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氢能

地热能制氢工艺

自工业革命以来,全球化石燃料的大量使用已使全球大气中二氧化碳的含量增加了40%,由此引起的诸如全球气候变暖、局部地区气候异常、极端天气等问题逐渐变得严重,对人类经济和社会的发展带来了诸多不利影响。国际社会为了控制碳排放,将温室气体浓度控制在使气候系统免遭破坏的水平上,最新达成了应对气候变化的国际法律文本《巴黎协定》,该协定规定欧美发达国家继续率先减排并开展绝对量化减排,并为发展中国家提供资金支持,而中印等发展中国家应该根据自身情况提高减排目标,逐步实现绝对减排或者限排目标。中国作为负责任的发展中国家,在协定中承诺到2030年,单位国内GDP碳排放较2005年降低60%~65%。要实现《巴黎协定》规定的碳减排目标,必须减少化石燃料的使用量,转而开发应用清洁的可再生能源。


我国在2013年制定了《能源发展战略行动计划(20142020年)》,在该计划中,我国提出将在未来的能源发展中实施绿色低碳战略,加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系,到2020年,非化石能源占一次能源消费比达到15%。为实现该目标,必须进行的一项任务就是优化能源结构,积极发展清洁可再生能源。目前,我国已开发的清洁能源主要有风能、太阳能、水能、核能、海洋能、地热能、生物质能等,其利用形式多是将其转化为电能,例如风力发电、太阳能发电、水力发电、核能发电等。相对来说,水电和核电比较稳定,可以直接并网使用,而风电和光电的波动性较大,并网输送会对电网造成冲击,引起电网的安全性等问题。这就导致了部分风电和光电因不能并网使用而被浪费,由此产生了弃电或垃圾电的说法。


氢能具有使用时不排放二氧化碳并且可以大量储存的特点,特别是利用可再生能源,通过电解水的方法产生的零碳氢气能够对降低环境负担,提高能量自给率做出巨大贡献,被认为是未来的终极能源。地热发电产生的电力对水进行电解,从而制造氢气的设施。



氢在自然界中分布广泛,并且在自然状态下仅存在着极少量的游离态氢。工业氢气是指通过一定的手段,从工业原料中大规模制取的可燃气态氢产物。这种通过能量输入从含氢原料中提取工业氢气的过程,被称为人工制氢,包括化石燃料制氢、水分解制氢、生物技术制氢和太阳能制氢等。氢能作为氢的化学能表现为物理与化学变化过程中释放出能量,是具有二次能源属性的一种重要的能源类型。这种大规模人工制氢并利用氢能的产业被称为氢工业,包括上游制氢、中游储运和下游应用。


氢工业体系中各个产业部门之间基于一定的技术经济关联即为氢工业产业链,包括氢工业价值链、氢工业企业链、氢工业供需链和氢工业空间链。为了更好地阅读和理解本文的内容,笔者建议首先界定和明确上述5个基本概念(工业氢气、人工制氢、氢能、氢工业、氢工业产业链),并由此建立氢工业概念体系。


储氢是实现氢能有效利用的关键技术之一,包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机化合物储氢、微球储氢和碳纳米材料储氢等。基于大规模低成本制氢和高密度储氢,以燃料电池为关联的氢工业应用将推动能源转型和新能源汽车、分布式供能等新兴产业的发展,从而改变能源结构,进而实现从能源供给端到消费端的全产业链转变。