未來的能源？通過燃料電池和氫氣實(shí)現(xiàn)可持續(xù)移動(dòng)

1、氫能—未來的能源

氫氣相態(tài)圖

多年來，殼牌公布了一系列關(guān)鍵能源問題的情景研究?其中包括對重要能源消費(fèi)行業(yè)的研究，如乘用車和商用車（卡車和公共汽車），以及向私人家庭供應(yīng)能源和熱能，以及對個(gè)別能源和燃料的狀況和前景的研究，包括生物燃料、天然氣和液化石油氣?

氫是一種受到重視的元素?作為能源，氫一直被認(rèn)為是可持續(xù)能源未來的可能基礎(chǔ)?但它不能孤立地被看待，因?yàn)樗扰c其他能源競爭又相互依賴，并且與其他能源和技術(shù)相互依賴?問題是氫能否成為未來的重要能源載體?

近幾十年來，殼牌一直致力于氫氣生產(chǎn)以及氫氣研究?開發(fā)和應(yīng)用，并擁有專門的業(yè)務(wù)部門ShellHydrogen?現(xiàn)在，殼牌與德國研究機(jī)構(gòu)和智庫的伍珀塔爾研究所合作，開展了一項(xiàng)關(guān)于氫作為未來能源載體的研究?

殼牌氫能研究著眼于氫氣供應(yīng)途徑和應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀，并探討了氫氣作為能源的潛力和前景?該研究還研究了氫氣的非能源應(yīng)用和非汽車應(yīng)用，但其重點(diǎn)，正如其副標(biāo)題“通過燃料電池和H2的可持續(xù)流動(dòng)性”，在公路運(yùn)輸中，特別是在燃料電池電動(dòng)車輛中使用氫氣?

（一）氫元素

氫是大爆炸后創(chuàng)造的第一個(gè)元素。它是宇宙中最常見的物質(zhì)，也是太陽等恒星最豐富的能源。

氫（H）是化學(xué)元素周期表中的第一個(gè)元素，也是最小、最輕的原子。純氫僅以分子形式（H2）在地球上出現(xiàn)。氫在地球上通常以氫化合物的形式存在，最有代表性的是水分子（H2O）。

發(fā)現(xiàn)于18世紀(jì)的氫氣最初被稱為“易燃空氣”。到了19世紀(jì)，氫氣在當(dāng)時(shí)的愿景中被視為能源的未來，特別是在能源工業(yè)和能源運(yùn)動(dòng)方面。20世紀(jì)60年代和70年代，太空旅行和日益稀缺的資源進(jìn)一步加深了圍繞氫的興奮光環(huán)。20世紀(jì)90年代以來，隨著人們對尋找可持續(xù)能源的緊迫性日益增強(qiáng)，對氫的興趣得到了提升。最近，對氫的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域聚焦到其日益在以電力為基礎(chǔ)的能源經(jīng)濟(jì)中的作用。

由于其特殊的物理性質(zhì)，氫氣幾乎是永久性氣體，因?yàn)樗鼉H在非常低的溫度（低于-253°C）下液化。它密度低，因此通常在壓力下儲存。液化使其密度增加800倍。氫的最典型特性是其可燃性。到目前為止，它還具有當(dāng)今正在使用的所有能源的最高重量能量密度比。由于其化學(xué)性質(zhì)，在處理的過程中必須加倍小心。

燃料燃燒范圍

（二）供應(yīng)途徑

由于氫通常作為化合物的一部分存在于地球上，因此必須在特定的過程中合成氫以用作材料或能源。這可以通過不同的技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)，并且各種主要能源-化石燃料和可再生燃料，無論是固體、液體還是氣體形式-都可以用于這些技術(shù)生產(chǎn)過程中。

目前氫氣生產(chǎn)最重要的主要能源是天然氣，占70%，其次是石油、煤炭和電力（作為二次能源）。甲醇重整制氫（來自天然氣）是最常用的制氫方法。其他生產(chǎn)方法包括部分氧化、自熱重整和氣化，其通常使用化石一次能源。一些未使用的殘余氫可用作能源，作為工業(yè)生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品。

迄今為止，只有少量的氫氣來自可再生能源，盡管這一數(shù)量將來會(huì)增加。電解目前約占全球氫氣產(chǎn)量的5%，但其中大部分仍基于傳統(tǒng)電力來源。剩余可再生能源的電解被視為未來的巨大潛力。

