氫經濟

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氫經濟概念圖

氫經濟(英文:Hydrogen Economy)一詞,由John Bockris 在美國通用汽車公司(General Motors)技術中心於1970年演講所創[1]。當時發生第一次能源危機時,主要為描繪未來氫氣取代石油成為支撐全球經濟的主要能源後,整個氫能源生產、配送、貯存及使用的市場運作體系。

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[編輯]

氫經濟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

生產, 存儲, 基礎設施[編輯]

今天主要(> 90%)以化石來源生產氫[3]。連接其集中生產到輕型燃料電池車的車隊將需要大量投資建設一個分布基礎設施。

生產方法[編輯]

氫分子在地球上不是以天然的氣體存在。大部分氫結合氧存在水中。

現有的生產方法[編輯]

Kværner-process[編輯]

生物生產方法[編輯]

生物催化電解方法[編輯]

除了常規電解方法, 利用微生物電解是另一種可能性。

水電解[編輯]

水電解船 Hydrogen Challenger

高壓電解[編輯]

高溫電解[編輯]

光電化學水分解[編輯]

Concentrating solar thermal[編輯]

Photoelectrocatalytic production[編輯]

Thermochemical production[編輯]

存儲[編輯]

雖然氫分子在質量的基礎上具有非常高能量密度的,部分是因為其低分子量,氣體在環境條件下從體積上它具有非常低的能量密度。如果它是被用來作為存儲在車上的燃料,純氫氣必須是加壓或液化,以提供足夠的驅動範圍。提高氣體壓力,提高了在體積上的能量密度,使用較小的,但不輕的容器罐(壓力容器)。實現更高的壓力,需要更多地使用外部能源動力壓縮。或者,也可以使用較高的體積能量密度的液體氫或氫漿(slush hydrogen)。

Pipeline 存儲[編輯]

天然氣網路是適合存儲氫氣。在切換到天然氣(natural gas) 之前, 德國天然氣網路運行於towngas, 其大部分由氫氣構成。

德國天然氣網路的存儲容量超過200,000 GWh,就足夠了幾個月的能源需求。相比之下,德國所有的抽水蓄能電站容量只有約40 GWh。通過氣體網路的傳輸能量的損耗(<0.1%)比在電力網路(8%)的要少得多。

為氫使用現有的天然氣系統的研究是由NaturalHy做的。 [4]

基礎設施[編輯]

Praxair氫氣廠

氫基礎設施主要由工業氫氣管道運輸和裝備加氫站的氫高速公路。不靠近氫管道的加氫站將通過氫氣罐,壓縮氫氣長管拖車,液體氫拖車,液態氫油罐車或專門的現場生產供應。

一個關鍵的折中: 中央化 vs. 分布式生產[編輯]

分布式電解[編輯]

替代內燃機的燃料電池[編輯]

氫經濟提供的主要好處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[編輯]

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]

氫安全性[編輯]

除少數氣體,如乙炔甲矽烷環氧乙烷之外,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。這意味著當火焰或火花點燃氫洩漏的混合氣體時候,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會尤其危險。[7]因為純的氫-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,無法通過嗅覺被檢測到洩漏。

實例和試點方案[編輯]

一輛en:Mercedes-Benz O530 Citaro汽車,由氫燃料電池供電, 在捷克共和國布爾諾市.

美國歐盟和日本數家汽車製造商都致力於開發使用的汽車。目前以運輸為目的的氫的分布正在在世界各地測試,尤其是在葡萄牙冰島挪威丹麥德國美國加州日本加拿大,但付出的代價是非常高的。

有些醫院已經安裝了結合電解槽存儲的燃料電池單元的當地應急電源。因為和內燃機驅動發電機相比,其低維護要求和方便的位置,這些在緊急情況下使用是有利的。[來源請求]

冰島一直致力於在2050年成為世界上第一個氫經濟[8]冰島是處於一個獨特的位置。目前,它進口所有必要的石油產品來提供動力給汽車和捕魚船隊。冰島有大量的地熱資源,以至於當地的電力價格實際上是低於可用於產生電力的碳氫化合物價格。

冰島已經將多餘的電能轉化為出口產品和烴替代品。在2002年,它通過電解產生氫氣2000噸,主要用於生產對化肥的(NH3)。氨在世界各地被生產,運輸,和使用,氨90%的成本的是產生它的能量的成本。冰島也正在開發鋁冶煉行業。鋁的成本主要是由運行冶煉廠的電力成本。這些行業可以有效地出口所有的冰島地熱發電的潛力。

這以上的兩個工業都不能直接取代碳氫化合物。在冰島雷克雅未克( en:Reykjavík)市,有一個小規模的試點使用壓縮氫氣的城市公交車車隊,和該國的漁船上用氫的供電的研究正在進行中。為了更實際的目的,冰島可能用氫處理進口石油來擴展它,而不是完全取代它。

