元素周期表之首的元素,在绿色冬奥上大放异彩

发布日期:2022-06-13 08:16    点击次数:176

出品|网易新闻

导语:氢,位于元素周期表之首,在常温常压下为气态,在超低温高压下又可成为液态;氢能,作为一种面向未来的清洁能源,在“绿色冬奥”中扮演着重要角色,从赛场大巴到奥运火炬,都有它的身影。

冬奥会:“氢装上阵”

2021年2月4日晚,在北京冬奥会倒计时一周年活动上,北京2022年冬奥会、冬残奥会外观设计正式对外发布。除了与北京2008年奥运会开幕式主火炬塔形态相呼应的飞扬的祥云图案引人注目,还有一大科技亮点就是火炬是采用氢作为燃料。

由于冬奥会将面对低温环境,氢燃料的特性保证了火炬在清洁无污染的同时,还能在极寒天气中使用。火炬的设计师们为了这支清洁的奥运火炬,解决了火焰颜色与稳定性、高压储氢,氢能安全利用等多项技术难题。这支“飞扬”火炬,可抗风10级,能在极寒天气中使用,减压比高达几百倍,同时保证了外形的轻量化小型化和高度的可靠性。

北京冬奥会火炬 图源:新华社

北京冬奥会的出行将以氢能为主。虽然纯电动汽车技术成熟普及面广,但是冬天低温条件下,纯电动汽车续航能力面临很大的考验。氢燃料电池汽车在零下30度的情况下也可以发动,克服了普通纯电动汽车在低温状态下电池电力释放不足的问题。

正因如此,冬奥会将示范运营1000多辆燃料电池车,在延庆赛区和张家口赛区,将有700余辆氢燃料大巴车投入使用。这些氢燃料电池大客车,和普通客车在外形上没有什么区别,但是打开它的侧门,可以看到储氢装置,6个储氢罐加满一次可以跑500公里,并且无惧于冀北高海拔、低气温的冬季山地环境。

冬奥会氢燃料大巴车 图源:央视新闻客户端

虽然氢燃料电池汽车解决了一部分的续航焦虑,但是在沿途有专属的“加油(氢)站”更令人安心。早在2020年底,北京市延庆区等地服务冬奥的加氢站就陆续完成安全试生产并投入使用。据统计,北京冬奥会地区将布局超30座加氢站,服务超2000辆氢燃料车辆,为张家口、崇礼、延庆赛区沿线提供加氢站服务。

北京市延庆区加氢站 图源:新京报

“氢”能利用,绝非轻而易举

氢能的利用首先从制取氢气开始。虽然氢是自然界存在最普遍的元素,甚至构成了宇宙质量的75%,但是大规模制取氢气并非易事。目前工业生产常见的获取氢的方法可以分为三种,分别是化石燃料制氢法、电解水制氢法和工业尾气副产氢回收。

化石燃料制氢法,原材料是天然气、煤、石油等不可再生的化石燃料。比如天然气制氢,就是在一定的压力和高温及催化剂作用下,让天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应,转化为一氧化碳和氢气,一氧化碳可以进一步与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气。这个过程不仅需要700-850℃的反应温度(想提供这种高温可是很大的能源消耗!),会生成二氧化碳之类的温室气体,还要以不可再生的化石燃料为原材料。因此,虽然化石燃料制氢技术简单,原料也易获取,但并没有摆脱对不可再生能源的依赖,并不是化解能源危机的长久之计。

天然气制氢工厂 图源:中国石化新闻网

相比之下,地球上70%以上面积都被水域覆盖,水如果可以作为能源供应,那我们就向解决能源危机迈出了一大步。最快捷的方法是电解水制氢,只要消耗电能,将水电解,就能获得纯度极高的氢气资源。但是这种方式的耗电量也是不可小觑的,目前商业化程度较高的主要是碱性电解水制氢技术和质子交换膜电解水制氢技术,其平准化氢气成本在20-50元之间。不过随着核能和太阳能利用技术的不断提高,电解水制氢将提供一种清洁的能量转化与存储手段。

碱性电解水制氢原理示意图 图源:百度图片

工业尾气副产氢回收,则不是专门为了制氢去努力,而是将钢铁、化工等行业生产中的副产品转化利用的手段。工业副产氢的主要来源包括焦炉煤气制氢、氯碱副产品制氢、轻烃裂解副产氢等。由于本身就是工业生产的副产物,因此对其中的氢气进行提纯利用既降低了环境污染,又提高了资源综合利用效率,可谓是一举两得。

氯碱副产品制氢示意图 图源:百度图片

制氢是整个氢能产业的开端,工业尾气的副产氢回收是一种解决氢气需求的过渡性办法;化石燃料制氢虽然技术成熟成本低廉,但是过程中会消耗不可再生资源并造成环境污染;从长期来看,以太阳能等可再生能源,通过电解水等方式无污染地制氢,是解决氢能原料供应的最优办法。

氢气易燃易爆密度小,因此对存储和运输的要求也很高。目前存储氢气的技术主要有高压气态储存、低温液氢储存和金属氢化物贮氢。

高压气态储存是最普通的贮氢方法,通常设置1.5MPa以上的高压,用特制的钢瓶进行贮存,这种贮存方式简单,对设备要求也相对较低。对于固定地点的大量贮氢,甚至可以直接利用密封性好的气穴,发展历程如采空的油田或盐窟等进行高压存储,还省下了贮氢容器的投资。

