︿
Top

氫能拯救氣候、製氫儲氫形成有效率能源循環閉環

瀏覽次數:5592| 歡迎推文: facebook twitter wechat twitter twitter

科技產業資訊室 (iKnow) - May 發佈於 2020年12月28日
氫能(hydrogen) 是一種豐富的資源,在應對氣候變化被譽為對環境友善的燃料,可以幫助世界上污染最嚴重的石化行業大幅減少碳排放。目前,許多國家及企業越來越看中氫能未來發展價值,希望能將氫真正成為綠色能源。
 
氫能有很多優勢,就是質量能量密度非常大,是鋰離子電池的幾百倍,一噸鋰離子電池的汽車可以跑幾百公里,但同等能量密度下僅需幾公斤氫氣就足夠了。還有,氫的產物只有水,沒有二氧化碳,是一個零排放的能源媒介。例如,用於太空船的燃料及未來運輸業的動力來源。歐洲公司空中客車公司(Airbus)表示,希望在2035年之前推出世界上第一架氫動力商用飛機。同時,許多大型汽車製造商已經使用氫燃料電池於汽車製造。德國和義大利的運輸政策正在製訂氫動力火車計劃。氫被認為是化石燃料的特別有前途的替代品。像德國的Thyssenkrupp鋼鐵製造商正在試驗製造氫動力爐。
 
根據國際能源署(International Energy Agency)的數據,2017年全球氫氣生產量排放了8.3億噸二氧化碳,相當於印尼和英國的總排放量。
 
如何製氫
 
長期以來,科學家一直以電解過程從水中產生氫,也就是藉由電流通過水,將其分解為氫和氧。但是,這個過程仍需要使用到電力,以目前燃燒煤炭和天然氣來發電。
 
基於水中含有豐富的氫,氫和水之間的相互轉化可實現一個能源循環的閉環。目前,三種產生氫能之來源:
  • 第一個是綠色氫利用來自可再生能源驅動的水進行電解。這樣可以減少碳排放,但成本仍然很高。
  • 第二種是從天然氣中獲得所謂的藍色氫氣,並在此過程中使用捕獲二氧化碳技術。埃克森美孚(ExxonMobil)和埃尼(ENI)等公司,都採用這種技術來產生氫能,但是,對二氧化碳封存過程仍然不確定且成本高昂。
  • 第三種是從核電產生的低碳氫進行電解。中國是這種方法的主要支持者,然而核能在世界其他地方均不受歡迎。
產生氫能的選擇路徑,完全由成本價格和資源決定的,例如日本缺乏石油資源,會更傾向用電解水製氫;中國有豐富煤更願意用煤製氫。目前為止,全世界只有4% 的氫來自於電解水製氫,更多的是來自於化石能源製氫。
 
關於電解水製氫,就是陰極產氫和陽極產氧,兩個電極把水分裂成氫氣和氧氣的過程。電解水製氫最大的優勢在於,如果電來自於可再生能源,電解水製氫就是一個零排放技術。但是目前電解水製氫主要的一個制約因素是高電耗帶來的高成本。電解水的理論電壓是1.23 伏,電耗是2.943 度電/立方氫。但,復旦大學研究員龔鳴認為,電解水製氫可通過精準的材料設計,可比現在工業上用的催化劑降低大概20% 的能耗。
 
電解水製氫主要可以分為四大類技術:鹼槽電解、質子交換膜(PEM)電解、陰離子交換膜(AEM)電解以及高溫固體氧化物電解,其中前三類主要針對可再生能源。鹼槽電解技術相對比較成熟,適合大規模製氫,但產速較低、電耗較大。針對這兩個劣勢,質子交換膜技術可以替換鹼性電解質實現純水的電解,產速較高、電耗較低,但對應的成本較高。陰離子交換膜技術可以潛在結合兩者的優勢,但仍局限於陰離子膜的開發。而高溫氧化物電解技術可以針對核能廢熱廢電實現高產速的氫氣製備,但是相關技術仍在開發當中。
 
然而,在製氫過程更需要考慮一下氧管理,例如是否能有一種天然的資源可以捕獲氧,形成高附加值的產物?這樣就可以在產氫的同時,將水中的氧轉移到更有價值的地方去,從而進一步降低制氫的成本。
 
