English | 网站地图

  • 您现在的位置:
  • 新能源
  • 氢能
  • 氢气转化:规避氢能事故,开辟应用新途径

氢气转化:规避氢能事故,开辟应用新途径

2022-07-22 08:35:02 中国科学报   作者: 杨裕生  

氢气易燃易爆,众所周知。防止氢气燃爆,广受关注。

近日,国家能源局综合司发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》,其中第2项“防止火灾事故”的第6条是“防止氢气系统爆炸事故”,提出发电机氢气冷却系统、氢站或氢气系统在运行、维修、氢气纯度、排放等方面的8项要求。这是电力生产中用鲜血换来的宝贵经验,价值极大,应该推广执行,也值得其他涉氢部门学习借鉴。

能源用氢比工业用氢更危险

必威体育中文app氢气可以用作工业原料,我国年产氢气超过2500万吨,80%用于合成氨。这些工业部门已经建立起完善的安全操作规程,再加上氢气从生产、传送到使用都在企业内部的密封管道和容器中,除非泄漏、破裂会造成事故外,正常生产中的事故很少,安全是有保障的。

必威体育中文app现今,氢气作为能量的载体进入能源领域,一方面是由于可再生能源电解水制得的氢气可以长时间存放,这一点胜过储能电池;另一方面,燃料电池技术的进步使得氢气有了用武之地。于是,发展氢能和氢燃料电池电动汽车呼声很高。

但是,以相同用氢量预计,能源氢气的事故概率将远高于工业氢气,主要有如下理由。

必威体育中文app首先,我国氢能生产地与使用地距离遥远,不仅高压管线建设耗资巨大,而且管材的氢脆容易引起安全问题。例如,用管状高压容器运输,短途可行,长途的能耗过高,经济上不可行。而工业用氢是就地生产、就地使用。其次,能源氢气从生产到终端使用要经过产地储存、压缩、输运、用地储存、再行压缩分装等许多环节,要在不同容器间发生多次转移,引发安全问题的可能性增加,而工业用氢多在一个密闭的管线系统中完成。最后,加氢站高度分散,点多面广;燃料电池电动汽车更是星罗棋布,发生事故的概率要比工业集中用氢大得多。

能源氢气现在用量尚少,但国内外已经多次出现事故。北京大学教授李星国新出版的《氢与氢能》一书以43页的篇幅详细讲述了“氢气的安全性”,介绍事故、分析原因、列举措施,内容丰富,值得研读。

氢气转化有利于提高安全性

能源氢气的储存、运输、分发等环节难题多,安全性差。将氢气转换为液态能源主要有体积缩小、体积能量密度提高等优势,但是还需综合对比安全性、生产成本,以及全过程的能量转换效率。

液氢的密度比常温氢气约高780倍,显然有利于储运。但是,液氢需在20K的低温下保存,压缩—液化耗能很高,容器要用极好的低温绝热材料,每天还会蒸发产生约1%气态氢。因此,其除具有氢气所有的安全隐患外,还有超低温引起的一系列问题,如金属延展性降低、连接部失去密封性、对人体的冻伤等。因此,除航天等不计工本的特种用途外,液氢并不适于作为普遍使用的氢能。日本目前正在尝试从海外运回液氢,其后效当拭目以待。

将氢气转化为能源液氨,可以工业化规模生产,工艺成熟,设备齐全,可实现较高密度储存、运输。但是,液氨的储存、运输也需加压,而且使用时分解放氢既要吸热又有毒,弊大利小。

数据显示,乙醇的体积能量密度高。乙醇可从二氧化碳经光合作用转化生成的生物质转化而来,是可再生的能源。遗憾的是,它至今还难以简易地从氢气转化而成。

相比之下,在高温和催化剂作用下,可以一步将氢气转化为二氧化碳制甲醇,能量转换效率现已大于50%。其体积能量密度不低,又易于储存运输,安全性远高于氢气。不仅如此,此举还消除了本要排放到大气中的二氧化碳,为碳中和作贡献。这种甲醇可称之为“绿氢甲醇”。

迄今为止,冰岛已实现年产4000吨的甲醇生产。中国科学院上海高等研究院与两家企业合作,开展了二氧化碳加氢制甲醇技术及中试放大研究,于2020年7月建成5000吨/年的工业试验装置。

由此可见,此“绿氢甲醇”之路已通。

“绿氢甲醇”开辟电动汽车新路径

甲醇作为能源,可通过多种燃料电池发电,也可重整为氢气用于质子交换膜燃料电池。但是,燃料电池发电的全寿期能量转换效率未必高过内燃机。现在,国内用煤制甲醇(可称为“灰氢甲醇”)的内燃机汽车技术已经成熟,制作成本和使用方便性远胜过燃料电池。“绿氢甲醇”当然也可这样使用,这就成就了零排放的“绿氢甲醇汽车”。

为了大幅度节约“绿氢甲醇”,应该发展“绿氢甲醇增程式电动车”,其装量较少的电池由风力或光伏发电提供充电电能;用内燃机作增程器,不烧油而用“绿氢甲醇”;车上蓄电与发电并联,节省燃料50%;不必常充电即可行长里程。这种复合动力系统堪称珠联璧合,是氢能汽车的升级,也是未来纯电动车的发展方向。

氢气转化为甲醇,开辟了氢能应用和增程式电动车的美好应用新途径,亟待政府布局。上海市具备条件率先发展“绿氢甲醇增程式电动车”,可将其列入相关发展规划,与氢燃料电池电动车发展并行不悖,为全国开路。

如此,则用了氢能而回避了遍用氢气的风险,且实现了汽车的碳中和。

必威体育中文app(作者系中国工程院院士)




责任编辑: 李颖

标签: 规避氢能事故 氢气转化

更多

行业报告