧时氢与氧结合生成水,是一种洁净的发电技术,顺应了全球的环保大趋势。
  当前,世界著名的汽车厂商,为发展环保型汽车,加紧更新传统的车用燃料,纷纷决定采用氢能,掀起了一场氢能汽车开发的热潮。实验证明,使用氢燃料电池的汽车排放的碳仅为常规内燃机的30%,造成的大气污染仅为内燃机的5%,美国汽车工业协会预测,到2002年,美国将生产约50万- 100万辆氢能汽车。
  除汽车外,200年开始,美国、欧洲和日本将在飞机上推广氢燃料。据欧洲空中客车飞机公司预测, 最迟将于2002年,欧洲生产的飞机可大规模采用液氢为燃料。由于液态氢的工作温度为-253℃,因此必须改进目前的飞机燃料系统。德国戴姆勒一奔驰航空 公司和俄罗斯航空公司已从1996年开始进行试验,证实在配备有双发动机的喷气机中使用液氢,其安全性有足够的保证。另外,由于同等重量的氢和汽油相比, 氢提供的能量是汽油的3倍,但即使液态氢也需要4倍于汽油的容积,从而飞机设计师们面临的任务是将传统的机翼设计成可以容纳更多液氢的新型构造。
  氢能的开发与应用研究在我国尚处于起步阶段,但随着技术进步,环境对清洁能源的要求不断提高,氢能利用是发展的必然趋势,对氢源供应的要求必将日益增加。在发展过程中,应结合我国情况积极开展扩大氢源、降低价格的研究,以便取得较好的经济效益和社会效益。
4、结束语
   不久的将来,“氢经济社会”节省下石油、煤炭等化石燃料资源,基本废除内燃机动力系统,实现无污染排放,缓解温室效应,让环境更洁净、空气更清新。同 时,氢能的使用也会带动可再生能源设备:电解水设备、燃料电池、储氢器等一系列新兴制造产业,全面推动经济发展。而核聚变电站、太阳能电站、风力电站及潮 汐电站的发展又可以与氢能技术进一步结合,把人类利用能源的水平提高到新的水平。
  总之,氢能的研究与开发有广宽的前景,随着氢能应用领域的逐步成熟与扩大,必然推动制氢方法研究与开发。



世界氢能研发现状


氢 能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能应用在200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研 究。随着国际气候变化和对石油进口依赖程度的不断加深,导致人们对氢能市场生存能力发展的普遍兴趣。从历史的角度上说,能源观念的转变需要花费几十年才能 实现,一定范围内政府、跨国公司和个人企业对氢能产业的推动将是加速能源转换的必要因素。已有的一些有关氢能研发顺序的问题也会影响氢能经济的发展方向。 目前氢能研究主要集中在如下三个方面:

一、机动车辆公司

几乎所有主要的汽车公司和在美国、欧洲和日本的几家小型公司都积极立项开发氢能汽车。大多数汽车公司的氢能汽车原型需要使用燃料电池。20世纪60年代宝 马车率先研发氢能汽车模型,开此行业先河。它现在的汽车采用液氢供能且最高限速为240英里,希望到2010年提供使用。本田汽车和丰田汽车于2002年 12月在加利福尼亚首次投放几辆氢能动力燃料电池汽车,并希望与宝马汽车和Nissan汽车共同进入美国的汽车零售市场,成为汽车行业的“新军”,这些燃 料电池汽车最高限速235英里,这些汽车制造商计划于2004年在美国的加利福尼亚出售80辆不同类型的氢能汽车。其他汽车公司在2004年也相继做了些 安排。GM公司计划大量生产一种被称为"自控"的、时速可达200英里的燃料电池汽车。由于这种车零部件较少,预期生产成本较低,起初GM的销售目标为 100万辆,到2010年前承担全世界的"自控"车销售,尽管这个数额可能到2015~2025年实现更加现实一些。第三家美国主要的汽车制造商福特公司 计划于2004年下半年在萨克拉曼、底特律、奥兰多试制30种混合燃料电池汽车,BP公司和Ballard公司也对此项计划予以支持。 在这些市场计划中还隐含着对氢燃料传输基础设施、小型蒸汽及甲烷重整器、地区燃料站电解剂的需求及其成本的预想。但在当前,氢能汽车的费用远远超出了人们 的承受能力,超出了降低空气污染、温室气体、以及提高能源安全性成本效益选择。

