氢经济

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氫經濟概念圖

氢经济(英文:Hydrogen Economy)一词,由John Bockris 在美国通用汽车公司(General Motors)技术中心于1970年演讲所创[1]。当时发生第一次能源危机时,主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后,整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。

氫經濟即是利用氫氣經過化學反應後所產生的能量,是燃料電池的一種,它不但不會產生廢氣污染環境,而且也可以儲存能量,所以是目前正在研究大量生產的方法。

目標是取代現有的石油經濟體系,並達到環保目標,但是諸多技術瓶頸導致「先有雞、先有蛋」的循環難題,很多氫設備要大量使用才有成本效益,但是不先裝設這些天價設備;則根本無法吸引人使用,更不會有相關產業,如何過渡到氫時代是氫經濟的研究課題。

原理[编辑]

氢经济是為了取代諸多困擾的石油經濟體系而生的解決方案。包含運輸,和其他會導致溫室氣體的應用;一次給予解決計畫。

在目前的石油經濟中,人員運輸和商品運輸都靠石油,例如石油提煉的汽油柴油,少數是天然氣。不論如何都會產生溫室氣體和其他污染物質。而且石油藏量已經到達極限,但是使用需求卻一直飆高,例如中國印度巴西新興國家越來越多人生活水準提升也需要用油。

氫氣是一種極高能量密度質量比值的能源。燃料電池的效益高過諸多內燃機。內燃機效率頂多有20–30%,而最差的燃料電池也有35–45%效率(通常都更高很多),再加上相關電動馬達和控制器的耗損,最後純輸出能量最差也有24%,但是,內燃機的則是更低得多。[2]

Battery EV vs. Hydrogen EV.png

生产, 存储, 基础设施[编辑]

今天主要(> 90%)以化石来源生产氢[3]。连接其集中生产到轻型燃料电池车的车队将需要大量投资建设一个分布基础设施。

生产方法[编辑]

氢分子在地球上不是以天然的气体存在。大部分氢结合氧存在水中。

现有的生产方法[编辑]

Kværner-process[编辑]

生物生产方法[编辑]

生物催化电解方法[编辑]

除了常规电解方法, 利用微生物电解是另一种可能性。

水电解[编辑]

水电解船 Hydrogen Challenger

高压电解[编辑]

高温电解[编辑]

光电化学水分解[编辑]

Concentrating solar thermal[编辑]

Photoelectrocatalytic production[编辑]

Thermochemical production[编辑]

存储[编辑]

虽然氢分子在质量的基础上具有非常高能量密度的,部分是因为其低分子量,气体在环境条件下从体积上它具有非常低的能量密度。如果它是被用来作为存储在车上的燃料,纯氢气必须是加压或液化,以提供足够的驱动范围。提高气体压力,提高了在体积上的能量密度,使用较小的,但不轻的容器罐(压力容器)。实现更高的压力,需要更多地使用外部能源动力压缩。或者,也可以使用较高的体积能量密度的液体氢或氢浆(slush hydrogen)。

Pipeline 存储[编辑]

天然气网络是适合存储氢气。在切换到天然气(natural gas) 之前, 德国天然气网络运行于towngas, 其大部分由氢气构成。

德国天然气网络的存储容量超过200,000 GWh,就足够了几个月的能源需求。相比之下,德国所有的抽水蓄能电站容量只有约40 GWh。通过气体网络的传输能量的损耗(<0.1%)比在电力网络(8%)的要少得多。

为氢使用现有的天然气系统的研究是由NaturalHy做的。 [4]

基础设施[编辑]

Praxair氢气厂

氢基础设施主要由工业氢气管道运输和装备加氢站的氢高速公路。不靠近氢管道的加氢站将通过氢气罐,压缩氢气长管拖车,液体氢拖车,液态氢油罐车或专门的现场生产供应。

一个关键的折中: 中央化 vs. 分布式生产[编辑]

分布式电解[编辑]

替代内燃机的燃料電池[编辑]

氫經濟提供的主要好处其中之一是燃料可以取代化石燃料,在內燃機渦輪機的燃燒作為主要的方式轉換成化學能轉化為動能或電能;藉此消除發動機的溫室氣體排放和污染。

成本問題[编辑]

時間表

評估成本時,石油瓦斯(所有化石燃料) 雖然名義上看來便宜,但是真實成本是很少被面對的。這些不可再生的能量來源是數百萬年才產生在地球內部,通常用"免費" 來計算生產成本;只計算開採成本。雖然可以以石化工業副產品提供一部份的氫氣需求,但超出此部分後任意瓦數的氫能還是都比其他可再生能源(例如太陽能)要貴。

