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    氫氣作為清潔能源的研發現狀

    2008-11-3 14:43:00

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    楊學林

    氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源,人類對氫能應用在200年前就產生了興趣,到20世紀70年代以來,世界上許多國家和地區就廣泛開展了氫能研究。隨著國際氣候變化和對石油進口依賴程度的不斷加深,導致人們對氫能市場生存能力發展的普遍興趣。從歷史的角度上說,能源觀念的轉變需要花費幾十年才能實現,一定范圍內政府、跨國公司和個人企業對氫能產業的推動將是加速能源轉換的必要因素。已有的一些有關氫能研發順序的問題也會影響氫能經濟的發展方向。目前氫能研究主要集中在如下三個方面:

    一、燃料電池公司

    雖然燃料電池價格非常昂貴且氫能使用并非電動汽車所必需,但其實踐應用仍得到人們審慎鄭重的思考。這是因為氫能電池在將氫和氧轉換為低壓、直流電時可達55%~60%高效能,是內燃機效率的三倍。實驗室實驗表明燃料電池可發揮85%的潛在效率,甚至更高。在將其與一臺具有80%效能的電動機聯合使用時,可產生高于直接使用氫能內燃機2~3倍的效能。起碼有一半的優勢燃料電池技術可以利用,研究者們正在從事質子交換膜(PEM)的研究,質子交換膜技術是在電解時用碳氟化合物與一個Nafion類型的聚合體膜進行離子交換,質子交換膜電池具有起動速度快、高能量密度和耐久性強的優勢。質子交換膜電池的工作溫度在50℃~80℃間,能夠按照汽車運行電量的需求變化調整電量的輸出。世界上已有100多家燃料電池生產商,除此之外,還有許多的汽車和石油公司積極參與該領域的研發、生產工作。Ballard是一家大型且正處于蓬勃發展時期的加拿大公司,與DaimlerChrysler和Ford公司共擔10年風險,計劃投入10億美元資金,到2010~2012年打造生產商業實用型氫能汽車,目前尚未有利潤回報,因而其計劃和商業前景與其產品的主要用戶緊密相連。

    二、機動車輛公司

    幾乎所有主要的汽車公司和在美國、歐洲和日本的幾家小型公司都積極立項開發氫能汽車。大多數汽車公司的氫能汽車原型需要使用燃料電池。20世紀60年代寶馬車率先研發氫能汽車模型,開此行業先河。它現在的汽車采用液氫供能且最高限速為240英里,希望到2010年提供使用。本田汽車和豐田汽車于2002年12月在加利福尼亞首次投放幾輛氫能動力燃料電池汽車,并希望與寶馬汽車和Nissan汽車共同進入美國的汽車零售市場,成為汽車行業的“新軍”,這些燃料電池汽車最高限速235英里,這些汽車制造商計劃于2004年在美國的加利福尼亞出售80輛不同類型的氫能汽車。其他汽車公司在2004年也相繼做了些安排。GM公司計劃大量生產一種被稱為"自控"的、時速可達200英里的燃料電池汽車。由于這種車零部件較少,預期生產成本較低,起初GM的銷售目標為100萬輛,到2010年前承擔全世界的"自控"車銷售,盡管這個數額可能到2015~2025年實現更加現實一些。第三家美國主要的汽車制造商福特公司計劃于2004年下半年在薩克拉曼、底特律、奧蘭多試制30種混合燃料電池汽車,BP公司和Ballard公司也對此項計劃予以支持。 在這些市場計劃中還隱含著對氫燃料傳輸基礎設施、小型蒸汽及甲烷重整器、地區燃料站電解劑的需求及其成本的預想。但在當前,氫能汽車的費用遠遠超出了人們的承受能力,超出了降低空氣污染、溫室氣體、以及提高能源安全性成本效益選擇。

    三、能源公司

    BP和Royal Dutch Shell兩家跨國石油公司立足于氫能研發和改革技術:Shell公司和BP公司分別于1998和1999年設立了性質不同的商業單位以從事氫能的研發。同時由兩家主要的石油公司承擔了可再生能源發展和減少溫室氣體排放研發重任。ChevronTexaco和Exxon Mobil公司也設立了氫能研究計劃,只是Exxon Mobil公司在減少溫室氣體排放的相關研究上承擔較少。 BP和Shell公司的研究內容廣泛地涉獵了世界范圍的氫能研究計劃,到2006年Shell公司已投資10億美元從事氫能研發和商業化活動。另一個具有氫能實踐經驗的能源公司的工作是發展氫燃料供應站和氫能高速公路。除主要的石油公司外,Stuart 能源系統公司、Linde AG和空氣產品與化學品公司已將其營業范圍擴大到氫能零售。歐洲幾個著名氫能經濟發展國正在努力開展研發工作,特別是冰島和歐洲聯盟分別在1999年和2002年的前景規劃中確立了本國將成為世界氫能經濟強國的地位。

    目前各國政府也都推出了各自的的氫能研發計劃及相關政策

    一、歐盟

    伴隨著德國制定的歐洲大陸最先進的氫能規劃出臺,最重要且最具首創精神的區域政策的制定當屬歐盟(EU)和歐洲委員會(EC)。2003年,歐盟(EU)和歐洲委員會(EC)發表的一篇重要報告和行動計劃,闡述了有關氫能利用的遠大前景。這篇報告是歐洲委員會承諾長期發展氫經濟的重要文件,各個國家政治團體對該項工作的重視程度已超過了冰島和日本。