雷克雅未克(en:Reykjavík)公交車是一個更大的的項目的一部分,HyFLEET:CUTE項目[9],這項目是在三大洲的9個城市經營氫燃料公交車。HyFLEET:CUTE公交車也經營在中國北京[10]和澳大利亞珀斯(見下文)。展示氫經濟的試點項目是在挪威的Utsira島運作。項目安裝有風力發電和氫能發電。當有剩餘風能的期間內,多餘的電力被用於通過電解產生氫氣。氫被存儲,並且可用於當有少風期間內的發電。[來源請求]

en:NRELen:Xcel能源公司之間的合資企業以同樣的方式在美國科羅拉多州的風力發電和氫能發電相結合[11]。在加拿大紐芬蘭和拉布拉多的電力公司使用目前的風力-柴油發電系統轉換給遙遠的Ramea島成風氫混合動力系統設施[12]。類似的試點項目在美國的斯圖爾特島的使用,不是風力發電,而用太陽能發電,產生電能。當電池充滿後,多餘的電力是通過電解產生氫氣來儲存,以後供給燃料電池生產的電力。[13]

英國在2004年1月開始了燃料電池的試點方案,該項目在倫敦25路線上運行的兩輛燃料電池公共汽車,直到2005年12月,而切換路線RV1直到2007年1月。[14] 目前氫遠征計劃正在創建一個氫燃料電池為動力的船舶,作為一種證明氫燃料電池能力,用它環繞地球航行。[15]

西澳大利亞州的規劃和基礎設施經營部戴姆勒 - 克萊斯勒公司的Citaro燃料電池公共汽車珀斯的燃料電池巴士試驗計劃在珀斯市的可持續交通能源的一部分。[16]巴士定期Transperth公交線路的路徑交通經營。試驗開始於2004年9月和結束於2007年9月。公交車的燃料電池用質子交換膜系統,並提供與原氫從BP煉油廠在珀斯以南的Kwinana。氫是煉油廠的工業生產過程的副產品。巴士在珀斯北部郊區的馬拉加站加氫。聯合國工業開發組織(UNIDO)和土耳其能源和自然資源部在2003年簽署了4000萬美元的信託基金協議建立在伊斯坦堡的國際氫能技術中心(UNIDO-ICHET),開始操作於2004年。[17] 採用可再生能源的氫叉車,氫氣車和移動式房屋被展示在UNIDO-ICHET的上述事項。自2009年4月在伊斯坦堡海上巴士公司(Istanbul Sea Buses)的總部一個不間斷電源系統已經工作。

燃料電池公交車項目: 此項目由中國政府、聯合國開發計劃署與世界環境基金於2003年3月啟動,第一階段為2006年6月到2007年10月,3輛戴姆勒克萊斯勒燃料電池公交在北京運行。運行期間共載客57000人,總行駛里程92000公里,可用性達90%。第二階段在上海,啟動於2007年11月,結束於2010年世博會截止,主要是6輛上海汽車公司的燃料電池公交的示範運營,其中3個車輛的電池堆來自巴拉德公司(Ballard Power Systems),3輛的來自於中國國內供應商。[18]

安亭加氫站: 中國主導的燃料電池技術是質子交換膜燃料電池(PEMFC),使用的燃料通常為氣。2007年,中國第一座加氫站建成於上海安亭,由上海舜華新能源系統有限公司研發並建設的,該加氫站已於2007年7月15日正式開業。[19]上海舜華新能源系統有限公司與同濟大學合作,自2004年以來,為滿足不同用途需要,已先後開發3代移動加氫站:2004年開發的第一代移動加氫站,採用了非電驅動的氫氣增壓方式,填補了國內外在該領域的空白。具有機動性好、取氣率高、加註能力強等特點,特別適合少量燃料電池汽車野外路試的氫燃料加註。公司為世博會建立了一座加氫站和兩輛移動加氫站,世博加氫站將被移至上海嘉定汽車城,分成兩座新站,可提供700bar和350bar的加氫需求。目前,中國有四座固定加氫站和五輛移動加氫車,使用的氫氣主要來自工業副產氫。在上海,副產氫氣足夠10000輛FCEV的使用需求量。而北京的氫氣來源比較廣泛:管道氫氣、現場天然氣濕重整和電解水制氫。

製氫電力來源[編輯]

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[編輯]

  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,中國燃料電池公共汽車商業化示範項目. [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]. (原始內容存檔於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中國燃料電池和氫能報告. [2012-10-02]. 
  19. ^ 中國上海安亭加氫站. [2012-10-02]. 
  20. ^ Wise, Jeff. "The Truth About Hydrogen". Popular Mechanics. p. 3. November 2006 [2008-05-09]. 

相關[編輯]