在此前提下,氫氣不見得是長期來看最便宜的能源,因為目前電解製氫和燃料電池科技沒有解決諸多問題。

氫氣運送管線成本很高昂[5] 高過任何電線管路、也比天然氣管線貴將近三倍,因為氫會加速一般鋼管的碎裂(氫脆化),增加維護成本、外洩風險、和材料成本。有人提出一種新科技:如果用高壓運送只要多一點管線成本,但是高壓力管需要更多材料打造。

所以要進入氫經濟時代需要大量的管線基礎建設投資才能儲存和分配氫氣到末端的氫氣車用戶。

相比之下電動車的分配管線可以用現成的電線,只要稍微擴充升級就可以達到儲存和分配電力,晚上多數電動車充電時段,其實剛好還有許多發電廠的多餘電力。2006十二月能源部轄下「太平洋西北國家實驗室」做的實驗發現如果全美國都換成電動車,光閒置電力就可以供應它們84%需求。但是電動車一大缺點就是預先充電時間漫長,氫氣車和汽油車則有類似特徵,隨時沒燃料只要灌入燃料就能行駛,便利性比較高,跑長途旅程也比較安全不會有半路停下等充電的窘境。[6]

氢安全性[编辑]

除少數氣體,如乙炔甲硅烷環氧乙烷之外,在所有的氣體中,氫氣是具有最寬的爆炸性/點火的氣體與空氣的混合範圍。這意味著当火焰或火花點燃氫洩漏的混合氣體时候,無論空氣和氫氣之間的混合比例如何,都將最有可能導致爆炸而不是一個單純的火焰。這使得氫燃料的使用,特別是在封閉的領域,如隧道或地下停車場的使用会尤其危險。[7]因为純的氫-氧燃燒火焰是在肉眼幾乎看不見的紫外線的色彩範圍,所以如果氫氣洩漏在燃燒,需要火焰探測器才能檢測到。氫是無味的,无法通過嗅覺被檢測到洩漏。

实例和试点方案[编辑]

一辆en:Mercedes-Benz O530 Citaro汽车,由氢燃料电池供电, 在捷克共和国布爾諾市.

美国欧盟和日本数家汽车制造商都致力于开发使用的汽车。目前以运输为目的的氢的分布正在在世界各地测试,尤其是在葡萄牙冰岛挪威丹麦德国美国加州日本加拿大,但付出的代价是非常高的。

有些医院已经安装了结合电解槽存储的燃料电池单元的当地应急电源。因为和内燃机驱动发电机相比,其低维护要求和方便的位置,这些在紧急情况下使用是有利的。[來源請求]

冰岛一直致力于在2050年成为世界上第一个氢经济[8]冰岛是处于一个独特的位置。目前,它进口所有必要的石油产品来提供动力给汽车和捕鱼船队。冰岛有大量的地热资源,以至于当地的电力价格实际上是低于可用于产生电力的碳氢化合物价格。

冰岛已经将多余的电能转化为出口产品和烃替代品。在2002年,它通过电解产生氢气2000吨,主要用于生产对化肥的(NH3)。氨在世界各地被生产,运输,和使用,氨90%的成本的是产生它的能量的成本。冰岛也正在开发铝冶炼行业。铝的成本主要是由运行冶炼厂的电力成本。这些行业可以有效地出口所有的冰岛地热发电的潜力。

这以上的两个工业都不能直接取代碳氢化合物。在冰岛雷克雅未克( en:Reykjavík)市,有一个小规模的试点使用压缩氢气的城市公交车车队,和该国的渔船上用氢的供电的研究正在进行中。为了更实际的目的,冰岛可能用氢处理进口石油来扩展它,而不是完全取代它。

雷克雅未克(en:Reykjavík)公交车是一个更大的的项目的一部分,HyFLEET:CUTE项目[9],这项目是在三大洲的9个城市经营氢燃料公交车。HyFLEET:CUTE公交车也经营在中国北京[10]和澳大利亚珀斯(见下文)。展示氢经济的试点项目是在挪威的Utsira岛运作。项目安装有风力发电和氢能发电。当有剩余风能的期间内,多余的电力被用于通过电解产生氢气。氢被存储,并且可用于当有少风期间内的发电。[來源請求]

en:NRELen:Xcel能源公司之间的合资企业以同样的方式在美国科罗拉多州的风力发电和氢能发电相结合[11]。在加拿大纽芬兰和拉布拉多的电力公司使用目前的风力-柴油发电系统转换给遥远的Ramea岛成风氢混合动力系统设施[12]。类似的试点项目在美国的斯图尔特岛的使用,不是风力发电,而用太阳能发电,产生电能。当电池充满后,多余的电力是通过电解产生氢气来储存,以后供给燃料电池生产的电力。[13]

