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氢能是能源循环重回平衡的一个媒介

12 月 10 日 - 11 日,由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。会上,2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”获得者复旦大学青年研究员龚鸣就可持续氢能发表了他的见解。图 | 复旦大学青年研究员龚鸣能源可持续是 21 世纪面临最大的挑战之一,目前大部分能源的主要来源于化石能源,资源非常有限。二氧化碳排放量持续上升,已经打破了近百万年的平衡,并带来了温室效应以及气候变化问题,所以人类不得不重新建立能源平衡。为何会打破能源平衡?又如何回归平衡?自然界的能源循环通过光合作用,在能源媒介介导下,固定二氧化碳并形成葡萄糖这种可提供能源分子,这些分子又能够在呼吸作用下,重新获取能量,闭环这一能源循环,又存有一定余量。亿万年的积累铸造了当今可供开采的化石能源体系,然而高速的工业化和现代化打破了化石能源在生成和利用上的原有平衡,时间和空间尺度上的严重不匹配造成了整个失衡。面对这个失衡,当今科学家可以通过化学合成的方法固定二氧化碳快速合成燃料,但这个过程既耗氢又耗能。目前能量和氢的主要来源是化石燃料,违背了我们减少碳排放的初衷,不利于碳中和的目标。所以想要弥补能源上的缺口建立能源平衡,能量必须来自可再生能源,这也是大自然给予我们最大的启示。图 | 可再生能源的发展及其局限性(来源:龚鸣)氢能应运而生21 世纪以来,可再生能源飞速发展,尤其是光伏风电行业,但是相较于 20 世纪初的电力产业,少了一百年的积累,可再生能源的基础设施建设仍然薄弱,同时可再生能源有一个时空不均一的局限性。比如说太阳能,白天有而晚上没有;风能,则是中国北方多、南方少。这就需要一个能源媒介让我们在可再生能源富裕的时候将其储存起来,在可再生能源贫瘠的时候,重新释放出来以获取能源。基于此,氢能应运而生。水中含有丰富的氢,氢和水之间的相互转化可实现一个能源循环的闭环。除此之外,氢能有很多优势:一是质量能量密度非常大,是锂离子电池的几百倍,一吨锂离子电池的汽车可以跑几百公里,但同等能量密度下几公斤氢气就足够了。二是氢的产物只有水,没有二氧化碳,所以是一个零排放的能源媒介。氢还有着来源广泛、与可再生能源高度匹配、可以合成燃料去消纳过剩的二氧化碳等优势。虽然氢能有很多优势,但是氢能可能存在一些潜在问题。只有更好地认识氢能的问题,才能更好驾驭和利用氢能。首先,鉴于历史上有很多氢气爆炸事故的发生,安全地使用和储存氢气非常重要。但是,其实在安全性方面,氢气有一些可能是优势的特征,比如,氢气扩散性非常强,能以最快的速度泄露出去,从而减少持续燃烧的危险;再比如,氢气的爆炸能量相对来说比较小,所以有研究表明,氢燃料电池的车的爆炸危害可能比汽油车会小很多。这也带来了另一点值得我们深入思考和探究的问题,那就是在更广阔的环境意义上,氢能是可持续的吗?从氢气的性质来说,氢气是密度极低的还原性物质。密度极低就代表会持续往上升,并会最终逃逸出地球。其还原性性质导致会和大气中很多的化学物质进行反应。十几年前的研究表明,过量的氢排放会造成臭氧层空洞恶化。这是因为氢会和大气中的氧物种进行反应,形成大量的水分,这些水分会平流层的底部进行累积,使局部的温度降低,不利于臭氧的形成,导致臭氧层空洞修复的整个过程变得异常缓慢。这些研究并不是在阻碍氢能的发展,而是为氢能可持续发展更好地未雨绸缪。比如这个臭氧层空洞的分析取决于大气中氢的含量,氢的含量不仅仅取决于使用量,而是取决于制氢、储氢的泄露率,在提高使用量的前提下减少泄露率就可以提高氢能可持续性。“建立更为完善安全的供应体系,是我们人类在无数次的危机中学到的基本技能。”龚鸣强调。图 | 制氢路径(来源:龚鸣)很多国家从 2010 年以来,就提出了各种氢能战略。中国也在积极地探讨关于氢能的能源战略。美国国家能源局在 2016 年提出了规模化氢能经济战略(H2@Scale),在电能的基础上发展氢能网络,以期电能和氢能深度融合相互支撑,提高可再生能源的利用率以及电力在整个能源系统中的比重,这样可以减少我们对化石能源的依赖以及实现碳中和的目的。在整个氢能链条里面,主要分为四个环节:制氢、储氢、运氢、用氢,每个环节的能量效率以及是否形成闭环,是决定氢能经济以及氢能效率的关键要素。关于电解水制氢技术目前为止,全世界只有 4% 的氢来自于电解水制氢,更多的是来自于化石能源制氢。“这是由价格和资源决定的,比如我国就是一个富煤少气的国家,所以大家更愿意用煤制氢。