在整個氫能產業鏈,主要分為四個環節:製氫、儲氫、運氫、用氫,每個環節的能量效率以及是否形成閉環,是決定氫能經濟以及氫能效率的關鍵要素。
 
雖然氫能有很多優勢,但是氫能可能存在一些潛在問題,就是安全性及儲存議題。從氫氣的性質來說,氫氣是密度極低的還原性物質。密度極低就代表會持續往上升,並會最終逃出地球。而氫還原性性質導致會和大氣中很多的化學物質進行反應,例如氫會和大氣中的氧物種進行反應,形成大量的水分,這些水分會平流層的底部進行累積,使局部的溫度降低,過量的氫排放會造成臭氧層空洞惡化,不利於臭氧的形成,導致臭氧層空洞修復的整個過程變得異常緩慢。

 

圖、儲氫方式

如何儲氫
 
儲氫是保證氫能安全以及可持續性的重要環節,主要分為物理儲氫和化學儲氫。
  • 物理儲氫是通過物理隔離的方式將氫氣儲存的一種方式,效率比較高,但是實現長時間儲存會面臨一定的洩露風險,無法完成可持續性的目標。
  • 化學儲氫,則通過化學反應將氫轉化成含氫的物質進行儲存,安全性比較高,但對應整個能源循環的效率就有所下降,因為整個過程需要額外的能量。
復旦大學研究員龔鳴認為,提高儲氫可持續性的一種方式是不局限於儲氫材料的尋找,而更多地提高過程效率。比如,傳統方式是通過先製氫再儲氫的方式,整個過程步驟較多,導致過程效率疊加時的總效能下降。把製氫和儲氫結合起來,不直接產生氫氣,而是直接產生含氫的物質,將這些物質進行儲存,需要的時候再通過化學反應把氫氣釋放出來,這樣可以大大減少整個過程所需要的步驟,提高整個儲氫用氫過程的效率。
 
目前,物理儲氫是現在主流的技術,但未來大家可能更多地佈局化學儲氫。各個國家對此提出了不同的戰略,美國能源局已提出目標,去尋找一些兼顧高儲氫密度和儲氫能效的材料,尤其是固態儲氫。但目前,儲氫密度比較高的材料儲氫能效比較低,儲氫能效比較高的材料儲氫密度比較低,這個兩難的困境需要持續的研發。日本則提出液態有機物的儲氫技術,可通過液態甲苯和液態甲基環己烷之間的相互轉化,實現氫氣的安全存儲以及運輸,但同樣受限於其循環能效。
 
各國政府正鼓勵發展氫能政策
 
制定氫戰略和基礎設施是朝著零碳氫的積極一步,目前,各國政府正鼓勵發展清潔氫氣的政策。但並非所有策略都只專注於綠色氫,有些包括將煤炭、天然氣和核能轉化成氫。
 
歐盟希望到2050年氫在其能源結構比率達12%至14%,而目前僅佔2%。歐盟估計所需資金在1800億歐元(2180億美元)至4700億美元之間。在過去的一年中,荷蘭、葡萄牙、德國和法國都發布了氫能策略。德國已撥出90億歐元用於綠色氫氣。荷蘭正計劃建立“氫谷”。
 
美國國家能源局在2016 年提出了規模化氫能經濟戰略(H2@Scale),在電能的基礎上發展氫能網絡,以期電能和氫能深度融合相互支撐,提高可再生能源的利用率以及電力在整個能源系統中的比重。中國已經是氫技術的世界領導者,澳大利亞,日本,韓國也推動氫革命。
 
雖然,因政府大量補貼及技術進步,使得太陽能和風能的價格下降、以及氫的使用不斷增加可能會使其生產成本在2050年之前大幅下降。專家估計,屆時它的生產價格將在0.80美元(0.66歐元)至1.6美元/千克之間,與天然氣相當。同時,認為只有在正確選擇使用氫的情況下,氫成為更廣泛的全球能源政策的一部分,氫才能為對抗氣候變化做出真正的貢獻。(2260字;圖1)


參考資料:

Green hydrogen: A fuel bursting with climate-saving potential. EnergyWorld.com. 2020/12/10.
復旦大學青年研究員龔鳴:氫能是能源迴圈重回平衡的一個媒介。MIT科技評論,2020/12/27。 


相關文章:
1. 
歐盟、美國、中國和日本紛紛競逐氫經濟​
2. 縱使汽車廠反對,德國政府仍制定氫燃料電池生態體系的長遠國家戰略​
3. 南韓至2040年全力發展氫經濟​
4. 日澳政府合作氫能供應鏈計畫 投資3.5億美元​
5. 日本將發佈『綠色成長戰略』2050年零碳排放計劃草案​

 
歡迎來粉絲團按讚!
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------