二、能源公司

BP和Royal Dutch Shell两家跨国石油公司立足于氢能研发和改革技术:Shell公司和BP公司分别于1998和1999年设立了性质不同的商业单位以从事氢能的研发。 同时由两家主要的石油公司承担了可再生能源发展和减少温室气体排放研发重任。ChevronTexaco和Exxon Mobil公司也设立了氢能研究计划,只是Exxon Mobil公司在减少温室气体排放的相关研究上承担较少。 BP和Shell公司的研究内容广泛地涉猎了世界范围的氢能研究计划,到2006年Shell公司已投资10亿美元从事氢能研发和商业化活动。另一个具有 氢能实践经验的能源公司的工作是发展氢燃料供应站和氢能高速公路。除主要的石油公司外,Stuart 能源系统公司、Linde AG和空气产品与化学品公司已将其营业范围扩大到氢能零售。欧洲几个著名氢能经济发展国正在努力开展研发工作,特别是冰岛和欧洲联盟分别在1999年和 2002年的前景规划中确立了本国将成为世界氢能经济强国的地位。

三、燃料电池公司

虽然燃料电池价格非常昂贵且氢能使用并非电动汽车所必需,但其实践应用仍得到人们审慎郑重的思考。这是因为氢能电池在将氢和氧转换为低压、直流电时可达 55%~60%高效能,是内燃机效率的三倍。实验室实验表明燃料电池可发挥85%的潜在效率,甚至更高。在将其与一台具有80%效能的电动机联合使用时, 可产生高于直接使用氢能内燃机2~3倍的效能。起码有一半的优势燃料电池技术可以利用,研究者们正在从事质子交换膜(PEM)的研究,质子交换膜技术是在 电解时用碳氟化合物与一个Nafion类型的聚合体膜进行离子交换,质子交换膜电池具有起动速度快、高能量密度和耐久性强的优势。质子交换膜电池的工作温 度在50℃~80℃间,能够按照汽车运行电量的需求变化调整电量的输出。世界上已有100多家燃料电池生产商,除此之外,还有许多的汽车和石油公司积极参 与该领域的研发、生产工作。Ballard是一家大型且正处于蓬勃发展时期的加拿大公司,与DaimlerChrysler和Ford公司共担10年风 险,计划投入10亿美元资金,到2010~2012年打造生产商业实用型氢能汽车,目前尚未有利润回报,因而其计划和商业前景与其产品的主要用户紧密相 连。

目前各国政府也都推出了各自的的氢能研发计划及相关政策

一、美国和加拿大

北美对氢能研发产生兴趣始于1973年的石油危机,当时成立了国际氢能协会,并在美国迈阿密海滩召开了有关该主题的第一届国际会议,美国能源研究开发署 (ERDA)对氢能研究计划加以扶持,作为对美国政府能源自给不成功计划部分的一种弥补。但投入资金在20世纪70年代每年从未超过2.4亿美元,少于西 欧同类计划的资金投入。美国政府资金投入持续下降至20世纪80年代,直到20世纪90年代,伴随着对全球气候变化和减少石油进口依赖关注程度的提高才得 以回升。

加拿大也已成为发展氢能和燃料电池技术的最活跃的国家之一,并在这一领域众多主导行业中占有独特地位,加拿大工业部是两个政府领导机构之一,它与加拿大自 然资源部联合设立了一个技术合作企业计划,以加速氢能技术的发展、商业化和及早采用。还将分配0.2亿加元给优秀的技术革新计划,这些计划涉及性能提高和 降低成本方面的技术。然而对于能源原材料供给,加拿大在此方面做出的努力所得到的结果尚不清楚,充足而又廉价的水力电气资源在一些省可能依然受到偏爱。

二、巴西

巴西关注可选择能源的发展已有30年历史,自1973~1974年国际石油危机以后,于1975年提出国家乙醇计划,随即巴西成为世界乙醇燃料发展规模最 大的国家,特别是供汽车使用的含水乙醇和乙醇-汽油混合燃料,这种燃料由蔗糖发酵而成,每年总产量超过30亿加仑。由于该系统由原始能量转换而成,产品仅 有33%能够符合乙醇燃料的要求,因此,研究提高生产效率的技术尤为重要。巴西正在进行这样一项研究:将生物能量转换成氢。假设巴西本国的再生能源、水力 电力能以及生物燃料具有很高的可依赖度,政府预言可将这些能源作为氢能生产的基础原料。将风能和光电电池应用于氢生产也是可能的,在巴西应用非峰值水力电 气进行大规模的电解氢生产应考虑到其成本仅为从化石燃料中获取氢的一半。已有50万吨的氢供工业应用,然而,这些仅是巴西氢能源研发的一个开端。

