●前不久,第十四屆中國國際航空航天博覽會上,兆瓦級氫燃料渦軸發(fā)動機引發(fā)圍觀熱議
●來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛,氫能被認為是可再生能源規(guī)?;咝Ю玫闹匾d體
●“綠氫”技術(shù)是氫能開發(fā)利用的關(guān)鍵,一場以減碳脫碳為標(biāo)志的能源革命正在加速演進
“氫”風(fēng)正起
火車車輪碾過鐵軌,列車與空氣摩擦發(fā)出的聲音越來越近。在德國,連接庫克斯港、不來梅港、布雷默弗德和布克斯特胡德的鐵路上,一班蜿蜒前行的藍色氫能列車正在向世界駛來。
今年8月,德國首條運行氫能列車的鐵路線路正式啟用。列車使用純氫氣作為燃料,從環(huán)境空氣中收集氧氣,再利用燃料電池將這兩種氣體轉(zhuǎn)化為電能,行駛時只產(chǎn)生蒸汽和冷凝水,且噪音很低。
據(jù)線路設(shè)計公司介紹,這種列車的續(xù)航能力為1000公里,最高時速可達140公里,1公斤氫氣能替代約4.5升的柴油,能明顯減少對環(huán)境的影響。“零排放交通是可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)之一,這種氫能列車體現(xiàn)了綠色交通與先進技術(shù)的結(jié)合。”該公司首席執(zhí)行官表示。
如今,在全球向低碳、綠色轉(zhuǎn)型的大背景下,世界各國都在進行積極探索,利用氫燃料實現(xiàn)“零排放、無污染”。許多國家紛紛將氫能源納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略,積極推動氫能發(fā)展。
今年3月,我國《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》發(fā)布。根據(jù)規(guī)劃,到2025年,我國將初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系;到2030年,我國將形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系;到2035年,我國形成氫能產(chǎn)業(yè)體系,構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。
2020年7月,歐盟提出氫能戰(zhàn)略,并宣布建立清潔氫能聯(lián)盟。目前,已有15個歐盟國家將氫能納入其經(jīng)濟復(fù)蘇計劃。2022年5月,歐洲能源供應(yīng)調(diào)整計劃公布,目標(biāo)是到2030年在歐盟生產(chǎn)1000萬噸可再生氫,并進口1000萬噸可再生氫。歐盟還創(chuàng)建了“歐洲氫能銀行”,加大對氫能市場的投資力度。
巴西首個綠氫工廠已經(jīng)在巴西東北部巴伊亞州卡馬薩里市奠基。工廠預(yù)計2023年底投產(chǎn),每年能夠生產(chǎn)1萬噸綠氫和6萬噸綠氨。這個項目被視為應(yīng)對世界氣候變化的有益解決方案。
如今,“氫”風(fēng)正起,漸成方興未艾之勢。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速演進,氫能逐漸成為全球新的戰(zhàn)略競爭焦點、各國培育新興產(chǎn)業(yè)的重要方向、推動能源生產(chǎn)消費綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手。
讀懂氫能源
提起“氫”,很多人都不陌生。我們初中學(xué)習(xí)化學(xué)元素周期表時,排在第一位的元素就是“氫”。作為原子質(zhì)量最輕的元素,“氫”卻是宇宙中含量最多的元素。據(jù)保守估計,它占據(jù)了目前可知宇宙質(zhì)量的75%。
16世紀,瑞士一名醫(yī)生發(fā)現(xiàn),把鐵屑放進硫酸里,會產(chǎn)生氣泡,這些氣泡會像旋風(fēng)一樣升起。在此基礎(chǔ)上,1766年,英國化學(xué)家亨利·卡文迪許用鐵、鋅與酸制得一種“可燃空氣”,并用排水集氣法將其收集起來。1787年,法國化學(xué)家拉瓦錫將這種“可燃空氣”命名為“氫”。至此,這個在宇宙大爆炸時就出現(xiàn)的古老元素,終于正式走進了人們的視野。
科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn),氫氣在空氣中極易燃燒,且產(chǎn)生的熱值非常高,約為汽油的3倍、焦炭的4.5倍。與其他燃料相比,氫燃燒的產(chǎn)物是水,不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、粉塵等污染物,是一種近乎完美的能源燃料。
燃燒氫獲得能量,是人類利用氫最直接的方式。
還記得今年2月4日開幕的北京冬奧會嗎?由1200名火炬手傳遞、象征著光明與溫暖的冬奧會火炬,就是采用純氫作為燃料。這樣的奧運會火炬,實現(xiàn)了零碳排放,真正體現(xiàn)了北京冬奧會綠色、低碳、可持續(xù)的原則。
如果將氫氣降溫、再降溫,就會得到一種無色、無味的高能低溫液體燃料,也就是我們通常所說的液氫。如今,液氫已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。由液氫和液氧組成的雙組元推進劑能量極高,加注到運載火箭中,便可輕輕松松將衛(wèi)星等飛行器送入太空。
