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可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取
可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取
倪 萌
香港大學(xué)機械工程系, 香港, 中國
摘要: 本文綜述了利用可再生資源制氫的主要技術(shù), 包括電解水制氫, 太陽能熱化學(xué)
循環(huán)制氫和利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫等, 不僅對各項技術(shù)的基本原理做了介紹, 也對相應(yīng)
的環(huán)境, 經(jīng)濟和安全問題做了探討. 對可再生氫能系統(tǒng)在香港的應(yīng)用前景做了展望.
關(guān)鍵詞: 可再生能源, 氫能, 電解水, 光伏電池, 太陽能熱化學(xué)循環(huán), 生物質(zhì)
中圖分類號: TK91 文獻標識碼: A
Prospect of Renewable Hydrogen in Hong Kong
-- Hydrogen Production
Ni Meng
Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong
Pokfulam Road, Hong Kong, P.R.China
Abstract: This paper aims to give an overview of the key technologies of renewable
hydrogen production, including water electrolysis, solar thermochemical cycles and hydrogen
from biomass. Not only scientific fundamentals, but also environmental, economic and
safety aspects are addressed. Prospect for renewable hydrogen in Hong Kong is evaluated.
Keywords: Renewable energy, hydrogen energy, water electrolysis, photovoltaics, solar
thermochemical cycles, biomass
引言
技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展以及人口的增長, 使得人們對能源的需求越來越大. 目前以石
油, 煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要來源. 一方面, 化石燃料的使用帶來了嚴
重的環(huán)境污染, 大量的CO2, SO2, NOx氣體以及其他污染物, 導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生和
酸雨的形成. 另一方面, 由于化石燃料的不可再生性和有限的儲量, 日益增長的能源
需求帶來了嚴重的能源危機. 據(jù)估計, 按照目前的消耗量, 石油僅僅能維持不到50年,
而煤也只能維持200年. Kazim 和 Veziroglu (2001)[1]指出, 做為主要石油輸出國的阿拉
伯聯(lián)合酋長國, 將在2015年無法滿足石油的需求. Abdallah 等人(1999)[2]則宣布, 埃
及的化石燃料資源, 在未來的20年內(nèi)就會耗盡! 而作為能源需求大國的中國, 目前已
經(jīng)有超過31%的石油需要進口, 而到2010年, 這一數(shù)字將會增長到45-55%[3]!
基于以上所述環(huán)境污染和能源短缺的雙重危機, 發(fā)展清潔的, 可再生的新能源的
要求越來越迫切. 太陽能, 風能, 生物質(zhì), 地熱能, 潮汐能, 具有豐富, 清潔, 可再
生的優(yōu)點, 今年來受到了國際社會的廣泛關(guān)注. 尤其以太陽能, 風能以及生物質(zhì)能,
更被視為未來能源的主力軍. 根據(jù)簡單估算, 太陽能的利用率為20%時, 利用陸地面積
的0.1% 就足以提供滿足當前全球的能量需求[4]. 而中國僅僅依靠風力發(fā)電, 就足以
使目前的發(fā)電量翻一番[5].然而, 這些可再生資源具有間歇性, 地域特性, 并且不易
儲存和運輸?shù)奶攸c. 氫, 以其清潔無污染, 高效, 可儲存和運輸?shù)葍?yōu)點, 被視為最理
想的能源載體. 目前各國都投入了大量的研究經(jīng)費用于發(fā)展氫能源系統(tǒng). 在中國, 清
華大學(xué)已經(jīng)進行了在2008年奧運會使用以氫為燃料的汽車的可行性分析,綠色奧運將成
為2008年北京的一道靚麗的風景線 [6]. 在香港政府和香港中華電力(CLP)的支持和資
助下, 可再生氫能源系統(tǒng)在香港的可行性研究也已經(jīng)在香港大學(xué)機械工程系展開. 本
文屬于CLP資助的項目的部分內(nèi)容, 主要歸納總結(jié)了利用可再生資源制氫技術(shù)的基本原
理, 分析了各項技術(shù)的經(jīng)濟性, 對環(huán)境的影響以及安全性等關(guān)鍵問題. 通過對比分析
并結(jié)合香港的實際情況, 對于香港發(fā)展可再生氫能源系統(tǒng)進行了展望.
基于經(jīng)濟因素的考慮, 目前的氫主要是通過化石燃料的重整來制取, 比如天然氣汽
化重整(Natural Gas Steam Reforming), 只有大約5%的氫是通過可再生資源的轉(zhuǎn)換制取.
利用太陽能電池和風力發(fā)電驅(qū)動的電解水反應(yīng), 利用太陽能的熱化學(xué)反應(yīng)和利用生物質(zhì)
制氫是最主要的從可再生能源中制取氫的技術(shù). 其他可再生氫的制取技術(shù), 比如生物制
氫, 光電化學(xué)技術(shù), 光催化技術(shù)和光化學(xué)技術(shù), 雖然具備很大發(fā)展前景, 但由于還處于
很早期的發(fā)展階段, 其技術(shù)發(fā)展, 經(jīng)濟性等都還不明朗, 本文不做詳細討論.
1. 電解水制氫
1.1. 電解水基本原理及分類
電解水制氫是目前最為廣泛使用的將可再生資源轉(zhuǎn)換為氫的技術(shù). 當兩個電極(陰
極和陽極)分別通上直流電, 并且浸入水中時, 水將會被分解并在陰極和陽極分別產(chǎn)生
氫氣和氧氣. 這個過程就是電解水. 這樣的裝置則為電解槽.
電解水由分別發(fā)生在陰極和陽極的兩個化學(xué)反應(yīng)組成, 如式(1),(2)和(3):
Anode: H2O + electrical energy →
2
1 O2 + 2H+ + 2e- (1)
Cathode: 2H+ + 2e- → H2 (2)
Overall: H2O + electrical energy → H2 +
2
1 O2 (3)
電解水的基本原理見圖1. 在催化劑和直流電的作用下, 水分子在陽極失去電子, 被分
解為氧氣和氫離子, 氫離子通過電解質(zhì)和隔膜到達陰極, 與電子結(jié)合生成氫氣.