    2010年前的階段目標是研制以天然氣為原料的用于發電的初級燃料電池產品。專家組認為到2020年成員國當中會有5%的新型汽車和2%的船舶使用氫能產品,到2030~2040年市場占有額會不斷提高,并預計在2020~2050年間可再生能源和先進的核能會成為主要的氫能源。盡管在天然氣技術發展道路上會有一些危險性,但歐洲委員會預言即使在遙遠的未來,來源于碳隔離化石燃料的氫能產品與可再生能源及核能一起都將仍然扮演重要的角色。

    二、美國和加拿大

    北美對氫能研發產生興趣始于1973年的石油危機,當時成立了國際氫能協會,并在美國邁阿密海灘召開了有關該主題的第一屆國際會議,美國能源研究開發署(ERDA)對氫能研究計劃加以扶持,作為對美國政府能源自給不成功計劃部分的一種彌補。但投入資金在20世紀70年代每年從未超過2.4億美元,少于西歐同類計劃的資金投入。美國政府資金投入持續下降至20世紀80年代,直到20世紀90年代,伴隨著對全球氣候變化和減少石油進口依賴關注程度的提高才得以回升。

    加拿大也已成為發展氫能和燃料電池技術的最活躍的國家之一,并在這一領域眾多主導行業中占有獨特地位,加拿大工業部是兩個政府領導機構之一,它與加拿大自然資源部聯合設立了一個技術合作企業計劃,以加速氫能技術的發展、商業化和及早采用。還將分配0.2億加元給優秀的技術革新計劃,這些計劃涉及性能提高和降低成本方面的技術。然而對于能源原材料供給,加拿大在此方面做出的努力所得到的結果尚不清楚,充足而又廉價的水力電氣資源在一些省可能依然受到偏愛。

    三、巴西

    巴西關注可選擇能源的發展已有30年歷史,自1973~1974年國際石油危機以后,于1975年提出國家乙醇計劃,隨即巴西成為世界乙醇燃料發展規模最大的國家,特別是供汽車使用的含水乙醇和乙醇-汽油混合燃料,這種燃料由蔗糖發酵而成,每年總產量超過30億加侖。由于該系統由原始能量轉換而成,產品僅有33%能夠符合乙醇燃料的要求,因此,研究提高生產效率的技術尤為重要。巴西正在進行這樣一項研究:將生物能量轉換成氫。假設巴西本國的再生能源、水力電力能以及生物燃料具有很高的可依賴度,政府預言可將這些能源作為氫能生產的基礎原料。將風能和光電電池應用于氫生產也是可能的,在巴西應用非峰值水力電氣進行大規模的電解氫生產應考慮到其成本僅為從化石燃料中獲取氫的一半。已有50萬噸的氫供工業應用,然而,這些僅是巴西氫能源研發的一個開端。

    四、冰島和挪威

    兩個最為關注氫能經濟發展的國家是位于北歐地區的冰島和挪威。冰島曾于1999年2月公開發表一項引起世人關注的國家目標:至2030年冰島要將其經濟過渡到氫能經濟。由于沒有化石燃料資源,擁有2.94萬居民的冰島開始著手開發本國豐富的水力電力資源和地熱資源,以此滿足超過一半的能源需求以及接近100%的電力需求。冰島重要的汽車業與船舶業所賴以生存的石油進口代價十分高昂,進而成為促成氫能經濟發展規劃形成的動因。由于低廉的2分/kWh的電力價格,冰島每年可生產出2000噸電解氫,希望通過提供充足的可再生氫以滿足本國整個運輸業的能源需求。

    雖然挪威也有近100%可再生電力能源產生于本國豐富的水力電力資源,但與冰島不同,挪威在豐富的天然氣資源、產品、高級轎車、石油以及柴油機燃料等方面存在高額稅收。這些情況使得挪威極為適合實現向氫能利用方面的轉變。挪威于2003年建立了國家氫能委員會,并于2004年遞交了委員會報告。報告制定了最初的10年發展規劃并推薦借鑒美國的125~145美元債券方法,用發行長期債券的方法來收回短期債券。挪威已在斯塔萬格與奧斯陸之間建成一條長達580公里的氫能高速公路,沿著這條高速公路將建成幾個新型燃料供應站(Bak,2003c)。北美西海岸也有類似的氫能高速公路計劃。

    五、日本和韓國

    在國際上,日本在努力發展氫經濟方面是最具影響力的國家之一,不僅表現在研發上,而且體現在產品計劃上。以下幾個方面的因素決定了日本的先導地位:日本政府承諾簽署到2010年減少6%溫室氣體的目標草案;日本本國運輸行業對石油進口的極大依賴性;日本需要維護本國高新技術形象和經濟兩方面超級強國的地位。

    世界能源網工程估計氫能產品來源于可再生能源的潛力在日本可達到210G Nm3/年,預計到2030年可再生氫能產品僅占到氫能產品消費總量的大約15%。據估計,日本到2030年氫能產品的消費總量為49.6G Nm3/年,僅占能源消費總量的大約4%。液化法已成為儲存與運輸大規模氫能產品的主要方法。世界能源網工程已廣泛地開展液化設備與液化罐的研發工作。對氫燃燒汽輪機的研發是世界能源網工程研發的另一重要領域,預期具有60%效率的實驗設備將用于試驗開發。據世界能源網預測,在近期內甲醇和汽油重整仍將是最具可行性的燃料電池應用技術,而將純氫能技術的應用作為一項長期目標。

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