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    氢气作为清洁能源的研发现状

    2008-11-3 14:43:00

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    杨学林

    氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,人类对氢能应用在200年前就产生了兴趣,到20世纪70年代以来,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。随着国际气候变化和对石油进口依赖程度的不断加深,导致人们对氢能市场生存能力发展的普遍兴趣。从历史的角度上说,能源观念的转变需要花费几十年才能实现,一定范围内政府、跨国公司和个人企业对氢能产业的推动将是加速能源转换的必要因素。已有的一些有关氢能研发顺序的问题也会影响氢能经济的发展方向。目前氢能研究主要集中在如下三个方面:

    一、燃料电池公司

    虽然燃料电池价格非常昂贵且氢能使用并非电动汽车所必需,但其实践应用仍得到人们审慎郑重的思考。这是因为氢能电池在将氢和氧转换为低压、直流电时可达55%~60%高效能,是内燃机效率的三倍。实验室实验表明燃料电池可发挥85%的潜在效率,甚至更高。在将其与一台具有80%效能的电动机联合使用时,可产生高于直接使用氢能内燃机2~3倍的效能。起码有一半的优势燃料电池技术可以利用,研究者们正在从事质子交换膜(PEM)的研究,质子交换膜技术是在电解时用碳氟化合物与一个Nafion类型的聚合体膜进行离子交换,质子交换膜电池具有起动速度快、高能量密度和耐久性强的优势。质子交换膜电池的工作温度在50℃~80℃间,能够按照汽车运行电量的需求变化调整电量的输出。世界上已有100多家燃料电池生产商,除此之外,还有许多的汽车和石油公司积极参与该领域的研发、生产工作。Ballard是一家大型且正处于蓬勃发展时期的加拿大公司,与DaimlerChrysler和Ford公司共担10年风险,计划投入10亿美元资金,到2010~2012年打造生产商业实用型氢能汽车,目前尚未有利润回报,因而其计划和商业前景与其产品的主要用户紧密相连。

    二、机动车辆公司

    几乎所有主要的汽车公司和在美国、欧洲和日本的几家小型公司都积极立项开发氢能汽车。大多数汽车公司的氢能汽车原型需要使用燃料电池。20世纪60年代宝马车率先研发氢能汽车模型,开此行业先河。它现在的汽车采用液氢供能且最高限速为240英里,希望到2010年提供使用。本田汽车和丰田汽车于2002年12月在加利福尼亚首次投放几辆氢能动力燃料电池汽车,并希望与宝马汽车和Nissan汽车共同进入美国的汽车零售市场,成为汽车行业的“新军”,这些燃料电池汽车最高限速235英里,这些汽车制造商计划于2004年在美国的加利福尼亚出售80辆不同类型的氢能汽车。其他汽车公司在2004年也相继做了些安排。GM公司计划大量生产一种被称为"自控"的、时速可达200英里的燃料电池汽车。由于这种车零部件较少,预期生产成本较低,起初GM的销售目标为100万辆,到2010年前承担全世界的"自控"车销售,尽管这个数额可能到2015~2025年实现更加现实一些。第三家美国主要的汽车制造商福特公司计划于2004年下半年在萨克拉曼、底特律、奥兰多试制30种混合燃料电池汽车,BP公司和Ballard公司也对此项计划予以支持。 在这些市场计划中还隐含着对氢燃料传输基础设施、小型蒸汽及甲烷重整器、地区燃料站电解剂的需求及其成本的预想。但在当前,氢能汽车的费用远远超出了人们的承受能力,超出了降低空气污染、温室气体、以及提高能源安全性成本效益选择。

    三、能源公司

    BP和Royal Dutch Shell两家跨国石油公司立足于氢能研发和改革技术:Shell公司和BP公司分别于1998和1999年设立了性质不同的商业单位以从事氢能的研发。同时由两家主要的石油公司承担了可再生能源发展和减少温室气体排放研发重任。ChevronTexaco和Exxon Mobil公司也设立了氢能研究计划,只是Exxon Mobil公司在减少温室气体排放的相关研究上承担较少。 BP和Shell公司的研究内容广泛地涉猎了世界范围的氢能研究计划,到2006年Shell公司已投资10亿美元从事氢能研发和商业化活动。另一个具有氢能实践经验的能源公司的工作是发展氢燃料供应站和氢能高速公路。除主要的石油公司外,Stuart 能源系统公司、Linde AG和空气产品与化学品公司已将其营业范围扩大到氢能零售。欧洲几个著名氢能经济发展国正在努力开展研发工作,特别是冰岛和欧洲联盟分别在1999年和2002年的前景规划中确立了本国将成为世界氢能经济强国的地位。

    目前各国政府也都推出了各自的的氢能研发计划及相关政策

    一、欧盟

    伴随着德国制定的欧洲大陆最先进的氢能规划出台,最重要且最具首创精神的区域政策的制定当属欧盟(EU)和欧洲委员会(EC)。2003年,欧盟(EU)和欧洲委员会(EC)发表的一篇重要报告和行动计划,阐述了有关氢能利用的远大前景。这篇报告是欧洲委员会承诺长期发展氢经济的重要文件,各个国家政治团体对该项工作的重视程度已超过了冰岛和日本。