O2 H2
Diaphragm Anode Cathode
e-
H+
圖1. 電解水的基本原理示意圖
Fig.1. Schematics of basic principle of water electrolysis
最早的電解水現(xiàn)象是在1789 年被觀測到. 之后, 電解水技術(shù)得到了較快的發(fā)展. 到
1902 年, 世界上就已經(jīng)有超過400 臺電解槽裝置. 目前市場上的電解槽可以分為三種: (1)
堿性電解槽(Alkaline Electrolyzer); (2) 質(zhì)子交換膜電解槽(Proton Exchange Membrane
Electrolyzer)和(3)固體氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolyzer). 表1. 總結(jié)和對比了這三
種電解槽技術(shù)的特點.
表1. 不同電解槽技術(shù)的對比
Table 1. Comparison between different electrolyzer technologies
Electrolyzer Type Electrolyte Operating Temperature (oC) Carriers Efficiency Cost (US$/kW)
Alkaline electrolyzer
20-30% KOH
70-100
OH-
80%
400-600
PEM electrolyzer PEM polymer
50-90 H+ 94% 2000
Solid oxide
electrolyzer
Yttria-stabilized
zirconnia
600-1000 O2- 90% 1000-1500
堿性電解槽是最早商業(yè)化的電解槽技術(shù), 雖然其效率是三種電解槽中最低的, 但
由于價格低廉, 目前仍然被廣泛使用, 尤其是在大規(guī)模制氫工業(yè)中. 堿性電解槽的缺
點是效率較低和使用石棉作為隔膜. 石棉具有致癌性, 很多國家已經(jīng)提出要禁止石棉
在堿性電解槽中的使用. 據(jù)報道, PPS(Poly Phenylene Sulfide), PTFE(Poly Tetra
Fluorethylene), PSF(Poly SulFone) [7]以及Zirfon [8]等聚合物在KOH溶液中具有和
石棉類似的特性, 甚至還優(yōu)于石棉, 將有可能取代石棉而成為堿性電解槽的隔膜材料.
發(fā)展新的電極材料, 提高催化反應(yīng)效率, 是提高電解槽效率的有效途徑. 研究表明
Raney Nickel 和 Ni-Mo 等合金作為電極能有效加快水的分解, 提高電解槽的效率
[9,10].
質(zhì)子交換膜電解槽由于轉(zhuǎn)換效率很高而成為很有發(fā)展前景的制氫裝置. 由于采用
很薄的固體電解質(zhì)(PEM), 具有很好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性, 并且歐姆損失較小. 在
日本, 效率達94.4%的質(zhì)子交換膜電解槽已經(jīng)研制成功 [11]. 但由于質(zhì)子交換膜(目前
常用的是由杜邦公司的Nafion)和使用鉑電極催化劑, 價格昂貴, 制約了其廣泛使用.
今后研究的重點是降低成本, 和進一步提高其轉(zhuǎn)換效率. 成本的降低主要是通過降低
貴重金屬鉑在催化層中的含量和尋找廉價的質(zhì)子交換膜材料. 目前這個兩個領(lǐng)域都已
經(jīng)取得了一定成效. 印度的電化學(xué)和能源研究所(CEER)成功將鉑的含量在沒有影響電
解槽整體性能的情況下從0.4mg/cm2降到了0.1mg/cm2 [12]. 使用噴濺沉積法(Sputter
deposition)制備催化層也同樣獲得了成功, 并且使鉑的含量降到了0.014 mg/cm2
[13,14]. 其他廉價的替代材料, 如Polyphosphazene [15]和Sulfonated Polystyrene
(SPS) [16]等也被證實具有和Nafion類似的特性, 有可能被用到質(zhì)子交換膜電解槽中用
做電解質(zhì). 可以預(yù)見, 隨著質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)的成熟和價格的降低, PEM電解槽將
成為制氫的主要裝置.
固體氧化物電解槽(Solid Oxide Electrolyzer)是另一種新興的電解槽技術(shù). 這種
電解槽的缺點是工作在高溫, 給材料的選擇帶來了一定限制. 優(yōu)點是較高的反應(yīng)溫度
使得電化學(xué)反應(yīng)中,部分電能被熱能代替, 從而效率較高, 尤其是當余熱被汽輪機, 制
冷系統(tǒng)等回收利用時, 系統(tǒng)效率可達90%. 目前的研究重點是尋找在高溫下具有對氧離
子良好導(dǎo)電性的電解質(zhì)材料和適當降低電解槽的工作溫度.
1.2. 電解海水制氫
海水是世界上最為豐富的水資源, 同時也是理想的制氫資源. 尤其在沿海的沙漠
地區(qū), 比如中東和非洲, 淡水資源缺乏, 電解海水制氫則成了唯一的選擇. 但海水富
含鹽份(NaCl)和其他雜質(zhì), 并且通常電解槽的電極電勢超過了產(chǎn)生氯氣所需的電勢,
這使得在電解海水時, 往往是氯氣從陽極析出, 而非氧氣. 雖然氫氣的產(chǎn)生不會受此
影響, 但產(chǎn)生的氯氣具有強烈的毒性, 需要完全避免. 在所有常用的電極材料中, 只
有錳和錳的氧化物及其化合物在電解海水時可以在陽極產(chǎn)生氧氣, 而抑制氯氣的產(chǎn)生.
Ghany 等人[17]用Mn1-xMoxO2+x/IrO2Ti作為電極, 氧氣的生成率達到了100%, 完全避免
了氯氣的產(chǎn)生, 使得電解海水制氫變得可行.
1.3. 利用可再生資源電解水制氫
如前所述, 電解水需要消耗電. 由化石燃料產(chǎn)生電能推動電解槽制氫由于會消耗
大量的不可再生資源, 只能是短期的制氫選擇. 由可再生資源產(chǎn)生電能, 比如通過光
伏系列和風機發(fā)電, 具有資源豐富, 可再生, 并且整個生命周期影響較小等優(yōu)點, 是
未來的發(fā)展趨勢.
