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從太陽(yáng)、光伏到氫能文明——電力電子新風(fēng)口

中國(guó)電源學(xué)會(huì)科普號(hào)
電源技術(shù)是多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù),在生活中具有廣泛的應(yīng)用。
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說(shuō)到氫氣,小朋友都認(rèn)識(shí)它,

它很輕,氫氣球很好玩,

一不小心飛上天。

氫很容易獲得,利用金屬活動(dòng)性比氫強(qiáng)的金屬與酸反應(yīng),就能置換出氫氣來(lái)。中學(xué)實(shí)驗(yàn)中就用鋅與稀硫酸反應(yīng)制氫,Zn+H2SO4=ZnSO4+H2。當(dāng)然也可以用鉀、鈣、鈉等金屬與稀酸反應(yīng),可能其激烈程度你Hold不住。

在商業(yè)應(yīng)用中用鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)制取:

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑

路邊賣(mài)氣球用的零壓氫氣機(jī)就是根據(jù)鋁和氫氧化鈉反應(yīng)制氫充球。因?yàn)槭情_(kāi)放性,是一邊放料一邊充球,機(jī)內(nèi)是無(wú)氣壓的,安全系數(shù)較高。

氫很容易獲得,鋼鐵、化工等等生產(chǎn)中就會(huì)產(chǎn)生氫氣,氯堿副產(chǎn)氫、輕烴裂解副產(chǎn)氫等。這些氫氣可能就會(huì)混在城市煤氣中燒掉,可惜嗎?氫氣是很好的燃料,熱值高達(dá)1.4*108J/kg,而天然氣是8.5*107J/kg,而且燒氫最環(huán)保,只產(chǎn)生水,零碳排放。

我們冬運(yùn)會(huì)的火炬就是用零排放的氫氣作為燃料的。

那么我們多少熱是從氫來(lái)的呢?

就要從星空講起~

遙望夜空,群星閃爍,那是它們?cè)诎褮滏幼兂珊?。我們的太?yáng)日日夜夜每秒就要消耗掉6億噸的氫,把它轉(zhuǎn)換成5.96億噸的氦。氫變氦以后,那么每秒少掉400萬(wàn)噸物質(zhì)去哪里了呢?按照愛(ài)因斯坦的公式E=mc2變成了能量,其中大約1.5kg氫產(chǎn)生的熱量降臨到我們地球,賦予我們光明和能量,萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng),靠氫核聚變。

氫氣是綠色燃料,可是在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態(tài)氫。在地殼里,如果按質(zhì)量計(jì)算,氫占總質(zhì)量的1%,而如果按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)算,則占17%。氫在自然界中分布很廣,水便是氫的“倉(cāng)庫(kù)”——?dú)湓谒械馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%,石油、天然氣、動(dòng)植物體也含氫。在空氣中,氫氣倒不多,約占總體積的一千萬(wàn)分之五。在整個(gè)宇宙中,按原子百分?jǐn)?shù)來(lái)說(shuō),氫卻是最多的元素。據(jù)研究,在太陽(yáng)的大氣中,按原子百分?jǐn)?shù)計(jì)算,氫占81.75%。在宇宙空間中,氫原子的數(shù)目比其他所有元素原子的總和約大100倍。

雖然氫氣在自然界里微乎其微,

但可以向水要?dú)洹?/p>

水煤氣法

水煤氣是水蒸氣通過(guò)熾熱的焦炭而生成的氣體,主要成分是一氧化碳,氫氣。

C+H2O(g)=(高溫)CO+H2↑

如加催化劑,一份煤炭可以產(chǎn)生雙份的氫氣,

C+2H2O(g)=(高溫)CO2+2H2↑

用煤制氫很方便,成本也不高,但需要消耗化石能源煤,而且產(chǎn)生二氧化碳,這種氫現(xiàn)在有了個(gè)新名詞——灰氫。

因?yàn)闅浞浅-h(huán)保,燃燒后只產(chǎn)生水,零碳排放,如果制造氫的過(guò)程不產(chǎn)生二氧化碳,整個(gè)生態(tài)過(guò)程就完美了。

我們也可以把氫**“洗白”**,把產(chǎn)生的二氧化碳捕獲,封存和利用后,我們就稱清潔氫,捕獲的二氧化碳可以充可樂(lè),合成可降解塑料……

我們的目標(biāo)是發(fā)展綠色氫,

采用新能源發(fā)電制氫。

新能源發(fā)電指風(fēng)力發(fā)電,光伏發(fā)電和水力發(fā)電,過(guò)程中不消耗煤和石油,不產(chǎn)生二氧化碳。

電解氫只需要水,電把水拆成氫氣和氧氣,就是說(shuō)我們把電能用氫氣的形式儲(chǔ)存起來(lái),變成氫能。

2H2O=2H2↑+O2↑

我們有了氫,那氫有什么用呢?