英国在2004年1月开始了燃料电池的试点方案,该项目在伦敦25路线上运行的两辆燃料电池公共汽车,直到2005年12月,而切换路线RV1直到2007年1月。[14] 目前氢远征计划正在创建一个氢燃料电池为动力的船舶,作为一种证明氢燃料电池能力,用它环绕地球航行。[15]

西澳大利亚州的规划和基础设施经营部戴姆勒 - 克莱斯勒公司的Citaro燃料电池公共汽车珀斯的燃料电池巴士试验计划在珀斯市的可持续交通能源的一部分。[16]巴士定期Transperth公交线路的路径交通经营。试验开始于2004年9月和结束于2007年9月。公交车的燃料电池用质子交换膜系统,并提供与原氢从BP炼油厂在珀斯以南的Kwinana。氢是炼油厂的工业生产过程的副产品。巴士在珀斯北部郊区的马拉加站加氢。联合国工业开发组织(UNIDO)和土耳其能源和自然资源部在2003年签署了4000万美元的信托基金协议建立在伊斯坦布尔的国际氢能技术中心(UNIDO-ICHET),开始操作于2004年。[17] 采用可再生能源的氢叉车,氢气车和移动式房屋被展示在UNIDO-ICHET的上述事项。自2009年4月在伊斯坦布尔海上巴士公司(Istanbul Sea Buses)的总部一个不间断电源系统已经工作。

燃料电池公交车项目: 此项目由中国政府、联合国开发计划署与世界环境基金于2003年3月启动,第一阶段为2006年6月到2007年10月,3辆戴姆勒克莱斯勒燃料电池公交在北京运行。运行期间共载客57000人,总行驶里程92000公里,可用性达90%。第二阶段在上海,启动于2007年11月,结束于2010年世博会截止,主要是6辆上海汽车公司的燃料电池公交的示范运营,其中3个车辆的电池堆来自巴拉德公司(Ballard Power Systems),3辆的来自于中国国内供应商。[18]

安亭加氢站: 中国主导的燃料电池技术是質子交換膜燃料電池(PEMFC),使用的燃料通常为气。2007年,中国第一座加氢站建成于上海安亭,由上海舜华新能源系统有限公司研发并建设的,该加氢站已于2007年7月15日正式开业。[19]上海舜华新能源系统有限公司与同济大学合作,自2004年以来,为满足不同用途需要,已先后开发3代移动加氢站:2004年开发的第一代移动加氢站,采用了非电驱动的氢气增压方式,填补了国内外在该领域的空白。具有机动性好、取气率高、加注能力强等特点,特别适合少量燃料电池汽车野外路试的氢燃料加注。公司为世博会建立了一座加氢站和两辆移动加氢站,世博加氢站将被移至上海嘉定汽车城,分成两座新站,可提供700bar和350bar的加氢需求。目前,中国有四座固定加氢站和五辆移动加氢车,使用的氢气主要来自工业副产氢。在上海,副产氢气足够10000辆FCEV的使用需求量。而北京的氢气来源比较广泛:管道氢气、现场天然气湿重整和电解水制氢。

製氫電力來源[编辑]

不同的氫氣生產方法有不同的固定投資額和邊際成本。 製氫的能源和燃料可以來自多種來源例如天然氣、核能、太陽能、風力、生物燃料、煤礦、其他化石燃油、地熱。(以下以全美國汽車都改為氫氣的假設為計算單位)