光伏電池在吸收太陽光能量后, 被光子激發(fā)出的自由電子和帶正電的空穴在PN結(jié)
的電場力作用下, 分別集中到N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體, 在連接外電路的情況下便可對
外提供直流電流. 光伏電池可以分為第一代光伏電池(wafer-based PV)和第二代光伏電
池(thin film PV). 目前市場上多是第一代光伏電池. 第一代電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率
(10-15%), 但成本較貴, 限制了其大規(guī)模使用. 第二代電池雖然效率較低(6-8%), 但
由于采用了薄膜技術(shù), 使用較少的材料, 并且易于批量生產(chǎn), 制作成本大大降低, 目
前的研究方向是進一步提高薄膜光伏電池的轉(zhuǎn)換效率[18]. 由于光伏電池產(chǎn)生的是直
流電,可以直接運用于電解水, 但為了保證光伏陣列工作在最大功率狀態(tài), 在光伏電池
和電解槽之間往往需要接入一個最大功率跟蹤器(MPPT)和相應(yīng)的控制器.
風能發(fā)電由于具有較高的能量利用效率和很好的經(jīng)濟性, 在最近幾年得到了很快
發(fā)展. 風力發(fā)電機組利用風的動能推動發(fā)電機而產(chǎn)生交流電. 根據(jù)Betz law, 風力發(fā)電
的最大效率理論上可達59% [19]. 在風力充足的條件下, 風力發(fā)電的規(guī)模越大, 其經(jīng)濟
性越好. 因此, 近幾年風力發(fā)電朝著大規(guī)模的方向發(fā)展. 另外, 由于海上風力較陸地
大, 并且不占陸地面積, 最近也有將風力發(fā)電機組建在海上的趨勢. 風能發(fā)電只需交
流-直流轉(zhuǎn)換即可與電解槽相接產(chǎn)氫, 經(jīng)濟性較好, 目前不少風力資源充足的國家都將
風能-電解槽系統(tǒng)列為重點發(fā)展的方向.
另外, 地熱能, 波浪能所發(fā)的電都可以作為電解槽的推動力, 但和太陽能與風能
一樣, 都受地域的限制.
1.4. 電解水制氫的現(xiàn)狀
目前所用到的電解槽多為堿性電解槽. 加拿大的Stuart是目前世界上利用電解水
制氫和開發(fā)氫能汽車最為有名的公司. 他們開發(fā)的HESfp系統(tǒng)包括一個能日產(chǎn)氫25 千
克的堿性電解槽, 一個能儲存60 千克氫的高壓儲氫罐和氫內(nèi)燃機車. 他們用于汽車的
氫能系統(tǒng)能每小時產(chǎn)氫3千克, 可以為3輛巴士提供能量. Hamilton是另一個有名的電解
槽開發(fā)制造商, 他們的ES系列利用PEM電解槽技術(shù), 可以每小時產(chǎn)氫6-30Nm3, 所制氫
的純度可達99.999%. 在日本的WE-NET計劃中, 氫的制取也是通過PEM電解槽來實現(xiàn),
并且PEM電解槽在80oC和1A/cm2的工作條件下, 已經(jīng)以90%的效率連續(xù)工作了超過4000小
時 [11].
1.5. 電解水技術(shù)的環(huán)境, 經(jīng)濟和安全問題
從電解水的整個生命周期來看, 電解水制氫會對環(huán)境造成一定的負面影響, 并且
也有一定的危險性. 下面將做定性分析.
對堿性電解槽而言, 由于使用了具有強烈腐蝕性的KOH溶液作為電解液, KOH的滲漏
和用后的處理會造成環(huán)境的污染, 對人體健康也是一個威脅. 并且目前的堿性電解槽
多采用石棉作為隔膜, 石棉具有致癌性, 會對人構(gòu)成嚴重的危害. PEM電解槽使用質(zhì)子
交換膜作為電解質(zhì), 無須隔膜. 但當PEM電解槽工作溫度較高時(比如150oC), PEM將會
發(fā)生分解, 產(chǎn)生有毒氣體. 固體氧化物電解槽雖然沒有上述問題, 但工作在高溫, 存
在著在高溫下生成的氧氣和氫氣重新合并發(fā)生燃燒甚至爆炸的危險, 需要引起注意.
此外, 電解槽生產(chǎn), 比如原材料的開采,加工, 以及最終的遺棄或廢物處理, 都需要消
耗一定的能量, 并且會釋放出CO2等溫室氣體和其他污染物.
當電解槽由光伏電池驅(qū)動時, 光伏電池可能含有有毒物質(zhì)(比如CdTe PV), 將帶來
一定的環(huán)境污染和危險性. 尤其當系統(tǒng)發(fā)生短路出現(xiàn)火情, 有毒物質(zhì)將會釋放出來,危
害較大. 另外, 光伏陣列的安裝會占用較大的土地面積. 這點也需要在設(shè)計安裝時加
以考慮. 風能-電解槽系統(tǒng)和光伏-電解槽系統(tǒng)相比, 則對環(huán)境的影響要小很多, 并且
也相對安全. 但也有需要注意的地方, 比如噪音, 對電磁的干擾, 以及設(shè)計時需要考
慮到臺風的影響.
盡管電解水制氫具有很高的效率, 由于昂貴的價格, 仍然很難大規(guī)模使用. 目前
三種電解槽的成本分別為: 堿性電解槽US$400-600/kW, PEM電解槽約US$2000/kW, 固體
氧化物電解槽約US$1000-1500/kW. 當光伏電池和電解水技術(shù)聯(lián)合制氫時, 制氫成本將
達到約US$41.8/GJ(US$5/kg), 而當風力發(fā)電和電解水技術(shù)聯(lián)合制氫時, 制氫成本約為
US$20.2/GJ (US$2.43/kg) [20].
2. 太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫
太陽能熱化學(xué)循環(huán)是另一種利用太陽能制取氫燃料的可行技術(shù). 首先, 由太陽能
聚光集熱器收集和匯聚太陽光以產(chǎn)生高溫. 然后由這些高溫推動產(chǎn)氫的化學(xué)反映以制
取氫氣. 目前國內(nèi)外廣泛研究的熱化學(xué)制氫反應(yīng)有: (1) 水的熱分解(thermolysis);
(2) H2S的熱分解和(3) 熱化學(xué)循環(huán)水分解.