而日本是资源相对匮乏一点的国家,更倾向用电解水制氢,所以各个国家会选取各个国家适合自己的制氢路径。”龚鸣表示。图 | 电解水制氢技术(来源:龚鸣)关于电解水制氢,就是阴极产氢和阳极产氧,两个电极把水分裂成氢气和氧气的过程。电解水的理论电压是 1.23 伏,电耗是 2.943 度电/立方氢。龚鸣介绍,电解水制氢最大的优势在于,如果电来自于可再生能源,电解水制氢就是一个零排放技术。另外,电解水制氢的纯度非常高,高纯氢的应用领域非常重要,但是目前电解水制氢主要的一个制约因素是高电耗带来的高成本。图 | 高效碱槽电解水制氢(来源:龚鸣)电解水制氢主要可以分为四大类技术:碱槽电解、质子交换膜(PEM)电解、阴离子交换膜(AEM)电解以及高温固体氧化物电解,其中前三类主要针对可再生能源。碱槽电解技术相对比较成熟,适合大规模制氢,但产速较低、电耗较大。针对这两个劣势,质子交换膜技术可以替换碱性电解质实现纯水的电解,产速较高、电耗较低,但对应的成本会急剧上升。阴离子交换膜技术可以潜在结合两者的优势,但仍局限于阴离子膜的开发。而高温氧化物电解技术可以针对核能废热废电实现高产速的氢气制备,但是同样部分技术仍在开发当中。一直以来,龚鸣从事碱性电解水的研究,主要目标是通过高丰度、低成本的催化剂,以降低整个电解水制氢的电耗。他表示:“通过精准的材料设计,可以比现在工业上用的催化剂降低大概 20% 的能耗。由于现在电解水的主要成本来自于电耗,所以 20% 的能耗下降就意味着可以大大降低制氢的成本。”随着制氢电耗慢慢下降,催化剂的研发也逐渐接近一个瓶颈期。如何突破现有能耗形成下一代电解水技术,龚鸣又提出了他的一些思考。他指出在可持续性方面,电解水制氢可能存在一些潜在问题,那就是关于电解水中的水。由于对电解水来说水的价格远小于电的价格,所以大家关注地比较少,但实际上目前的技术对水质有着非常高的要求,而我们的淡水资源非常有限,且可再生能源和水资源在地域尺度上严重不匹配。另外,富产的氧气其实应用也非常有限,造成一定程度上资源的浪费。因而,面向制氢可持续性问题,需要在考虑氢经济的时候,更需要考虑一下氧管理。比如,是否能有一种天然的资源可以捕获氧,形成高附加值的产物?这样就可以在产氢的同时将水中的氧转移到更有价值的地方去,从而进一步降低制氢的成本。龚鸣称,这些天然资源其实并不难找,比如说天然生物质、尿液中的尿素、工业废水中的有机质,这样可以解决资源不匹配地域尺度的问题,以实现“有什么电什么”的下一代耦合电解水产氢技术。当然这个技术还有很长的路要走,但无疑是下一个提高制氢可持续性的潜在方案。如何储氢?储氢是保证氢能安全以及可持续性的重要环节,主要分为物理储氢和化学储氢。物理储氢是通过物理隔离的方式将氢气储存的一种方式,效率比较高,但是实现长时间储存会面临一定的泄露风险,无法完成可持续性的目标。化学储氢,则通过化学反应将氢转化成含氢的物质进行储存,安全性比较高,但对应整个能源循环的效率就有所下降,因为整个过程需要额外的能量。图 | 储氢与运氢(来源:龚鸣)图 | 化学储氢的现状与未来(来源:龚鸣)物理储氢是现在主流的技术,但未来大家可能更多地布局化学储氢。各个国家对此提出了不同的战略,美国能源局已提出目标,去寻找一些兼顾高储氢密度和储氢能效的材料,尤其是固态储氢。但目前储氢密度比较高的材料储氢能效比较低,储氢能效比较高的材料储氢密度比较低,这个两难的困境需要持续的研发。日本则提出液态有机物的储氢技术,可通过液态甲苯和液态甲基环己烷之间的相互转化,实现氢气的安全存储以及运输,但同样受限于其循环能效龚鸣表示,提高储氢可持续性的一种方式是不局限于储氢材料的寻找,而更多地提高过程效率。比如,传统方式是通过先制氢再储氢的方式,整个过程步骤较多,导致过程效率叠加时的总效能下降。把制氢和储氢结合起来,不直接产生氢气,而是直接产生含氢的物质,将这些物质进行储存,需要的时候再通过化学反应把氢气释放出来,这样可以大大减少整个过程所需要的步骤,提高整个储氢用氢过程的效率。这是龚鸣一直在思考和研究的方向。龚鸣最后强调,氢能是减少碳排放,实现碳中和,能源循环重回平衡的一个能源媒介。在整个氢能链条下,只有保证整个氢平衡、氢循环以及高效的氢能存储与转换,才能真正实现可持续氢。而在考虑氢经济的前提下考虑一下氧管理和碳中和是一条潜在可行的路径。他也最终表示了他对可持续氢能未来蓬勃发展的期待和展望。

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2020年12月30日 10:45
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