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人类大量使用化石能源致使二氧化碳排放量不断增加,根据相关统计,全球温室气体排放量的73%源于能源消耗。大量的温室气体排放造成温室效应加剧,全球气温已较工业化前水平高约1℃。两极地区冰川融化,极寒地区的冻土、冰川解冻,海平面升高,极端天气出现次数增多,环境的改变影响着人类以及其他生物的生存。为了减缓全球气候变暖,人们必须使用清洁能源。目前,氢能是最清洁的能源,燃烧后的产物是水。但是其不能直接获取,是二次能源。
在目前的能源结构中,石油、天然气、风能、太阳能等属于一次能源是未经加工的,很难直接利用。需加工转换成电能、汽油等二次能源,才能方便利用。氢能的获取也需要其他能源的制备,人们无法直接利用氢能。根据制备方式的不同,就可将氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢。
什么是灰氢、蓝氢、绿氢
灰氢
灰氢,是通过化石燃料(例如石油、天然气、煤炭等)燃烧产生的氢气,在生产过程中会有二氧化碳等排放。目前,市面上绝大多数氢气是灰氢,约占当今全球氢气产量的95%左右。
蓝氢
蓝氢,是将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。虽然天然气也属于化石燃料,在生产蓝氢时也会产生温室气体,但由于使用了碳捕捉、利用与储存(CCUS)等先进技术,温室气体被捕获,减轻了对地球环境的影响,实现了低碳制氢。
绿氢
绿氢,是通过使用再生能源(例如太阳能、风能、核能等)制造的氢气,例如通过可再生能源发电进行电解水制氢,在生产绿氢的过程中,完全没有碳排放。
虽然氢能是清洁的可再能源,在释放能量的过程中没有碳排放,但目前生产氢能的过程却并不是百分之百“零碳“的。从灰氢过渡到蓝氢,再到最终实现绿氢,是氢能未来低碳化、无碳化的趋势。
氢一般具备以下特点:
(1)氢重量最轻。在-252.7°C时,可成为液体;
(2)氢气的导热性最好,比大多数气体的导热系数高出10倍,因此在能源工业中氢是极好的传热载体;
(3)氢是自然界存在最普遍的元素,据估计它构成了宇宙质量的75%,除空气中含有氢气外,它主要以化合物的形态贮存于水中,而水是地球上最广泛的物质。据推算,如把海水中的氢全部提取出来,它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍;
(4)除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,是汽油发热值的3倍;
(5)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快;
(6)氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氨气外不会产生对环境有害的污染物质,少量的氨气经过适当处理也不会污染环境,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用;
(7)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用;
(8)氢可以以气态、液态或固态的氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
氢能的未来
由以上特点可以看出氢是一种理想的新的能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料,商用车也开始应用氢燃料电池技术。但氢能作为二次能源,高昂的制取成本还是限制了其发展。廉价的制氢技术有待开发,同时,安全可靠的贮氢和输氢方法也需要人们进一步研究,以提高使用安全性。氢燃料电池的应用也还存在系统成本高、使用成本高、加氢站建设成本高等问题。目前我国氢气的运输方式,普遍采用的是利用场馆拖车贮运高压气态氢气,但是这样带来的问题是运输成本的居高不下,最理想应采用管道气态运输。
未来可由氢能取代的主要用能领域包括交通运输(氢能重卡+航空航天)、化工(合成氨+合成甲醇)、一般制造等。氢能更准确的定位是“辅助”。要实现碳中和,必须推动在交通、工业和建筑等领域的深度脱碳,对于电气化无法改造的场景,氢能终于有了用武之地。除了重卡、航空和长途航运等领域,还有钢铁行业,这些碳排放大户。氢能炼钢现阶段正在寻求技术突破和规模化应用,如果氢能冶金技术这条路走通了,钢铁行业也不再是夕阳产业了。氢能将使很多难以脱碳的领域实现碳中和成为可能。
当前,关于氢能利用的各环节研究正在如火如荼地展开,各国也在加紧攻关制氢的技术难题。随着氢能生产和储运技术规模的不断改进,氢能成本还会有很大的下降空间。有研究表明,预计到2030年,氢能产业链整体成本将下降一半。氢能,已经成为未来产业的重要领域。