氢经济漫谈

来源: 2022-08-18 21:31:17 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (13010 bytes)

 

氢经济漫谈

 

南伊,2022年8月18日,周四

 

氢是一种非常神奇的元素,它在化学元素周期表中排第一位。氢的突出特点包括:第一,氢最轻,它的原子质量只有 1.00794u;第二,氢最多,在浩瀚宇宙中无所不在,氢原子的数目比其它所有元素原子的总和还多一百倍。就拿我们熟知的太阳来说,氢元素就占 70% 以上。人们常说,地球表面的水最多,这就是常言说的“三山六水一分田”,而水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的,从质量上说,氢在水中也要占到 11%。第三,氢最活,除了稀有元素之外,氢能和几乎所有的元素生成化合物。

氢是一种清洁能源,它燃烧后产生的热量是汽油的三倍,而且不产生污染气体,只排放水作为副产品。科学家们相信,导致地球气候变暖的主要原因是环境污染导致的温室效应,而环境污染的罪魁祸首是“碳”的排放。传统能源导致高碳排放,比如煤炭、石油、天然气等,它们都是高碳经济的动力源泉,同时又是温室气体的主要制造者。

如何发展低碳经济,减少污染,保护地球,同时保持经济的可持续发展?人们早就想到了用氢作为替代能源,比如用氢气代替汽油驱动汽车、火车、飞机、轮船等交通工具,用氢气替代天然气为千家万户供暖、烧饭、驱动居家、商场和办公大楼的空调设备。这就需要大量的氢气产品,需要大量的存储设备,输送管道,和终端加氢设备。从氢气产品的制造、传输到最终用户的使用,需要完整的供应链和基础设施,由此产生的供给和消费市场总体就被统称为“氢经济”。

氢经济的实现绝非轻而易举一蹴而就的,这里的主要困难是用目前的技术制氢代价太高。最常见的制氢方法是电解水,目前的技术水平是每产生一公斤氢需要花费五美元。最便宜的制氢方法是加热天然气并从中提取氢,这种方法只需要 1.5 美元产生一公斤氢,但是它产生高污染,有大量的二氧化碳排出,抹杀了氢经济的初衷。由此可见,氢经济有一个内在的困难:氢虽然是清洁能源,但制造氢的过程却是有污染的。按目前的科研结果,有两种方法来解决这个内在的矛盾。

第一,用太阳能、风能等可再生能源提供电力,电解水获得氢气。再把氢气液化后进行传输,用户根据需要使用液化氢气或者汽化氢气。第二,使用传统能源作为原材料,用高热高压产生氢气,并在制氢过程中捕获碳,不让这些碳排放到大气中。

这两种方法都需要进一步完善,因而需要大量资金和政策方面的支持。前天(2022 年 8 月 16 日),美国总统拜登签署了《降低通货膨胀法案》,它规定在 10 年内投资 4370 亿美元,其中 3700 亿美元用于发展可再生能源、电动汽车和其它温室气体减排。这个法案为发展氢经济提供了动力,为保护环境,防止气候加速变化提供了支撑。比如,如果厂家能够保证最低排碳率,即每生产一公斤氢气排放 0.45 公斤的二氧化碳,生产商就有资格获得每公斤氢三美元的政府补贴。这就大大降低了制氢的成本,为氢经济起飞奠定了基础。

美国和中国是目前世界经济的领头羊,也是氢经济的排头兵。美国去年生产 1000 万吨氢,中国去年的氢产量是 2500 万吨。但是,使用可再生能源通过电解水产生的清洁氢气的产量不到总产量的 1%,所以无论美国还是中国,在氢经济的发展上都有很长的路要走。美国能源部已经制定目标,要在 2026 年将低碳氢的成本降至每公斤 2 美元,到 2031 年降至每公斤 1 美元。美国的《降低通货膨胀法案》使得氢气生产商家异常兴奋,因为他们现在生产一公斤氢要 5 美元,根据这个法案政府补贴 3 美元,这些商家现在就已经达到了能源部 2026 年每公斤氢只花费 2 美元的目标!

在《降低通货膨胀法案》之前,美国还有个《基础设施投资和就业法案》承诺投资 80 亿美元,在美国建立至少八个“区域氢能枢纽”(Regional Hydrogen Hubs),建立完整的氢经济价值链。目前,全美国已经有 22 个潜在的区域氢能枢纽提案,可见竞争何等激烈。本人所在的亚利桑那州,地处两个氢能大户之间,左边是加利福尼亚,右边是德克萨斯,一个是清洁能源的大用户,一个是石油天然气的生产基地,两者都对自己成为区域氢能枢纽信心满满,志在必得。我们亚利桑那州也有自己的独特优势,天广地袤,阳光充裕,可以提供大量的太阳能、风能发电,为绿色氢能提供支撑。我们还有全美最大的核电厂,用核发电产生的余热制氢,也能另辟蹊径,降低成本。除此之外,本州的沙漠盐丘还能为地下储藏氢能、地下埋碳提供天然场地。

上个月,欧盟批准了他们自己的氢经济计划,拨出 54 亿欧元资助 41 个氢能源项目。当然,这不仅是因为氢经济前途无量,还因为俄罗斯对欧洲关闸停气,欧盟必须想办法减低对俄罗斯天然气的严重依赖。

目前,大约有 50 个国家制定了相关政策刺激氢经济在本国的发展,其中大部分集中在运输领域。随着可再生电力成本的下降,特别是太阳能光伏和风能的发展,人们对电解水制氢的兴趣越来越大,方法越来越先进。目前大部分的电动汽车使用锂电池,而氢燃料电池将会成为电动车的主要能源,尤其是对重型车辆甚至是飞机轮船等大型运输工具,氢燃料电池有独到优势。少量的氢气可以直接注入现有的天然气管道中,为居民供暖烧饭。而对建筑物供能的长期前景将包括纯氢管道、氢气锅炉、以及直接使用氢气的燃料电池。氢的能量密度很高,直接燃烧氢气的内燃机效率比汽油内燃机高 8%,有着极为广阔的应用前途。

总之,氢气的用途非常广泛,氢经济可以帮助人类应对清洁能源的诸多挑战,为人类造福。氢经济也需要大量的科研和开发,年轻聪慧的人在这个领域将大有作为。

南伊,2022年8月18日,周四

 



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