三、冰岛和挪威

两个最为关注氢能经济发展的国家是位于北欧地区的冰岛和挪威。冰岛曾于1999年2月公开发表一项引起世人关注的国家目标:至2030年冰岛要将其经济过 渡到氢能经济。由于没有化石燃料资源,拥有2.94万居民的冰岛开始着手开发本国丰富的水力电力资源和地热资源,以此满足超过一半的能源需求以及接近 100%的电力需求。冰岛重要的汽车业与船舶业所赖以生存的石油进口代价十分高昂,进而成为促成氢能经济发展规划形成的动因。由于低廉的2分/kWh的电 力价格,冰岛每年可生产出2000吨电解氢,希望通过提供充足的可再生氢以满足本国整个运输业的能源需求。

虽然挪威也有近100%可再生电力能源产生于本国丰富的水力电力资源,但与冰岛不同,挪威在丰富的天然气资源、产品、高级轿车、石油以及柴油机燃料等方面 存在高额税收。这些情况使得挪威极为适合实现向氢能利用方面的转变。挪威于2003年建立了国家氢能委员会,并于2004年递交了委员会报告。报告制定了 最初的10年发展规划并推荐借鉴美国的125~145美元债券方法,用发行长期债券的方法来收回短期债券。挪威已在斯塔万格与奥斯陆之间建成一条长达 580公里的氢能高速公路,沿着这条高速公路将建成几个新型燃料供应站(Bak,2003c)。北美西海岸也有类似的氢能高速公路计划。

四、欧盟

伴随着德国制定的欧洲大陆最先进的氢能规划出台,最重要且最具首创精神的区域政策的制定当属欧盟(EU)和欧洲委员会(EC)。2003年,欧盟(EU) 和欧洲委员会(EC)发表的一篇重要报告和行动计划,阐述了有关氢能利用的远大前景。这篇报告是欧洲委员会承诺长期发展氢经济的重要文件,各个国家政治团 体对该项工作的重视程度已超过了冰岛和日本。

2010年前的阶段目标是研制以天然气为原料的用于发电的初级燃料电池产品。专家组认为到2020年成员国当中会有5%的新型汽车和2%的船舶使用氢能产 品,到2030~2040年市场占有额会不断提高,并预计在2020~2050年间可再生能源和先进的核能会成为主要的氢能源。尽管在天然气技术发展道路 上会有一些危险性,但欧洲委员会预言即使在遥远的未来,来源于碳隔离化石燃料的氢能产品与可再生能源及核能一起都将仍然扮演重要的角色。

五、日本和韩国

在国际上,日本在努力发展氢经济方面是最具影响力的国家之一,不仅表现在研发上,而且体现在产品计划上。以下几个方面的因素决定了日本的先导地位:日本政 府承诺签署到2010年减少6%温室气体的目标草案;日本本国运输行业对石油进口的极大依赖性;日本需要维护本国高新技术形象和经济两方面超级强国的地 位。

世界能源网工程估计氢能产品来源于可再生能源的潜力在日本可达到210G Nm3/年,预计到2030年可再生氢能产品仅占到氢能产品消费总量的大约15%。据估计,日本到2030年氢能产品的消费总量为49.6G Nm3/年,仅占能源消费总量的大约4%。液化法已成为储存与运输大规模氢能产品的主要方法。世界能源网工程已广泛地开展液化设备与液化罐的研发工作。对 氢燃烧汽轮机的研发是世界能源网工程研发的另一重要领域,预期具有60%效率的实验设备将用于试验开发。据世界能源网预测,在近期内甲醇和汽油重整仍将是 最具可行性的燃料电池应用技术,而将纯氢能技术的应用作为一项长期目标。