2.1. 水的熱分解制氫
由太陽能聚光器產(chǎn)生的高溫可以用于對水進行加熱, 直接分解而產(chǎn)生氫氣和氧氣.
反應(yīng)式如(4)
2H2O → 2H2 + O2 (4)
在這個反應(yīng)中, 水的分解率隨溫度的升高而增大. 在壓力為0.05bar, 溫度為2500K時,
水蒸汽的分解率可以達到25%, 而當溫度達到2800K時, 則水蒸汽的分解率可達55%. 可
見提高反應(yīng)溫度, 可以有效產(chǎn)氫量. 然而, 反應(yīng)所需的高溫也帶來了一系列的問題.
由于溫度極高, 給反應(yīng)裝置材料的選擇帶來了很大限制. 適合的材料必須在2000K以上
的高溫具有很好的機械和熱穩(wěn)定性. Zirconia由于其熔點高達3043K而成為近年來在水
的熱分解反應(yīng)中廣泛使用的材料 [21,22]. 其他可選的材料及其熔點見表2.
表2. 作為熱化學(xué)反應(yīng)裝置備選材料及其熔點 [22]
Table 2 some materials and their melting points [22]
Oxides T oC Carbides T oC
ZrO2 2715 B4C 2450
MgO 2800 TiC 3400-3500
HfO2 2810 HfC 4160
ThO2 3050 hBN 3000 (decomposition)
另一個問題就是氫和氧的分離問題. 由于該反應(yīng)可逆, 高溫下氫和氧可能會重新結(jié)合
生成水, 甚至發(fā)生爆炸. 常用的分離方法是通過對生成的混合氣體進行快速冷卻(fast
quenching),再通過Pd或Pd-Ag合金 可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取薄膜將氫和氧分離. 這種方法將會導(dǎo)致大量的能量
損失. 近幾年有研究人員采用微孔膜(microporous membrane)分離也取得一些成功
[22,23], 使得直接熱分解水制氫研究又重新受到廣泛關(guān)注.
2.2. H2S的熱分解
H2S是化學(xué)工業(yè)廣泛存在的副產(chǎn)品. 由于其強烈的毒性, 在工業(yè)中往往都要采用
Claus process將其去除, 見式(5)
2H2S + O2 → 2H2O + S2 (5)
這個過程成本昂貴, 還將氫和氧和結(jié)合生成水和廢熱, 從而浪費了能源. 對H2S的直接
熱分解可以將有毒氣體轉(zhuǎn)化為有用的氫能源, 變廢為寶, 一舉兩得. H2S的熱分解制氫反
應(yīng)式見(6)
2H2S → 2H2 + S2 (6)
該反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率受溫度和壓力的影響. 溫度越高, 壓力越低, 越有利H2S的分解. 據(jù)報
道, 在溫度1200K,壓力1 bar時, H2S的轉(zhuǎn)化率為14%, 而當溫度為1800K, 壓力為0.33bar
時, 轉(zhuǎn)化率可達70% [24]. 由于反應(yīng)在1000K以上的高溫進行, 硫單質(zhì)呈氣態(tài), 需要與氫
氣進行有效的分離. 氫與硫的分離往往通過快速冷卻使硫單質(zhì)以固態(tài)形式析出. 同樣,
這種方法也會導(dǎo)致大量的能量損失.
2.3. 熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫
水的直接熱分解制氫具有反應(yīng)溫度要求極高, 氫氣分離困難, 以及由快速冷卻帶
來的效率降低等缺點. 而在水的熱化學(xué)分解過程中, 氧氣和氫氣分別在不同的反應(yīng)階
段產(chǎn)生, 因而跨過了氫氣分離這一步. 并且, 由于引入了金屬和對應(yīng)的金屬氧化物,
還大大降低了反應(yīng)溫度. 當對于水直接熱分解的2500K, 水的熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)溫度只有
1000K左右, 也大大減輕了對反應(yīng)器材料的限制. 典型的2步熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)式見
(7)-(10).
2 y x O
2
y xM O M + → (7)
2 y x 2 yH O M O yH xM + → + (8)
或者 2 O O M O M y x y x + → ′ ′ (9)
2 y x 2 y x H O M O H O M + → + ′ ′ (10)
其中M 為金屬單質(zhì), MxOy 或1 1 y x O M 則分別為相應(yīng)的金屬氧化物. 適合用做水的熱化學(xué)
循環(huán)反應(yīng)的金屬氧化物有TiO2, ZnO, Fe3O4, MgO, Al2O3, 和 SiO2等. ZnO/Zn 反應(yīng)溫度較
低, 在近幾年研究較多 [24-29]. Fe3O4/FeO 是另一對廣泛用于熱化學(xué)分解水制氫的金屬
氧化物. 該循環(huán)中, Fe3O4 首先在1875K 的高溫下被還原生成FeO 和 O2, 然后, 在573K
的溫度下, FeO 被水蒸汽氧化, 生成Fe3O4 和 H2. 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 用Mn, Mg, 或Co 代替
部分Fe3O4 而形成的氧化物(Fe1-xMx)3O4 可以進一步降低反應(yīng)溫度 [4], 因而更具發(fā)展
前景.
除了以上所述2 步水分解循環(huán)外, 3 步和4 步循環(huán)分解水也是有效的制氫方式.