  • 天然氣:用氣電共生改良後,需要15.9百萬立方呎的瓦斯,如果每天生產500公斤,由改裝的加油站就地生產(例如高科技加氣站),相當於改裝777,000座加油站成本$1兆美金;可產每年1億5000萬噸氫氣。先假設不需額外氫氣分配系統的投資成本下;等於每GGE單位$3.00美元(Gallons of Gasoline Equivalent 相當一加侖汽油的能量簡稱GGE,方便和目前油價作比較)
  • 核能:用以提供電解水的氫氣電能來源。需要240,000噸鈾礦—提供2,000座600兆瓦發電廠,等於$8400億美金,等於每GGE單位$2.50美元。[20]
  • 太陽能:用以提供電解水的氫氣電能來源。需要每平方公尺達2,500千瓦(每小時)效率的太陽能版科技,共1億1300萬座40千瓦的機組,成本推估約$22兆,等於每GGE單位$9.50美元。
  • 風力:用以提供電解水的氫氣電能來源。每秒7公尺的平均風速計算,需要1百萬座2百萬瓦風力機組,成本約$3兆美金等於每GGE單位$3.00美元。
  • 生物燃油:氣化廠用氣電共生改良後。需要15億噸乾燥生物材料,3,300座廠房需要113.4百萬英畝(460,000 km²)農場提供生物材料。約$5650億美元,等於每GGE單位$1.90美元(假設土地不匱乏且地價最便宜狀態)。
  • 煤礦:火力發電用氣電共生改良後提供電解水的氫氣電能來源。需要10億噸煤將近1,000座275兆瓦發電廠成本$5000億美金,等於每GGE單位1美元。

以上看出由礦的製氫最便宜,但是除非二氧化碳封存技術普及化及實用化,否則產生的高污染會使氫氣科技的環保性蕩然無存。

參考文獻[编辑]

  1. ^ National Hydrogen Association; United States Department of Energy. The History of Hydrogen. hydrogenassociation.org. National Hydrogen Association. 1. [17 December 2010]. 
  2. ^ Williamson, S.; Lukic, M.; Emadi, A. "Comprehensive drive train efficiency analysis of hybrid electric and fuel cell vehicles based on motor-controller efficiency modeling". Xplore. IEEE. pp. 730–740. Volume 21, Issue 3, May 2006 [2008-05-09]. doi:10.1109/TPEL.2006.872388. 
  3. ^ Bellona-HydrogenReport. Interstatetraveler.us. [2010-07-05]. 
  4. ^ Using the existing natural gas system for hydrogen
  5. ^ Keith, Geoffrey; William Leighty. Transmitting 4,000 MW of New Windpower from North Dakota to Chicago: New HVDC Electric Lines or Hydrogen Pipeline (PDF). 28 Sept 02 [2008-05-09]. 
  6. ^ Mileage From Megawatts: Study Finds Enough Electric Capacity to 'Fill Up' Plug-In Vehicles Across Much of the Nation. Dec 11 2006 [2008-05-09]. 
  7. ^ Utgikar, Vivek P; Thiesen, Todd. Safety of compressed hydrogen fuel tanks: Leakage from stationary vehicles. Technology in Society. 2005, 27 (3): 315–320. doi:10.1016/j.techsoc.2005.04.005. 
  8. ^ Hannesson, Hjálmar W. Climate change as a global challenge. Iceland Ministry for Foreign Affairs. 2.8.2007 [2008-05-09]. 
  9. ^ What is HyFLEET:CUTE?. [2012-10-02]. 
  10. ^ Demonstration for Fuel Cell Bus Commercialization in China,中国燃料电池公共汽车商业化示范项目. [2012-10-02]. 
  11. ^ Experimental 'wind to hydrogen' system up and running. Physorg.com. January 8, 2007 [2008-05-09]. 
  12. ^ Hydrogen Engine Center Receives Order for Hydrogen Power Generator 250kW Generator for Wind/Hydrogen Demonstration (PDF). Hydrogen Engine Center, Inc. May 16, 2006 [2008-05-09]. 
  13. ^ Stuart Island Energy Initiative. [2008-05-09]. 
  14. ^ Hydrogen buses. Transport for London. [2008-05-09]. (原始内容存档于March 23, 2008). 
  15. ^ The Hydrogen Expedition (PDF). 2005-01 [2008-05-09]. 
  16. ^ Perth Fuel Cell Bus Trial. Department for Planning and Infrastructure, Government of Western Australia. 13 April 2007 [2008-05-09]. 
  17. ^ Independent Mid-Term Review of the UNIDO Project: Establishment and operation of the International Centre for Hydrogen Energy Technologies (ICHET), TF/INT/03/002. UNIDO. 31 August 2009 [2010-07-20]. 
  18. ^ 2012中国燃料电池和氢能报告. [2012-10-02]. 
  19. ^ 中国上海安亭加氢站. [2012-10-02]. 
  20. ^ Wise, Jeff. "The Truth About Hydrogen". Popular Mechanics. p. 3. November 2006 [2008-05-09]. 

相關[编辑]