化工原料

目前,氫的四大單一用途分別是:煉油、合成氨、合成甲醇和直接還原鐵礦石生產(chǎn)鋼鐵,其它用途就數(shù)不清了,中國(guó)一年要消耗氫氣2000萬(wàn)噸。

氫氣作為一種清潔的新能源載體可用于燃料電池,將太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源儲(chǔ)存于氫氣,用于燃料電池電動(dòng)汽車(chē),飛機(jī)和輪船。

燃料電池

燃料電池是電解氫的逆過(guò)程,發(fā)電過(guò)程只產(chǎn)生純水,是非常環(huán)保的,而且加氫可以像加油一樣快速方便。

H2+1/2O2==H2O

燃料電池并不是新技術(shù),原理也不是太復(fù)雜,已經(jīng)是中學(xué)的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了。燃料電池工作時(shí),陽(yáng)極的氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子,氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,電子則沿著外部電路到達(dá)陰極(正極)產(chǎn)生電流。而在陰極,空氣中的氧氣與氫離子、電子反應(yīng)生成水。

燃料電池可以做成充電寶,真像個(gè)電池,也可以在家里自己電解制氫,給氫罐充氫,電可以來(lái)自太陽(yáng)能,貌似非常方便。

燃料電池充電寶,輸出功率2瓦

家用電解氫機(jī),23W,每小時(shí)產(chǎn)氫3升

但車(chē)用大功率燃料電池系統(tǒng)就沒(méi)有這么簡(jiǎn)單,是復(fù)雜的發(fā)電系統(tǒng)。需要空氣壓縮機(jī),氫泵,風(fēng)機(jī),水泵等,系統(tǒng)需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和各類傳感器。

燃料電池發(fā)電不受發(fā)動(dòng)機(jī)的卡諾循環(huán)的限制,理論上,它的發(fā)電效率可達(dá)到85%~90%,但由于系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)消耗功率,目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為40%~60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供,燃料的總利用率可高達(dá)85%以上。這種系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化在日本家庭使用,截至2019年上半年,日本累計(jì)銷(xiāo)售30余萬(wàn)臺(tái)家用燃料電池系統(tǒng)ENE·FARM。

熱電聯(lián)供燃料電池是高效用氣的有效途徑,下圖表示1000立方的天然氣,27GJ用于火力發(fā)電,效率58.5%。而改用燃料電池,40.6GJ的天然氣,發(fā)電15.8GJ,熱量22.8GJ,未利用僅2GJ,效率高達(dá)95%。

氫進(jìn)萬(wàn)家是高能效社會(huì)的發(fā)展方向。

氫是綠色能源,也是綠色能源的載體,從新能源發(fā)電、電解制氫到燃料電池發(fā)電構(gòu)成新世界的綠色能源鏈。

我們期待著,氫燃料電池汽車(chē)、飛機(jī)、輪船,家庭熱電聯(lián)供……氫能文明時(shí)代指日可待。

評(píng)論
CZH科普
大學(xué)士級(jí)
氫非常環(huán)保,燃燒后只產(chǎn)生水,零碳排放,如果制造氫的過(guò)程不產(chǎn)生二氧化碳,整個(gè)生態(tài)過(guò)程就完美了。因此,我們要發(fā)展綠色氫,采用新能源發(fā)電制氫,發(fā)展綠色氫能源。
2023-03-30
科普老兵聞向東
大學(xué)士級(jí)
氫進(jìn)萬(wàn)家是高能效社會(huì)的發(fā)展方向。我們期待著,氫燃料電池汽車(chē)、飛機(jī)、輪船,家庭熱電聯(lián)供等氫能文明時(shí)代,能夠早日到來(lái)!
2023-03-30
奉獻(xiàn)科技
少傅級(jí)
開(kāi)發(fā)新能源,合理利用綠色能源,造福人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步。
2023-03-30