IS(iodine/sulfur)循環(huán)是典型的3 步水分解循環(huán), 該循環(huán)的反應(yīng)式見(11)-(13):
4 2 x 2 2 2 SO H HI 2 O H 2 SO xI + → + + at 293-373K (11)
2 2 I H HI 2 + → at 473-973K (12)
2 2 2 4 2 O
2
1 SO O H SO H + + → at 1073-1173K (13)
在IS 循環(huán)中,影響制氫的主要因素就是單質(zhì)硫或硫化氫氣體的產(chǎn)生等副反應(yīng)的發(fā)生. 為
盡量避免副反應(yīng)的發(fā)生, x 的值往往設(shè)置在4.41 到11.99 之間[30]. UT-3 則是典型的
4 步循環(huán)[31]. 其反應(yīng)式見(14) - (17):
2 2 2 O
2
1 CaBr Br CaO + → + at 845 K (14)
HBr 2 CaO O H CaBr 2 2 + → + at 1,033 K (15)
2 2 2 4 3 Br O H 4 FeBr 3 HBr 8 O Fe + + → + at 493 K (16)
2 4 3 2 2 H HBr 6 O Fe O H 4 FeBr 3 + + → + at 833 K (17)
熱化學(xué)循環(huán)分解水雖然跨過了分離氫和氧這一步, 但在2 步循環(huán)中, 生成的金屬在
高溫下為氣態(tài)并且會和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而重新生成金屬氧化物, 因此, 需要將
金屬單質(zhì)從產(chǎn)物混合物中分離出來. 金屬單質(zhì)的分離一般采用快速冷卻使金屬很快凝
固從而實現(xiàn)分離. 同樣, 在3 步循環(huán)中, 氫和碘也需要及時的分離. 采用的分離技術(shù)都
類似.
2.4. 熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫的現(xiàn)狀
熱化學(xué)循環(huán)制氫在歐洲研究較多, 但由于產(chǎn)物的分離一直是一個比較棘手的問題,
能量損失比較大, 此種制氫方法還沒有進入商業(yè)化的階段. 在Swiss Federal Institute of
Technology Zurich,對ZnO/Zn 循環(huán)制氫研究已經(jīng)比較深入. 他們的研究目前主要集中在
產(chǎn)物的分離以及分解水反應(yīng)的機理方面 [32]. Swiss Federal Office 則已經(jīng)啟動了一個
“SOLZINC”的計劃, 通過ZnO/Zn 循環(huán)制取氫氣以實現(xiàn)對太陽能的儲存. 目前正在進行
反應(yīng)器的設(shè)計, 將于2004 年夏季進行測試[33].
2.5.太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫的環(huán)境, 經(jīng)濟和安全問題
太陽能熱化學(xué)循環(huán)采用太陽能聚光器聚集太陽能以產(chǎn)生高溫, 推動熱化學(xué)反應(yīng)的
進行. 在整個生命周期過程中, 聚光器的制造, 最終遺棄, 熱化學(xué)反應(yīng)器的加工和最
終的廢物遺棄以及金屬,金屬氧化物的使用都會帶來一定的環(huán)境污染. 其具體的污染量
需要進行詳細的生命周期評價(LCA)研究. 此外, 在H2S 的分解中, 以及在IS 循環(huán)和
UT-3 循環(huán)中, 都使用了強烈腐蝕性或毒性的物質(zhì), 比如H2S, H2SO4. 這些物質(zhì)的泄漏
和最終的處理會帶來環(huán)境的污染和危險, 需要在設(shè)計和操作過程中加以考慮. 另外, 由
于反應(yīng)都是在高溫下進行, 氫和氧的重新結(jié)合在反應(yīng)器中有引起爆炸的危險, 需要小
心處理.
由于熱化學(xué)循環(huán)制氫尚未商業(yè)化, 相關(guān)的經(jīng)濟信息都是基于估算. Steinfeld
(2002)[29]經(jīng)過估算指出, 對于一個大型的熱化學(xué)制氫工廠(90MW), 制的氫氣的成本為
大約US$4.33-5/kg. 相比之下, 由太陽能熱電 – 電解水系統(tǒng)制取氫氣的成本則約為
US$6.67/kg, 而通過大規(guī)模天然氣重整制氫的成本約為US$1.267/kg [20]. 可見太陽能熱
化學(xué)循環(huán)制氫和天然氣重整制氫相比雖然沒有經(jīng)濟優(yōu)勢, 但和其他可再生制氫技術(shù)相
比則在經(jīng)濟性方面優(yōu)于太陽熱電-電解水和光伏-電解水技術(shù).
3. 利用生物質(zhì)制氫
生物質(zhì)作為能源, 其含氮量和含硫量都比較低, 灰分份額也很小, 并且由于其生
長過程吸收CO2, 使得整個循環(huán)的CO2 排放量幾乎為零. 目前對于生物質(zhì)的利用, 尤其
在發(fā)展中國家, 比如中國, 印度, 巴西, 還主要停留在對生物質(zhì)的簡單燃燒的低效率
利用上. 除燃燒外, 對生物質(zhì)的利用還有熱裂解和氣化, 以及微生物的光解與發(fā)酵. 利
用生物質(zhì)熱裂解和氣化產(chǎn)氫具有成本低廉, 效率較高的特點, 是有效可行的制氫方式.
3.1. 生物質(zhì)熱裂解制氫
生物質(zhì)熱裂解是在高溫和無氧條件下對生物質(zhì)的熱化學(xué)過程. 熱裂解有慢速裂解
和快速裂解. 快速裂解制取生物油是目前世界上研究比較多的前沿技術(shù). 得到的產(chǎn)物
主要有: (1) 以氫(H2), 甲烷(CH4), 一氧化碳(CO), 二氧化碳(CO2)以及其它有機氣
體等氣體成分; (2) 以焦油, 丙酮, 甲醇, 乙酸等生物混合油液狀成分; (3) 以焦碳為主
的固體產(chǎn)物[34]. 為了最大程度的實現(xiàn)從生物質(zhì)到氫的轉(zhuǎn)化, 需要盡量減小焦碳的產(chǎn)量.
這需要盡量快的加熱速率和傳熱速率和適中的溫度.