国外氢能技术路线图及其启示

2003年世界石油产量约34.04亿吨,比2002年增长4%,同期我国石油消耗增长超过15%,成为仅次于美国的全球第二大原油消 耗国。而按目前石油的探明储量和消耗速度,世界石油的平稳供应仅能维持40多年,石油枯竭是必然趋势,开发可替代能源已成为全球性紧迫课题。许多国外学者 认为,从经济性、技术性、机动性、环境友好特征等因素综合考虑,氢能是未来最有可能替代石油的动力燃料。作为清洁能源,开发氢能还将带动各种可再生能源的 发展,引发新的能源革命,使人类进入“氢经济时代”。
 目前,美、欧、日都从国家可持续发展和安全战略的高度,制定了长期的氢能源发展战略。美能源部2001年1月公布了《向氢经济过渡的2030年 远景展望报告》;2002年11月出台了《国家氢能源发展蓝图报告》;2003年1月布什总统在《国情咨文》中正式宣布启动《国家氢燃料研究计划》。欧盟 2002年10月成立了由欧盟委员会副主席帕拉西奥领导的氢能源和燃料电池高级专家组,并在2003年6月发表了《未来氢能和燃料电池展望总结报告》;欧 盟委员会主席普罗迪2003年还宣布将在未来5年内投入20亿欧元进行氢能研究,并将有关研究列入第六个研究框架计划。日本通产省1993年启动了发展氢 能和燃料电池的“新阳光计划”;2003年又推出投资110亿美元开发氢能的《WE—NET》计划。从美、欧、日情况来看,对氢能未来的前景已有非常清楚 的认识。氢能已不是该不该发展的问题,而是如何加快发展的问题。正如美国《向氢经济过渡的2030年远景展望报告》中阐述的,“氢能是美国清洁能源的必然 选择”,不容置疑。战略上明确了,合乎逻辑的进展就是要制定国家发展氢能的路线图,使政策和战略落到实处。一个好的战略需要有一个好的路线图来保障,欧美 近年来在实施重大科技战略中,非常强调路线图的概念。路线图通俗地说就是按照既定的方针,有时间性和阶段性地实施计划。

一、美国氢能技术路线图概况
 目前美国的氢能发展路线图从时间上分为4个阶段,即2000年至2040年,每10年一个阶段,每个阶段发展的侧重点不同,但相互关联。美国氢 能路线图时间的设定基本与世界三大石油公司预测的世界石油短缺年限一致,2003年Shell、Exxon、BP的报告都预测,世界石油的正常供应只够维 持40多年。
从路线图计划的内容来看,美国第一阶段称为技术、政策和市场开发阶段,重点是:降低燃料电池制造成本;开发固定储氢装置,主要是金属氢材料,也 包括开发碳结构(如纳米管)和玻璃微球状结构;天然气继续作为制氢的主要原料;开发氢内燃机和继续完善氢燃料电池;进一步发展固定式质子交换膜燃料电池; 汽车制造商开始批量生产氢燃料汽车;在建筑物中增加燃料电池组合供热、供能的试验;继续开发便携式氢燃料电池装置。第一阶段还包括出台与氢能有关的能源和 环境政策,包括减少能源进口;控制温室气体排放;控制大气污染。在全球制定和完成安全使用氢能的标准;在美国完成电和天然气的市场结构重组,扩大分布式能 源系统的应用,政府加强责任、许可和法律、法规的制定,构筑氢能商业化发展框架。
第二阶段称为向市场过渡阶段。在此阶段适用于氢经济的许多重要技术进一步被挖掘,最重要的突破是通过发展大批量的固定和移动装置,从而降低燃料 电池成本;氢能供应的初始阶段已经就位,尤其是氢能廉价的生产和储存;天然气依旧是制氢的主要途径,煤的汽化、核能及可再生能源技术使用比重增加;重量 轻、成本低的储氢装置开始商业化;能源生产基地和燃料供应站将包含分布式氢能生产系统,有些还包括可再生能源(如太阳能和风能);一些将使用光生物和光化 学技术;将进一步开发和广泛使用水力氢内燃机。联邦和州政府在推动氢能技术向市场过渡方面将扮演重要角色。许多政府或公共部门将成为氢能的“第一用户”, 如公共汽车,城市管理部门、消防、公安将使用分布式能源装置,以确保连续供应,氢能系统以其对环境的优势将被重点采纳。氢能系统的军事应用也将出现,如车 辆、舰艇和飞机。建筑物将大量使用氢燃料电池供热和供能。
第三阶段被称为市场和基础设施扩张阶段。这一阶段先进技术已极大地减少制氢成本,公交车辆和政府车辆将普遍使用氢燃料电池。氢能的开发已从局部 向全面推广,建立国家氢能基础设施。尽管氢已能通过多种途径生产,但煤和生物质还是作为主要的原料。大大小小的压力储氢容器将开始大规模生产,其他一些储 存技术,如碳结构将根据商业化需要进入开发阶段。国家政策将支持氢能市场化扩展,国家和地方标准开始实施,使氢技术的效率变得更高。
第四阶段是走进氢经济时代。这一阶段氢能将最终取代化石能源成为市场上最广泛使用的终端能源。经济性和对环境友好特性意味着氢将大量和廉价地来 自于可再生能源制造,利用生物系统的氢“农场”,如藻类作物就可以制造氢,从煤和生物质汽化工厂也能大量地制造氢,生产中碳的回收减少了大气污染,被回收 的碳还可以作为原料,制造其他材料。国家支持氢燃料和电力生产基础设施到位,美国公司花费数十年开发的氢技术开始向全球出口和提供服务。美国公民将享受到 清洁能源系统带来的经济和环境的诸多好处。随着技术、市场和政策的完善,个人氢能交通车辆的市场自然形成。氢能车辆无论白天、黑夜都能提供动力和热能,能 源的生产和运输部门的界限变得越来越模糊,氢经济将真正成为现实。

