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低碳氢能时代向我们走来

作者:王淑伟 杨帆   来源:中国军网-解放军报   时间:2022-12-16

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国内首座兆瓦级氢能综合利用示范站投运。图片来自新华社

●前不久,第十四届中国国际航空航天博览会上,兆瓦级氢燃料涡轴发动机引发围观热议

●来源丰富、绿色低碳、应用广泛,氢能被认为是可再生能源规模化高效利用的重要载体

●“绿氢”技术是氢能开发利用的关键,一场以减碳脱碳为标志的能源革命正在加速演进

“氢”风正起

火车车轮碾过铁轨,列车与空气摩擦发出的声音越来越近。在德国,连接库克斯港、不来梅港、布雷默弗德和布克斯特胡德的铁路上,一班蜿蜒前行的蓝色氢能列车正在向世界驶来。

今年8月,德国首条运行氢能列车的铁路线路正式启用。列车使用纯氢气作为燃料,从环境空气中收集氧气,再利用燃料电池将这两种气体转化为电能,行驶时只产生蒸汽和冷凝水,且噪音很低。

据线路设计公司介绍,这种列车的续航能力为1000公里,最高时速可达140公里,1公斤氢气能替代约4.5升的柴油,能明显减少对环境的影响。“零排放交通是可持续发展的重要目标之一,这种氢能列车体现了绿色交通与先进技术的结合。”该公司首席执行官表示。

如今,在全球向低碳、绿色转型的大背景下,世界各国都在进行积极探索,利用氢燃料实现“零排放、无污染”。许多国家纷纷将氢能源纳入国家能源发展战略,积极推动氢能发展。

今年3月,我国《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》发布。根据规划,到2025年,我国将初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系;到2030年,我国将形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系;到2035年,我国形成氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。

2020年7月,欧盟提出氢能战略,并宣布建立清洁氢能联盟。目前,已有15个欧盟国家将氢能纳入其经济复苏计划。2022年5月,欧洲能源供应调整计划公布,目标是到2030年在欧盟生产1000万吨可再生氢,并进口1000万吨可再生氢。欧盟还创建了“欧洲氢能银行”,加大对氢能市场的投资力度。

巴西首个绿氢工厂已经在巴西东北部巴伊亚州卡马萨里市奠基。工厂预计2023年底投产,每年能够生产1万吨绿氢和6万吨绿氨。这个项目被视为应对世界气候变化的有益解决方案。

如今,“氢”风正起,渐成方兴未艾之势。随着新一轮科技革命和产业变革的加速演进,氢能逐渐成为全球新的战略竞争焦点、各国培育新兴产业的重要方向、推动能源生产消费绿色低碳转型的重要抓手。

珠海航展上的氢燃料涡轴发动机。资料图片

读懂氢能源

提起“氢”,很多人都不陌生。我们初中学习化学元素周期表时,排在第一位的元素就是“氢”。作为原子质量最轻的元素,“氢”却是宇宙中含量最多的元素。据保守估计,它占据了目前可知宇宙质量的75%。

16世纪,瑞士一名医生发现,把铁屑放进硫酸里,会产生气泡,这些气泡会像旋风一样升起。在此基础上,1766年,英国化学家亨利·卡文迪许用铁、锌与酸制得一种“可燃空气”,并用排水集气法将其收集起来。1787年,法国化学家拉瓦锡将这种“可燃空气”命名为“氢”。至此,这个在宇宙大爆炸时就出现的古老元素,终于正式走进了人们的视野。

科学家在实验中发现,氢气在空气中极易燃烧,且产生的热值非常高,约为汽油的3倍、焦炭的4.5倍。与其他燃料相比,氢燃烧的产物是水,不会产生一氧化碳、二氧化碳、粉尘等污染物,是一种近乎完美的能源燃料。

燃烧氢获得能量,是人类利用氢最直接的方式。

还记得今年2月4日开幕的北京冬奥会吗?由1200名火炬手传递、象征着光明与温暖的冬奥会火炬,就是采用纯氢作为燃料。这样的奥运会火炬,实现了零碳排放,真正体现了北京冬奥会绿色、低碳、可持续的原则。