熱裂解的效率和產(chǎn)物質(zhì)量除與溫度, 加熱速率等有關(guān)外, 也受反應(yīng)器及催化劑的
影響. 目前國內(nèi)外的生物質(zhì)熱裂解決反應(yīng)器主要有機械接觸式反應(yīng)器, 間接式反應(yīng)器
和混合式反應(yīng)器. 其中機械接觸式反應(yīng)器包括燒蝕熱裂解反應(yīng)器, 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器等,
其特點是通過灼熱的反應(yīng)器表面直接與生物質(zhì)接觸, 以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給生物
質(zhì)而達到快速升溫裂解. 這類反應(yīng)器原理簡單, 產(chǎn)油率可達67%, 但易造成反應(yīng)器表面
的磨損, 并且生物質(zhì)顆粒受熱不易均勻. 間接式反應(yīng)器主要通過熱輻射的方式對生物
質(zhì)顆粒進行加熱, 由于生物質(zhì)顆粒及產(chǎn)物對熱輻射的吸收存在差異, 使得反應(yīng)效率和
產(chǎn)物質(zhì)量較差. 混合式反應(yīng)器主要以對流換熱的形式輔以熱輻射和導(dǎo)熱對生物質(zhì)進行
加熱, 加熱速率高, 反應(yīng)溫度比較容易控制均勻, 且流動的氣體便于產(chǎn)物的析出, 是
目前國內(nèi)外廣泛采用的反應(yīng)器, 主要有流化床反應(yīng)器, 循環(huán)流化床反應(yīng)器等[35]. 這
在國內(nèi)各科研院所都已經(jīng)開展了大量的研究, 如廣州能源所, 遼寧省能源所等都開發(fā)
研制出了固定床, 流化床反應(yīng)器.
催化劑的使用能加速生物質(zhì)顆粒的熱解速率, 降低焦炭的產(chǎn)量, 達到提高效率和
產(chǎn)物質(zhì)量的目的. 目前用于生物質(zhì)熱裂解的催化劑主要有以Ni 為基的催化劑, 沸石
[36], K2CO3, Na2CO3, Ca2CO3[37]以及各種金屬氧化物比如Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2[38]
等都被證實對于熱裂解能起到很好的催化作用.
熱裂解得到的產(chǎn)物中含氫和其他碳氫化合物, 可以通過重整和水氣置換反應(yīng)以得
到和提高氫的產(chǎn)量. 如下式所示:
合成氣 + H2O → H2 + CO (18)
CO + H2O → CO2 + H2 (19)
利用生物質(zhì)熱裂解聯(lián)同重整和水氣置換反應(yīng)制氫具有良好的經(jīng)濟性, 尤其是當反
應(yīng)物為各種廢棄物時, 既為人類提供了能量, 又解決了廢棄物的處理問題, 并且技術(shù)
上也日益成熟, 逐漸向大規(guī)模方向發(fā)展. Danz (2003 年)[39]估算了通過生物質(zhì)熱裂解制
氫的成本約為US$3.8/Kg H2 (因氫的熱值為120MJ/Kg, 這相當于US$31.1/GJ), 這和石
油燃油的價錢US$4-6/GJ 相比還沒有任何優(yōu)勢, 但Carlo 等[40]指出, 當熱裂解制氫的規(guī)
模達到400MW 時, 氫的成本會大大降低, 達到US$5.1/GJ. 可見實現(xiàn)大規(guī)模的利用生物
質(zhì)制氫, 將會是非常有潛力的發(fā)展方向.
3.2. 生物質(zhì)氣化制氫
生物質(zhì)氣化是在高溫下(約600-800oC)下對生物質(zhì)進行加熱并部分氧化的熱化學(xué)過
程. 氣化和熱裂解的區(qū)別就在于裂解決是在無氧條件下進行的, 而氣化是在有氧條件
下對生物質(zhì)的部分氧化過程. 首先, 生物質(zhì)顆粒通過部分氧化生成氣體產(chǎn)物和木碳,
然后, 在高溫蒸汽下, 木碳被還原, 生成CO, H2, CH4, CO2 以及其他碳氫化合物.
對于生物質(zhì)氣化技術(shù), 最大的問題就在于焦油含量. 焦油含量過高, 不僅影響氣化
產(chǎn)物的質(zhì)量, 還容易阻塞和粘住氣化設(shè)備, 嚴重影響氣化系統(tǒng)的可靠性和安全性. 目前
處理焦油主要有三種方法. 一是選擇適當?shù)牟僮鲄?shù), 二是選用催化劑加速焦油的分解,
三是對氣化爐進行改造. 其中, 溫度, 停留時間等對焦油分解有很重要的作用. Milne TA
(1998 年)[41]指出, 在溫度高于1000oC 時, 氣體中的焦油能被有效分解, 使產(chǎn)出物中的
焦油含量大大減小. 此外, 在氣化爐中使用一些添加劑如白云石, 橄欖石以及使用催化
劑如Ni-Ca 等都可以提高焦油的分解, 降低焦油給氣化爐帶來的危害[42,43]. 此外, 設(shè)
計新的氣化爐也對焦油的減少起著很重要的作用. 遼寧省能源研究所研制的下吸式固定
床生物質(zhì)氣化爐, 在其喉部采用特殊結(jié)構(gòu)形式的噴嘴設(shè)計, 在反應(yīng)區(qū)形成高溫旋風動力
場, 保證了焦油含量低于2g/m3.
由氣化所得產(chǎn)物經(jīng)過重整和水氣置換反應(yīng), 即可得到氫, 這與處理熱裂解產(chǎn)物類似.
通過生物質(zhì)氣化技術(shù)制氫也具有非常誘人的經(jīng)濟性. David A.Bowen 等人(2003)[44]比較
了生物質(zhì)氣化制氫和天然氣重整制氫的經(jīng)濟性, 見圖2. 由圖可見, 利用甘蔗渣作為原
料, 在供料量為每天2000 噸的情況下, 所產(chǎn)氫氣的成本為US$7.76/GJ, 而在這個供料量
下使用柳枝稷(Switchgrass)為原料制得的氫氣成本為US$6.67/GJ, 這和使用天然氣重整
制氫的成本US$5.85-7.46/GJ 相比, 也是具有一定競爭力的. 如果將環(huán)境因素考慮進去,
由于天然氣不可再生, 且會產(chǎn)生CO2, 而生物質(zhì)是可再生資源, 整個循環(huán)過程由于光合
作用吸收CO2 而使CO2 的排放量幾乎為0, 這樣, 利用生物質(zhì)制氫從經(jīng)濟上和環(huán)境上的
綜合考慮, 就已經(jīng)比天然氣重整更有優(yōu)勢了.