储氢罐 图源:百度图片

低温液氢储存又称深冷液化贮氢,在压强为101Kpa,温度为-252℃时,氢气变为液态,然后保存在高度真空的绝热容器中。液态氢密度高,体积小,但是达到低温的代价和存储容器的造价都过于昂贵而不能普遍使用,仅用做火箭燃料等特殊用途。

长征五号使用的液氢 来源:央视新闻客户端

金属氢化物贮氢是为了解决氢气的贮存问题而提出的一种新型的贮氢方式。钛、铌、镁等金属及其合金,能像海绵吸水一样将氢贮存起来,形成贮氢金属,当外界有热量加给金属氢化物时,它就分解为氢化金属并放出氢气,这是一种可逆反应。但是如何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本,仍是亟待解决的难题。

金属氢化物储氢罐

针对固态、液态和气态的氢,也有不同的运输方式。金属氢化物贮氢后的固态氢能源不挑交通工具,但是本身储氢量较低。液态氢运输的能量效率高,但液化过程困难,还存在氢气蒸发和运输设备绝缘的复杂技术要求。高压氢气一般采用船运或卡车运输,而随着氢能的普及大规模的低压氢气可以通过管道进行输送,就像现在的天然气管道一样。目前,全球用于输送工业氢气的管道总长已超过1000公里。

运氢车

氢能的应用主要还是用来发电。除了传统的将氢气燃烧作为发电的热量来源,氢燃料电池作为氢和氧直接经过电化学反应而产生电能的装置引领了新潮流。氢燃料电池能源转换效率可达60%—80%,并且污染很小,北京冬奥会对氢燃料电池车也进行了大力推广应用,氢燃料电池汽车可以说是氢能应用的弄潮儿。相较于纯电动汽车靠电池存储的电力驱动汽车电机运转,氢燃料电池汽车的电力来源于氢的化学反应,现在最常见的是质子交换膜(PEM)燃料电池。

氢燃料电池汽车示意图

质子交换膜燃料电池在原理上相当于水电解的“逆”装置。氢气作为燃料进入电池阳极,空气中的氧气作为氧化剂进入电池阴极,中间是PEM。电池工作时,在阳极侧氢气在催化以及电路的作用下失去电子,变成氢离子,并通过只对氢离子有选择性的PEM到达阴极侧,而电子只能通过外电路到达阴极。在阴极侧,氧气在催化以及电路的作用下得到电子,变成氧负离子,并与从阳极侧进入的氢离子结合生成水。电子从外电路到达阴极的过程,就产生了直流电。将多个这样的单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆。质子交换膜燃料电池发电过程不涉及氢氧燃烧,也就不需要将存储的能量先转化为热能再转化成电能,因此能量转换率较高。

质子交换膜燃料电池工作原理 图源:搜狐网

中国氢能产业发展现状及展望

我国高度关注氢能及燃料电池产业的发展,从2011年以来,相继出台多个顶层规划,鼓励引导氢能及燃料电池技术研发。根据中国氢能联盟与石油和化学研究院的统计,2020年我国氢气产量约3342万吨,其中煤制氢仍然占据大头,占比超60%,电解水制氢产量约50万吨。但是我国作为世界第一大可再生能源发电国,未来随着可再生能源规模的不断扩大,依靠风电光伏等制氢有望成为中国氢源供给的主要来源。

中国氢能供给结构预测 图源:中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019版)

目前我国氢能示范应用主要围绕工业副产氢和可再生能源制氢产地附近布局,氢能储运以高压气态、车载运输方式为主,随着氢能产业的发展壮大,将逐渐向以高压、液态氢罐和管道运输相结合的方向转变。我国加氢站主要为高压氢气储存加氢站,其氢气配送成本灵活性较高,氢气的价格因素影响可控,同时基础建设成本较低。截至2020年底,我国累计建成118座加氢站,在建/拟建为167座,其中建成的加氢站已投入运营101座,待运营17座,投用比例超过85%。

北京冬奥会的举办,则为氢能的应用推广提供了一个宏大而聚焦的舞台,在相对集中的区域全部采用氢燃料电池汽车提供交通服务,让大家看到了完备的氢能应用场景以及氢燃料电池汽车的发展潜力。2021年2月22日,国务院发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》就指出,要大力发展氢能,加大加氢等配套设施建设。展望未来,随着“双碳”战略的落实,氢能在内的清洁能源将迎来更大的发展机遇。

第二十四届冬季奥林匹克运动会开幕式倒计时表演 图源:新华社记者 杨磊

结语:

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,它安全环保、高能清洁,也许会对人类社会摆脱对化石燃料的依赖产生关键性作用。我国经过长期的布局,已经形成了相对完备的氢能产业体系,随着冬奥会进一步拓展氢能应用场景,我国氢能产业必将迎来新的高速发展期,为建设美丽中国贡献更大的力量。

参考来源:

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019版)》

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2020版)》

《2022年中国加氢站行业全景图谱》

《绿色氢能技术现状与发展趋势》

《氢燃料电池车的工作原理简介》

北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会网站

新能源虚拟博物馆



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