如果将氢气降温、再降温,就会得到一种无色、无味的高能低温液体燃料,也就是我们通常所说的液氢。如今,液氢已经广泛应用于航天领域。由液氢和液氧组成的双组元推进剂能量极高,加注到运载火箭中,便可轻轻松松将卫星等飞行器送入太空。

虽然人类对于氢能的研究已有几百年的历史。然而,真正把氢作为能源载体和新的能源系统来研究,还是在20世纪70年代。那时候,中东战争引发石油危机,油价暴涨,进而推动了许多国家和地区开展氢能研究。21世纪初,作为氢能利用重要工具的燃料电池飞速发展,在航天航空、发电以及交通领域得到了广泛应用。随后氢能产业又一度陷入低谷。直至近几年,随着全球向低碳、绿色转型,以及相关技术的进步,对氢能的研究利用又迎来了一个令人振奋的发展“风口”。

液氢加氢站。资料图片

按下减碳脱碳“加速键”

为抢占发展先机,目前世界各国都在积极探索利用氢燃料来实现“零排放、无污染”。然而,氢能产业发展依然面临挑战。

作为二次能源,氢能源不同于煤、石油、天然气等一次能源可以直接开采获得,而是通过一定的方法利用其他能源制取。目前主要有天然气制氢、煤制氢、工业副产氢、电解水制氢、甲醇制氢等方式。

氢能产业链的上游为制氢。按照制取方式和碳排放量的不同,氢能分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。

灰氢是指通过化石燃料燃烧制取氢气。这种方式成本较低、技术成熟,是目前最为常见的制氢方式。然而,这种方式在生产过程中会产生大量二氧化碳排放,并不符合低碳的需要。蓝氢是在灰氢的基础上,应用碳捕捉和封存技术将碳保留下来。这种方式只是一种过渡性的技术手段。通过太阳能、风能、核能等可再生能源电解水制取出来的氢,被称为绿氢。这种方式在制氢过程中基本不会产生温室气体,是最理想的手段。

然而,从生产、到运输,再到贮藏,过高的成本是清洁绿氢难以大规模发展的主要因素。

电解水制氢技术主要有碱性电解水、质子交换膜(PEM)电解水和固体氧化物电解水三类。其中,碱性电解水制氢是目前商用电解领域的主流技术。“绿氢”的价格主要与可再生电力成本相关。国际能源署、国际氢能委员会等机构的研究表明,当前的可再生能源制氢成本高达3~7.5美元/千克。

制约“绿氢”发展的另一个主要障碍是氢的远距离运输。目前,液态储氢技术和金属氢化物储氢技术等取得了较大进步,但储氢密度、安全性和成本之间的平衡关系尚未完全解决,离大规模商业化应用还有一定差距。

目前,世界各国都在积极推动相关技术革新。预计在未来5-10年内,电解水制氢成本将大幅度降低,推动渗透率会显著提升。

在氢能产业链下游,氢能的开发与利用正在引发一场深刻的能源革命。

北京冬奥会,氢能源汽车华丽亮相、备受瞩目;北京延庆街头,氢燃料电池公交车正式“上岗”,投入日常运营,穿梭在城市干道上……

由于氢燃料电池自身的技术独立性,氢燃料电池不仅可以用于汽车,还可用于航空动力、潜艇、军舰、单兵装备、通信设备等。近日,空客公司透露,他们正在研发一种氢燃料电池发动机,计划在其A380MSN1原型机上测试,并于2035年投入使用。

此次中国国际航空航天博览会上展出的兆瓦级氢燃料涡轴发动机,是中国航发集团根据国家氢能发展战略和规划研发的100%燃氢发动机。后续通过系列化发展,它可支撑未来支线客机、直升机、无人机等领域实现“零排放、无污染”的氢能航空、绿色航空的愿景。

有专家认为,随着新能源技术的快速发展,氢燃料发动机与氢燃料电池组合的混合动力将是未来氢燃料利用的主要发展方向。随着氢能产业政策红利、市场红利和技术红利的不断释放,低碳氢能时代正在向我们走来。