Biomass feed to gasifier (tonnes/day)
Hydrogen Cost ($/GJ)
500 1000 1500 2000
5
6
7
8
9
10
11
Natural gas $3/GJ
Natural Gas $4.5/GJ
10.23
8.7 可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取4
7.76
8.76
7.54
6.67
5.85
7.46
Bagasse
Switchgrass
圖2. 生物質(zhì)制氫與天然氣制氫經(jīng)濟性的比較
Fig. 2. Comparison of hydrogen cost between biomass
gasification and natural gas steam reforming
以上分析的利用生物質(zhì)高溫裂解和氣化制氫適用于含濕量較小的生物質(zhì), 含濕量高
于50%的生物質(zhì)可以通過光合細菌的厭氧消化和發(fā)酵作用制氫, 但目前還處于早期研究
階段, 效率也還比較低. 另一種處理濕度較大的生物質(zhì)的氣化方法是利用超臨界水的特
性氣化生物質(zhì), 從而制得氫氣.
3.3. 生物質(zhì)超臨界水氣化制氫
流體的臨界點在相圖上是氣-液共存曲線的終點, 在該點氣相和液相之間的差別剛
好消失, 成為一均相體系. 水的臨界溫度是647K, 臨界壓力為22.1Mpa, 當水的溫度和
壓力超過臨界點是就被稱為超臨界水.在超臨界條件下, 水的性質(zhì)與常溫常壓下水的性
質(zhì)相比有很大的變化.
在超臨界狀態(tài)下進行的化學(xué)反應(yīng), 通過控制壓力, 溫度以控制反應(yīng)環(huán)境, 具有增強
反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度, 提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率, 加快反應(yīng)速率等顯著優(yōu)點, 近年來逐漸
得到各國研究者的重視 [45,46]. 在超臨界水中進行生物質(zhì)的催化氣化, 生物質(zhì)的氣化
率可達100%, 氣體產(chǎn)物中氫的體積百分比含量甚至可以超過50%, 并且反應(yīng)不生成焦
油, 木碳等副產(chǎn)品, 不會造成二次污染, 具有良好的發(fā)展前景. 但由于在超臨界水氣中
所需溫度和壓力對設(shè)備要求比較高, 這方面的研究還停留在小規(guī)模的實驗研究階段. 我
國也只進行了少量的研究, 比如西安交大多相流實驗室就研究了以葡萄糖為模型組分在
超臨界水中氣化產(chǎn)氫, 得到了95%的氣化效率 [47]. 中科院山西煤炭化學(xué)研究所在間隙
式反應(yīng)器中以氧化鈣為催化劑的超臨界水中氣化松木鋸屑,得到了較好的氣化效果.
到目前為止, 超臨界水氣化的研究重點還是對不同生物質(zhì)在不同反應(yīng)條件下進行實
驗研究, 得到各種因素對氣化過程的影響. 表3 總結(jié)了近幾年對生物質(zhì)超臨界水氣化制
氫的研究情況. 研究表明, 生物質(zhì)超臨界水氣化受生物質(zhì)原料種類, 溫度, 壓力, 催化劑,
停留時間, 以及反應(yīng)器形式的影響.
表3. 近年來關(guān)于生物質(zhì)超臨界水氣化制氫的研究
Table 3
Recent studies on hydrogen production by biomass gasification in supercritical water
conditions
Feedstock Gasifier type Catalyst used Temperature and
pressure
Hydrogen yield References
Glucose Not known Not used 600oC, 34.5Mpa 0.56 mol H2/mol of feed
Glucose Not known Activated carbon 600 oC, 34.5Mpa 2.15 mol H2/mol of feed
Glucose Not known Activated carbon 600 oC, 25.5Mpa 1.74 mol H2/mol of feed
Glucose Not known Activated carbon 550 oC, 25.5Mpa 0.62 mol H2/mol of feed
Glucose Not known Activated carbon 500 oC, 25.5Mpa 0.46 mol H2/mol of feed
[48]
Glycerol Not known Activated carbon 665 oC, 28Mpa 48 vol%
Glycerol/methanol Not known Activated carbon 720 oC, 28Mpa 64 vol%
Corn starch Not known Activated carbon 650 oC, 28Mpa 48 vol%
Sawdust/corn starch
mixture
Not known Activated carbon 690 oC, 28Mpa 57 vol%
[49]
Glucose
Tubular reactor KOH 600 oC, 25Mpa 59.7 vol% (9.1mol
H2/mol glucose)
Catechol Tubular reactor KOH 600 oC, 25Mpa 61.5 vol% (10.6mol
H2/mol Catechol)
Sewage Autoclave K2CO3 450oC, 31.5-35Mpa
47 vol%
[50]
Glucose Tubular reactor Not used 600 oC, 25Mpa 41.8 vol%
Glucose Tubular reactor Not used 500 oC, 30Mpa 32.9 vol%
Glucose Tubular reactor Not used 550 oC, 30Mpa 33.1 vol%
Glucose Tubular reactor Not used 650 oC, 32.5Mpa 40.8 vol%
Glucose Tubular reactor Not used 650 oC, 30Mpa 41.2 vol%
Sawdust Tubular reactor Sodium
carboxymethylcellulose
(CMC)
650 oC, 22.5Mpa 30.5 vol%
[47]
生物質(zhì)的主要成分是纖維素, 木質(zhì)素和半纖維素. 纖維素在水的臨界點附近可以快
速分解成一葡萄糖為主的液態(tài)產(chǎn)品, 而木質(zhì)素和半纖維素在34.5 Mpa, 200-230oC 下可以
100%完全溶解, 其中90%會生成單糖. 將城市固體廢棄物去除無機物后可以形成基本穩(wěn)
定, 均一的原料, 與木質(zhì)生物質(zhì)很相似. 由表可見, 不同的生物質(zhì)原料, 其氣化效率和速
率也有所不同. 溫度對生物質(zhì)超臨界水中氣化的影響也是很顯著的. 隨著溫度的升高,
氣化效率增大. 壓力對于氣化的影響在臨界點附近比較明顯, 壓力遠大于臨界點時, 其
影響較小. 停留時間對氣化效率也有一定影響, 研究表明, 生物質(zhì)在超臨界水中氣化停
留時間與溫度相關(guān), 不同的溫度下有不同的一個最佳值. 使用催化劑能加快氣化反應(yīng)的
速率. 目前使用的催化劑主要有金屬類催化劑, 比如Ru, Rh, Ni, 堿類催化劑, 比如KOH,
K2CO3, 以及碳類催化劑 [51,52]. 反應(yīng)器的選擇也會影響生物質(zhì)氣化過程, 目前的反應(yīng)
器可以分為間歇式和連續(xù)式反應(yīng)器. 其中間歇式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單, 對于淤泥等含固體的
體系有較強適應(yīng)性, 缺點是生物質(zhì)物料不易混合均勻, 不易均勻地達到超臨界水下所需
的壓力和溫度, 也不能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),. 連續(xù)式反應(yīng)器則可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn), 但反應(yīng)時間
短, 不易得到中間產(chǎn)物, 難以分析反應(yīng)進行的情況, 因此今后需要進行大量的研究, 研
制出更加有效的反應(yīng)器以及尋求不同生物質(zhì)在不同參數(shù)下的最佳氣化效果, 實現(xiàn)高效,
經(jīng)濟的氣化過程.
