从太阳、光伏到氢能文明——电力电子新风口
发布时间:2023-03-30
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说到氢气,小朋友都认识它,

它很轻,氢气球很好玩,

一不小心飞上天。

氢很容易获得,利用金属活动性比氢强的金属与酸反应,就能置换出氢气来。中学实验中就用锌与稀硫酸反应制氢,Zn+H2SO4=ZnSO4+H2。当然也可以用钾、钙、钠等金属与稀酸反应,可能其激烈程度你Hold不住。

在商业应用中用铝和氢氧化钠溶液反应制取:

2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑

路边卖气球用的零压氢气机就是根据铝和氢氧化钠反应制氢充球。因为是开放性,是一边放料一边充球,机内是无气压的,安全系数较高。

氢很容易获得,钢铁、化工等等生产中就会产生氢气,氯碱副产氢、轻烃裂解副产氢等。这些氢气可能就会混在城市煤气中烧掉,可惜吗?氢气是很好的燃料,热值高达1.4*108J/kg,而天然气是8.5*107J/kg,而且烧氢最环保,只产生水,零碳排放。

我们冬运会的火炬就是用零排放的氢气作为燃料的。

那么我们多少热是从氢来的呢?

就要从星空讲起~

遥望夜空,群星闪烁,那是它们在把氢嬗变成氦。我们的太阳日日夜夜每秒就要消耗掉6亿吨的氢,把它转换成5.96亿吨的氦。氢变氦以后,那么每秒少掉400万吨物质去哪里了呢?按照爱因斯坦的公式E=mc²变成了能量,其中大约1.5kg氢产生的热量降临到我们地球,赋予我们光明和能量,万物生长靠太阳,靠氢核聚变。

氢气是绿色燃料,可是在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里,如果按质量计算,氢占总质量的1%,而如果按原子百分数计算,则占17%。氢在自然界中分布很广,水便是氢的“仓库”——氢在水中的质量分数为11%,石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中,氢气倒不多,约占总体积的一千万分之五。在整个宇宙中,按原子百分数来说,氢却是最多的元素。据研究,在太阳的大气中,按原子百分数计算,氢占81.75%。在宇宙空间中,氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

虽然氢气在自然界里微乎其微,

但可以向水要氢。

水煤气法

水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体,主要成分是一氧化碳,氢气。

C+H2O(g)=(高温)CO+H2↑

如加催化剂,一份煤炭可以产生双份的氢气,

C+2H2O(g)=(高温)CO2+2H2↑

用煤制氢很方便,成本也不高,但需要消耗化石能源煤,而且产生二氧化碳,这种氢现在有了个新名词——灰氢。

因为氢非常环保,燃烧后只产生水,零碳排放,如果制造氢的过程不产生二氧化碳,整个生态过程就完美了。

我们也可以把氢**“洗白”**,把产生的二氧化碳捕获,封存和利用后,我们就称清洁氢,捕获的二氧化碳可以充可乐,合成可降解塑料……

我们的目标是发展绿色氢,

采用新能源发电制氢。

新能源发电指风力发电,光伏发电和水力发电,过程中不消耗煤和石油,不产生二氧化碳。

电解氢只需要水,电把水拆成氢气和氧气,就是说我们把电能用氢气的形式储存起来,变成氢能。

2H2O=2H2↑+O2↑

我们有了氢,那氢有什么用呢?

化工原料

目前,氢的四大单一用途分别是:炼油、合成氨、合成甲醇和直接还原铁矿石生产钢铁,其它用途就数不清了,中国一年要消耗氢气2000万吨。

氢气作为一种清洁的新能源载体可用于燃料电池,将太阳能、风能等可再生能源储存于氢气,用于燃料电池电动汽车,飞机和轮船。

燃料电池

燃料电池是电解氢的逆过程,发电过程只产生纯水,是非常环保的,而且加氢可以像加油一样快速方便。

H2+1/2O2==H2O

燃料电池并不是新技术,原理也不是太复杂,已经是中学的课堂教学和实验内容了。燃料电池工作时,阳极的氢气在催化剂的作用下分解出氢离子和电子,氢离子通过质子交换膜到达阴极,电子则沿着外部电路到达阴极(正极)产生电流。而在阴极,空气中的氧气与氢离子、电子反应生成水。

燃料电池可以做成充电宝,真像个电池,也可以在家里自己电解制氢,给氢罐充氢,电可以来自太阳能,貌似非常方便。

燃料电池充电宝,输出功率2瓦

家用电解氢机,23W,每小时产氢3升

但车用大功率燃料电池系统就没有这么简单,是复杂的发电系统。需要空气压缩机,氢泵,风机,水泵等,系统需要电机驱动器和各类传感器。

燃料电池发电不受发动机的卡诺循环的限制,理论上,它的发电效率可达到85%~90%,但由于系统的辅助系统消耗功率,目前燃料电池的能量转化效率约为40%~60%。若实现热电联供,燃料的总利用率可高达85%以上。这种系统已经产业化在日本家庭使用,截至2019年上半年,日本累计销售30余万台家用燃料电池系统ENE·FARM。

热电联供燃料电池是高效用气的有效途径,下图表示1000立方的天然气,27GJ用于火力发电,效率58.5%。而改用燃料电池,40.6GJ的天然气,发电15.8GJ,热量22.8GJ,未利用仅2GJ,效率高达95%。

氢进万家是高能效社会的发展方向。

氢是绿色能源,也是绿色能源的载体,从新能源发电、电解制氢到燃料电池发电构成新世界的绿色能源链。

我们期待着,氢燃料电池汽车、飞机、轮船,家庭热电联供……氢能文明时代指日可待。



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