堿性電解法已在該行業(yè)中使用了一個(gè)多世紀(jì)。目前正在開發(fā)提供改進(jìn)的性能參數(shù)（關(guān)于轉(zhuǎn)換效率，靈活性和成本）的替代電解方法。

生物質(zhì)制氫雖然技術(shù)上可行，但在全球范圍內(nèi)的規(guī)模仍然微不足道，雖然生物質(zhì)氣化和生物質(zhì)氣體重整等熱化學(xué)方法已經(jīng)投入使用，但生物質(zhì)化學(xué)過程仍處于起步階段。必須根據(jù)可持續(xù)性要求檢查生物質(zhì)的可用性，畢竟它是有限的資源。

作為主要的氫供應(yīng)途徑，天然氣和沼氣和電解和蒸汽重整一直在能量輸入、溫室氣體排放和生產(chǎn)成本方面被進(jìn)行分析和比較：基于傳統(tǒng)電力（電網(wǎng)混合）的電解制氫需要較高的一次能量輸入。相比之下，基于可再生電力的天然氣和沼氣重整和電解則需要很少的一次能源。此外，可再生電力的電解僅使用極少量的化石資源。來自用可再生能源發(fā)電的電解產(chǎn)生的H2能夠產(chǎn)生最少量的溫室氣體排放，而由基于天然氣或沼氣氣體重整產(chǎn)生的H2比由基于電網(wǎng)的電解產(chǎn)生的氫更好。

在所考慮的所有生產(chǎn)方法中，集中式氫氣生產(chǎn)比小型、分散式工廠的生產(chǎn)更具成本效益。集中式天然氣重整制氫是最具成本效益的，其每千克氫的生產(chǎn)成本為1~2歐元。

電解制氫的成本更高，其商業(yè)可行性在很大程度上取決于電價(jià)。基于生物質(zhì)的氫生產(chǎn)的成本處于天然氣重整和電解之間。

未來，分散式天然氣重整、集中式電解和集中式生物質(zhì)路線有望提供最大的成本節(jié)約潛力。

產(chǎn)氫流程

水的電解

電極的重要屬性

氫氣生產(chǎn)成本

（三）存儲和運(yùn)輸

氫的特定物理和化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致比其他能量載體需要更高的物流成本（儲存和運(yùn)輸）。氫具有非常低的體積能量密度，這意味著它必須被壓縮以用于儲存和運(yùn)輸目的。

商業(yè)上最重要的是作為壓縮氣體的氫存儲。對于最終用戶，可提供不同設(shè)計(jì)（350，700bar）的高壓儲罐。通過液化可以實(shí)現(xiàn)更高的儲存密度，盡管這涉及將氫氣冷卻至-253℃。

存儲密度越高，冷卻和壓縮所需的能量越多，這也是我們正在探索更有效存儲方法的原因

與電力不同，氫氣可以長期大量儲存。諸如洞穴之類的低壓地下儲存設(shè)施可以用來自存儲剩余的可再生電力氫氣，并用作電力部門的緩沖儲存庫。然而，到目前為止，處于使用中的地下儲氫設(shè)施仍然非常少。

新型存儲媒介是基于材料的儲氫技術(shù)。這些包括金屬氫化物、化學(xué)儲氫材料（例如液體有機(jī)氫載體）或吸附劑（例如金屬有機(jī)骨架、沸石和碳納米管）。大多數(shù)這些技術(shù)仍處于研發(fā)階段。

目前，氫通常通過卡車在加壓氣罐中運(yùn)輸，在某些情況下也在低溫液罐中運(yùn)輸。但是，每輛卡車拖車只能運(yùn)輸約0.5~1噸的氣態(tài)氫或最多4噸液態(tài)氫。

某些地區(qū)提供區(qū)域氫氣管道運(yùn)輸，其中最長的是美國和西歐。從長遠(yuǎn)來看，天然氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施（管道和地下儲存設(shè)施）也可用于儲存和運(yùn)輸氫氣。就運(yùn)輸成本而言，液態(tài)氫適用于長距離運(yùn)輸，壓縮的氣態(tài)氫適用于較小量的較短距離運(yùn)輸，而管道運(yùn)輸對于大容量氫能運(yùn)輸是非常有利的。

存儲方式