二、欧盟氢能技术路线图概况
欧盟氢能技术路线图从时间上划分为三个阶段,即短期,从2000年到2010年;中期,从2010年到2020年;中远期,从2020年到 2050年。三阶段开发氢能的目标和侧重点各有所不同,但基本上也体现了欧盟发展氢能政策的连续性和一贯性。欧盟在由化石能源向氢能和可再生能源转型过程 中,重点引入了可再生能源概念,利用风能、太阳能和生物质等生产氢能,强调利用可再生资源对减少温室气体和污染的作用。
欧盟实施氢能技术路线图的第一阶段重点内容是:提高使用可再生能源生产电的比例,由此通过电解等方法制取氢;提高化石能源技术的功效和化石液化 燃料的质量;开始氢能和燃料电池的初级市场的应用,通过示范项目使公众逐步接受氢能概念;建设氢能管道系统,实施用于固定和移动应用的氢燃料加注IC工 程;支持氢能基础设施的早期开发,解决关键技术瓶颈,如氢的制取、储存、安全;完善燃料电池的性能和价格。这一阶段将开发小于500千瓦的固定式高温燃料 电池系统(MCFC/SOFC);开发小于300千瓦的固定式低温燃料电池系统(PEM)。
技术路线图的第二阶段重点内容是:继续增加生物质液化燃料的使用;继续使用通过化石原料(包括煤)转化为氢和燃料电池,这将有利于逐步实现氢经 济和减少二氧化碳,这样产生的氢适合于常规的燃烧系统、氢气涡轮发电机和燃料电池系统,减少温室气体和污染物排放;完善可再生能源制氢系统,继续研究和开 发其他无碳能源,如太阳能和先进的核能;系列化生产燃料电池汽车和其它运输工具,并使具有价格竞争力的氢能汽车进入家庭;建造分布式燃料电池电力供应站, 使高温燃料电池系统(SOFC)达到小于1万千瓦级水平。欧盟要求到2020年,新的氢燃料家用车比例要达到5%,其他氢燃料交通工具比例达到2%。所有 车的平均二氧化碳排放量减少2.8s/km,二氧化碳年排放量减少1500万吨。
第三阶段将使氢能满足不断增长的能源需求,通过大量使用可再生能源和先进核能生产氢能;扩大氢能的分配网络,保持环境的良性循环;将目前30% 的加油站改建成加氢站,氢燃料汽车成为家庭用车的首选;逐渐改变目前以电力生产和电网分配为中心的能源供应模式,取而代之的是以燃料电池和智能网络分配为 特征的分布式供能模式,氢能经济基本取代传统的化石能源经济。欧盟要求到2040年,新的氢燃料家用车比例要达到35%,其他氢燃料交通工具比例达到 32%。所有车的平均二氧化碳排放量减少44.8g/km,二氧化碳年排放量减少2.4亿吨。