雖然人類對于氫能的研究已有幾百年的歷史。然而,真正把氫作為能源載體和新的能源系統(tǒng)來研究,還是在20世紀70年代。那時候,中東戰(zhàn)爭引發(fā)石油危機,油價暴漲,進而推動了許多國家和地區(qū)開展氫能研究。21世紀初,作為氫能利用重要工具的燃料電池飛速發(fā)展,在航天航空、發(fā)電以及交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨后氫能產(chǎn)業(yè)又一度陷入低谷。直至近幾年,隨著全球向低碳、綠色轉(zhuǎn)型,以及相關(guān)技術(shù)的進步,對氫能的研究利用又迎來了一個令人振奮的發(fā)展“風(fēng)口”。
按下減碳脫碳“加速鍵”
為搶占發(fā)展先機,目前世界各國都在積極探索利用氫燃料來實現(xiàn)“零排放、無污染”。然而,氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然面臨挑戰(zhàn)。
作為二次能源,氫能源不同于煤、石油、天然氣等一次能源可以直接開采獲得,而是通過一定的方法利用其他能源制取。目前主要有天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、甲醇制氫等方式。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游為制氫。按照制取方式和碳排放量的不同,氫能分為灰氫、藍氫和綠氫三種。
灰氫是指通過化石燃料燃燒制取氫氣。這種方式成本較低、技術(shù)成熟,是目前最為常見的制氫方式。然而,這種方式在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳排放,并不符合低碳的需要。藍氫是在灰氫的基礎(chǔ)上,應(yīng)用碳捕捉和封存技術(shù)將碳保留下來。這種方式只是一種過渡性的技術(shù)手段。通過太陽能、風(fēng)能、核能等可再生能源電解水制取出來的氫,被稱為綠氫。這種方式在制氫過程中基本不會產(chǎn)生溫室氣體,是最理想的手段。
然而,從生產(chǎn)、到運輸,再到貯藏,過高的成本是清潔綠氫難以大規(guī)模發(fā)展的主要因素。
電解水制氫技術(shù)主要有堿性電解水、質(zhì)子交換膜(PEM)電解水和固體氧化物電解水三類。其中,堿性電解水制氫是目前商用電解領(lǐng)域的主流技術(shù)。“綠氫”的價格主要與可再生電力成本相關(guān)。國際能源署、國際氫能委員會等機構(gòu)的研究表明,當(dāng)前的可再生能源制氫成本高達3~7.5美元/千克。
制約“綠氫”發(fā)展的另一個主要障礙是氫的遠距離運輸。目前,液態(tài)儲氫技術(shù)和金屬氫化物儲氫技術(shù)等取得了較大進步,但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關(guān)系尚未完全解決,離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。
目前,世界各國都在積極推動相關(guān)技術(shù)革新。預(yù)計在未來5-10年內(nèi),電解水制氫成本將大幅度降低,推動滲透率會顯著提升。
在氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游,氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命。
北京冬奧會,氫能源汽車華麗亮相、備受矚目;北京延慶街頭,氫燃料電池公交車正式“上崗”,投入日常運營,穿梭在城市干道上……
由于氫燃料電池自身的技術(shù)獨立性,氫燃料電池不僅可以用于汽車,還可用于航空動力、潛艇、軍艦、單兵裝備、通信設(shè)備等。近日,空客公司透露,他們正在研發(fā)一種氫燃料電池發(fā)動機,計劃在其A380MSN1原型機上測試,并于2035年投入使用。
此次中國國際航空航天博覽會上展出的兆瓦級氫燃料渦軸發(fā)動機,是中國航發(fā)集團根據(jù)國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃研發(fā)的100%燃氫發(fā)動機。后續(xù)通過系列化發(fā)展,它可支撐未來支線客機、直升機、無人機等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“零排放、無污染”的氫能航空、綠色航空的愿景。
有專家認為,隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展,氫燃料發(fā)動機與氫燃料電池組合的混合動力將是未來氫燃料利用的主要發(fā)展方向。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策紅利、市場紅利和技術(shù)紅利的不斷釋放,低碳氫能時代正在向我們走來。(全靜 王淑偉 楊帆)
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