氢能源不是未来能源方向

2019-09-28 13:07 来源:未知 作者:石家庄生活网
氢能源不是未来能源方向

能源问题是当前人类迫切需要解决的难题。不只是为了解决温室效应,降低能源成本,更重要的是在信息技术、智能自动化制造技术的帮助下,已经具备了解决这一问题的能力。

氢能源不是未来能源方向

 

工业革命后的两三百年,所有在能源方面的努力都是为了提升太阳能转为服务人们生产生活的有用功转换效率和提高能源载体的有效能量密度。以前、所有的研究者都只着眼于单个环节的。如提高光伏发电效率、提高汽油发动机热效率。未曾将从太阳能到有用功当成一个系统研究。

晶硅、薄膜、钙钛矿结构等等光伏技术,聚光光热技术、锂电池、锂硫固态、氟阴离子、氢氧燃料等电池技术和新能源汽车。研究者投入了巨大成本、大量的人力物力精力。

但是、研究人员未曾认识到一个可怕的事实,那就是不管他们多么努力,方向选择错了。即便他们的电池技术达到所有的理论上的最大值。他们研究出来的技术都会是昙花一现。

那么什么样的技术方向才是正确呢?且看下面分析。

氢燃料和氢能源并非最佳方向。

1 氢能?未来能源?你有没有搞错!

氢能作为一种能源载体,被人误认为是未来的最佳能源。这种错误的想法源自两个事实,一个是氢能量密度高达143MJ/KG,另外一个氢的燃料电池理论效率高,实际最高效率已达到80%。

论据是正确的,结论却错了。氢气如果是车载能源,将储罐和氢气当成一个整体,其能量密度远低于汽油、甚至低过甲醇。氢燃料电池的整体效率也不高。

1.1 常见能源载体的能量密度。

我们先看看常见的氢气储存技术。

A. 高压储氢:氢质量含量1~5.8wt%,压力为35/45/70/90MPa,目前已经商业化。对于氢能汽车中的高压储罐,一般有35Mpa和70Mpa两种,采用碳纤维复合材料组成铝内胆外面缠绕碳纤维材料。日本通过将减少碳纤维强化树脂的用量,使重量效率比原来提高了20%,储氢重量密度达到了5.7wt%。

B. 液化储氢:氢质量含量>5wt%,将纯氢冷却至-253℃储存,超低温消耗能量大,成本高,优势在于储氢密度高,多用于航天、军工领域。

C. 固态吸附储氢:氢质量含量5.3~9wt%,使用以碳材料为主进行物理储氢,环境为77k、4MPa,纳米碳材料储氢性能好,还处于实验阶段。

D. 液态有机化合物储氢:氢质量含量6~8wt%,常温常压,储氢容量大,目前还处于实验阶段。

E. 金属氢化物储氢:氢质量含量1.4~3.6wt%,常温常压,安全性好,但是储氢合金存在易粉化、能量衰减和变质,目前还处于实验阶段。

F. 自然储氢:包括水储氢、甲醇储氢等。其中,水储氢的氢质量含量为11.1wt%,常温常压,能量比度高,成本高,以电解水制氢为主。甲醇储氢的氢质量含量为12.5wt%,常温常压,能量密度高,低成本,大规模甲醇制氢技术早已实现商业化,微型化甲醇制氢技术已实现突破,商业化价值极高。

上面的六种氢储能方法中,甲醇的储氢质量分数是最高的了。并且,甲醇利用热重整、质量占比12.5%的氢会成为氢单质。而甲醇的能量密度是20MJ/KG,经过热重整后得到的氢能量必定有损失。

显然,氢,作为能源载体。考虑储罐后,其整体能量密度不及汽油一半,也低于甲醇。此外,还要考虑氢能冷却压缩灌装造成的能量损失。氢气的极度危险性。

那么氢氧燃料电池的能量转换效率高呢?电池发电环节,氢能效率高,并不能弥补整体系统的能量效率。借助“油井-车轮”(WTW)效率理念。本文提出“STS”即solar to service。即太阳能转换为服务人们生产生活的有用功。STS的效率中,氢能因为经过了太阳能发电、电解水、燃料电池转换电能,这个中间多了一个氢形态的变换环节。其STS效率也低于光伏、更低于太阳能生产甲醇,甲醇直燃、内燃、重整制氢的效率。

这个效率有三类:

第一类效率是"STS"的能源转换效率,如光伏发电效率,电机效率等。

第二类效率是"STS"的经济效率,即单位能源成本。如度电成本,燃油燃油价格等。

第三类是"STS"能源转换装置成本效率,即单位能源的转换成本,如家里煮饭的电饭煲成本,电动化车辆购置成本。

这三种类效率是用来判断太阳能应用技术路线好坏的客观标准。

由此可见、那些错误认为氢能是终极能源并大规模投入的人最后可能赔的很惨。

2 什么才是未来能源?

在所有非直接利用太阳能利用方式中太阳能光伏、光热的效率是最高的,电能、热能都是服务人们生产生活的有效形式。

基于STS的观点,未来能源必定是最高效利用太阳能服务人们生产生活的能源方式。当然,作为太阳能在地球上的能量载体,STS的评价至少包含经济价值、能量密度、系统效率和适用场合等等方面的考虑。

首先太阳能光伏是太阳能利用的方式的最优方式,但光伏不能解决储能问题。

以生物质为原料、太阳能为能量来源,利用碳氢氧元素为热储能工质储能。并在夜晚发电,生产甲醇、二甲醚。而在甲醇、二甲醚的使用端。将太阳光聚光产生光热温度180~500℃的中低温太阳能,重整甲醇、二甲醚、水、沼气等组份,得到氢气、一氧化碳供给直燃、内燃机、燃料电池等方式利用。这样的太阳能利用方式和光伏发电方式将会是太阳能的终极利用方式。这种太阳能利用方式简称为太阳能利用LY系统。


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