三、国外氢能技术路线图对我国的启示
从美国和欧盟的氢能技术路线图来看,两者不约而同地都将氢能作为可持续能源政策的核心内容,从能源安全、环境保护以及国家安全的战略高度来规划 路线图。强调路线图计划的现实性和可操作性,强调政府的宏观调控与市场机制的结合;强调基础设施建设并要循序渐进;强调法律、法规和国际合作的重要性。这 些政策框架基本符合了发展氢能的战略需求,因此我认为,制定我国氢能技术路线图也应在此前提下考虑。
目前我国经济的高速增长正越来越受到能源和环境问题的制约,能源短缺和环境恶化成为影响中国可持续发展最棘手的问题,所以尽快制定符合我国国情的氢能源发展战略和具有明确议程的氢能技术路线图显得格外重要。为此,提出如下几点建议:

(一)将开发氢能列入国家长期能源战略
 目前,我国还没有制定专门关于氢能的中长期发展战略和详细的实施计划。由于能源政策不到位,一些部门和地方产业政策不符合未来能源发展和环境保 护要求,导致能源供求关系经常失衡、能源浪费和环境破坏。因此政府有必要从有利于我国经济长期稳定发展、有利于资源利用和环境保护、有利于能源安全和减少 国际冲突前提出发,制定符合我国国情的长期氢能源发展战略,在此基础上规划我国未来氢经济的发展模式和产业模式,加大对氢能源开发的投资力度。

(二)制定目标明确的氢能源开发路线图
虽然国家有关部门制定的我国中长期能源发展计划中涉及到氢能,但没有阶段性的明确目标和具体行动议程,结果造成盲目研发、重复研发、资金浪费、 难见成效。因此,政府和有关部门需制定有阶段性目标和衡量指标的氢能源发展路线图,并落实到具体研发机构。实施氢能产业化还需要政府有关部门通力合作,除 了政府主导和投资外,还应进一步促进地方和民间私有资本发展氢能源。

 (三)建立产、学、研合作机制和合作平台
 目前我国的氢能开发还处于跟踪国外技术阶段,国家“863”和“973”计划虽然已投入一定的经费,但离产业化目标还相去甚远。要实现这一目 标,需要借鉴国外的经验,尽快建立产、学、研合作平台,集中各方优势,完善氢能技术评估、交流、合作机制,以此推动中小企业参与氢能技术和产品开发。应建 立几个国家氢能源重点实验室,并促使国家大型能源企业和汽车制造企业参与氢能开发进程。

(四)加快基础设施和示范项目建设
“氢经济时代”不是自然而来,不可能坐享其成,需要提前发展基础设施,包括氢能管道网、储存设施、加氢站等。在目前的城市天然气管线、加油站等 基础设施建设中,要考虑与未来氢能源的兼容性,将氢能基础设施建设纳入国家基础设施建设和城市建设的整体规划中。另外需加快氢燃料公交车辆等示范项目的研 发和普及,通过政府扶持的公共项目,使公众逐步认识氢能源可能给经济、社会和生活带来的巨大变化。

(五)开发有中国特色的氢能源技术
我国研究部门应加强自主知识产权的氢能源技术和产品开发,应根据我国煤炭、风能、太阳能资源丰富的特点,开发有中国特色的氢能源生产技术。中短 期内应利用现有的石油和化工制氢能力,发展天然气与氢气混合的富氢技术,研究清洁煤和可再生能源制氢技术。中长期内应使清洁煤制氢技术和可再生能源制氢技 术实现产业化,逐步实现高效、廉价、安全的氢能源生产和使用。

(六)加强标准化研究和国际合作
氢能产品制造规范、技术标准、以及安全性和可靠性研究将直接关系到未来产业化实施,因此,研究部门要关注技术标准和产业化研究。美、欧、日、中 等16个国家已正式建立了“氢能经济国际伙伴关系”(IPHE),中国也已成为国际能源署(IEA)的重要成员。我国应充分利用各种国际合作机制,发展有 中国特色、与国际接轨的氢能源经济。




一个很不错的网站:
http://www.86ne.com/Hydric/



https://blog.sciencenet.cn/blog-3913-8502.html

上一篇:《应用物理快报》发表新成果——同步辐射X射线散斑方法在弛豫铁电体材料极化纳米区域无损伤观测研究中取得进展
下一篇:【网络资源推荐】吉林大学化学学院网络学堂
收藏 IP: .*| 热度|

1 梁庆华

发表评论 评论 (1 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-4-27 03:37

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部