    2010年前的阶段目标是研制以天然气为原料的用于发电的初级燃料电池产品。专家组认为到2020年成员国当中会有5%的新型汽车和2%的船舶使用氢能产品,到2030~2040年市场占有额会不断提高,并预计在2020~2050年间可再生能源和先进的核能会成为主要的氢能源。尽管在天然气技术发展道路上会有一些危险性,但欧洲委员会预言即使在遥远的未来,来源于碳隔离化石燃料的氢能产品与可再生能源及核能一起都将仍然扮演重要的角色。

    二、美国和加拿大

    北美对氢能研发产生兴趣始于1973年的石油危机,当时成立了国际氢能协会,并在美国迈阿密海滩召开了有关该主题的第一届国际会议,美国能源研究开发署(ERDA)对氢能研究计划加以扶持,作为对美国政府能源自给不成功计划部分的一种弥补。但投入资金在20世纪70年代每年从未超过2.4亿美元,少于西欧同类计划的资金投入。美国政府资金投入持续下降至20世纪80年代,直到20世纪90年代,伴随着对全球气候变化和减少石油进口依赖关注程度的提高才得以回升。

    加拿大也已成为发展氢能和燃料电池技术的最活跃的国家之一,并在这一领域众多主导行业中占有独特地位,加拿大工业部是两个政府领导机构之一,它与加拿大自然资源部联合设立了一个技术合作企业计划,以加速氢能技术的发展、商业化和及早采用。还将分配0.2亿加元给优秀的技术革新计划,这些计划涉及性能提高和降低成本方面的技术。然而对于能源原材料供给,加拿大在此方面做出的努力所得到的结果尚不清楚,充足而又廉价的水力电气资源在一些省可能依然受到偏爱。

    三、巴西

    巴西关注可选择能源的发展已有30年历史,自1973~1974年国际石油危机以后,于1975年提出国家乙醇计划,随即巴西成为世界乙醇燃料发展规模最大的国家,特别是供汽车使用的含水乙醇和乙醇-汽油混合燃料,这种燃料由蔗糖发酵而成,每年总产量超过30亿加仑。由于该系统由原始能量转换而成,产品仅有33%能够符合乙醇燃料的要求,因此,研究提高生产效率的技术尤为重要。巴西正在进行这样一项研究:将生物能量转换成氢。假设巴西本国的再生能源、水力电力能以及生物燃料具有很高的可依赖度,政府预言可将这些能源作为氢能生产的基础原料。将风能和光电电池应用于氢生产也是可能的,在巴西应用非峰值水力电气进行大规模的电解氢生产应考虑到其成本仅为从化石燃料中获取氢的一半。已有50万吨的氢供工业应用,然而,这些仅是巴西氢能源研发的一个开端。

    四、冰岛和挪威

    两个最为关注氢能经济发展的国家是位于北欧地区的冰岛和挪威。冰岛曾于1999年2月公开发表一项引起世人关注的国家目标:至2030年冰岛要将其经济过渡到氢能经济。由于没有化石燃料资源,拥有2.94万居民的冰岛开始着手开发本国丰富的水力电力资源和地热资源,以此满足超过一半的能源需求以及接近100%的电力需求。冰岛重要的汽车业与船舶业所赖以生存的石油进口代价十分高昂,进而成为促成氢能经济发展规划形成的动因。由于低廉的2分/kWh的电力价格,冰岛每年可生产出2000吨电解氢,希望通过提供充足的可再生氢以满足本国整个运输业的能源需求。

    虽然挪威也有近100%可再生电力能源产生于本国丰富的水力电力资源,但与冰岛不同,挪威在丰富的天然气资源、产品、高级轿车、石油以及柴油机燃料等方面存在高额税收。这些情况使得挪威极为适合实现向氢能利用方面的转变。挪威于2003年建立了国家氢能委员会,并于2004年递交了委员会报告。报告制定了最初的10年发展规划并推荐借鉴美国的125~145美元债券方法,用发行长期债券的方法来收回短期债券。挪威已在斯塔万格与奥斯陆之间建成一条长达580公里的氢能高速公路,沿着这条高速公路将建成几个新型燃料供应站(Bak,2003c)。北美西海岸也有类似的氢能高速公路计划。

    五、日本和韩国

    在国际上,日本在努力发展氢经济方面是最具影响力的国家之一,不仅表现在研发上,而且体现在产品计划上。以下几个方面的因素决定了日本的先导地位:日本政府承诺签署到2010年减少6%温室气体的目标草案;日本本国运输行业对石油进口的极大依赖性;日本需要维护本国高新技术形象和经济两方面超级强国的地位。

    世界能源网工程估计氢能产品来源于可再生能源的潜力在日本可达到210G Nm3/年,预计到2030年可再生氢能产品仅占到氢能产品消费总量的大约15%。据估计,日本到2030年氢能产品的消费总量为49.6G Nm3/年,仅占能源消费总量的大约4%。液化法已成为储存与运输大规模氢能产品的主要方法。世界能源网工程已广泛地开展液化设备与液化罐的研发工作。对氢燃烧汽轮机的研发是世界能源网工程研发的另一重要领域,预期具有60%效率的实验设备将用于试验开发。据世界能源网预测,在近期内甲醇和汽油重整仍将是最具可行性的燃料电池应用技术,而将纯氢能技术的应用作为一项长期目标。

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    相关链接:高纯氢气

     
     
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