4. 其他制氫技術(shù)
除熱化學(xué)方法外, 生物質(zhì)還可以通過發(fā)酵的方式轉(zhuǎn)化為氫氣和其他產(chǎn)物. 此外,
微藻等水生生物質(zhì)能夠利用氫酶(Hydrogenase)和氮酶(Nitrogenase)將太陽能轉(zhuǎn)化為
化學(xué)能-氫. 這些生物制氫技術(shù)具有良好的環(huán)境性和安全性, 但還處于早期的研究階段,
制氫基理還未透徹理解, 尚需大量的研究工作.
太陽能半導(dǎo)體光催化反應(yīng)制氫也是目前廣泛研究的制氫技術(shù). TiO2 及過渡金屬氧化
物, 層狀金屬化合物如K4Nb6O17, K2La2Ti3O10, Sr2Ta2O7 等, 以及能利用可見光的催化
材料如CdS, Cu-ZnS 等都經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)能夠在一定光照條件下催化分解水從而產(chǎn)生氫氣.
但由于很多半導(dǎo)體在光催化制氫的同時也會發(fā)生光溶作用, 并且目前的光催化制氫效
率太低, 距離大規(guī)模制氫還有很長的路要走. 盡管如此, 光催化制氫研究仍然為我們
展開了一片良好的前景.
5. 制氫技術(shù)總結(jié)以及在香港的應(yīng)用前景
前面討論了利用可再生資源制取清潔燃料-氫的各項主要技術(shù). 這些技術(shù)的特點,
經(jīng)濟性, 環(huán)境和安全方面的特點總結(jié)于表4.
表4. 利用可再生資源制氫技術(shù)比較
Table 4. Characteristics of candidate hydrogen production technologies
PV-Electrolysis Wind-Electrolysis Solar Thermochemical Cycle Biomass Conversion
Development
status
PV technology almost mature,
electrolysis mature,
Some demonstrations of
PV-electrolysis system been done
Wind system mature, electrolysis mature,
wind-electrolysis demonstration needed
R&D Pyrolysis and gasification R&D, biological
processes at early R&D
Efficiency PV efficiency:
First generation, 11-15%,
Second generation, 6-8%
Solar to hydrogen around 7%
36% from wind to hydrogen, assuming wind
to electricity efficiency of 40% and
electrolyzer 90%
29% for Zn/ZnO cycles Conversion ratio up to 100% can be
achieved for gasification, efficiency of
10% for biological processes
Economic
consideration
Hydrogen cost about US$40-53.73/GJ
depends on the PV type, the size
Hydrogen cost about US$20.2/GJ,
corresponding to 7.3cents/kWh
US$0.13-0.15/kWh, equivalent to
US$36.1-41.67/GJ
US$6.67-17.1/GJ for thermochemical
conversion depends on biomass types,
capacity size, for biological processes,
remain to be demonstrated
Environmental
consideration
Almost no pollution emission during
operation, energy consumption
intensive during construction, disposal
of hazardous materials
No pollution during operation, construction
energy consumption intensive, some noise
during operation
Emission of hydrogen sulfide, use and
disposal of metal oxide, reactors
Whole cycle CO2 neutral, some pollution
emission during the stage of constructing
reactors
Safety
consideration
Handling hazardous materials during
fabrication, short circuit and fire during
operation, but not significant
Relatively safe, a little danger exist during
maintenance
Operating at high temperature, risk of
explosion exists; leakage of hydrogen
sulfide
Operating at high temperature, explosion
may occur
由表可見, 生物質(zhì)氣化技術(shù)和風能-電解制氫技術(shù)具有良好的經(jīng)濟性. 對于環(huán)境的污染
以及危險性也相對較小, 極具發(fā)展前景, 可以作為大規(guī)模制氫技術(shù). 而光伏-電解水技
術(shù)則目前還未顯示出經(jīng)濟優(yōu)勢. 但由于太陽能資源豐富, 在地球上分布廣泛, 如果光
伏電池的效率能進一步提高, 成本能大幅降低, 則是未來很有潛力的制氫技術(shù). 太陽
能熱化學(xué)循環(huán)也是可行的制氫技術(shù), 今后的發(fā)展方向是進一步降低分解產(chǎn)物的能量損
耗以及發(fā)展更為經(jīng)濟的循環(huán).
香港地少人多, 沒有自己的煤, 石油, 天然氣, 也沒有大規(guī)模的農(nóng)業(yè), 所有能源
目前都依賴進口. 但香港具有豐富的風力資源和充足的太陽能資源, 利用可再生資源
部分解決香港的能源問題是一條值得探討的思路.
香港總?cè)丝?81 萬, 總面積2757km2, 其中陸地面積1098 km2, 海洋面積1659 km2.
但香港絕大多數(shù)人口集中在港島, 九龍等面積較小的市區(qū), 而新界很多區(qū)域以及周邊
島嶼則人口較少. 由于香港地處北回歸線以南, 日照充足(13MJ/m2/day), 風力強勁
(>6m/s), 具有很大的發(fā)展可再生能源的潛力. 簡單計算可知, 如果將香港所有陸地面
積安裝上效率為10%的光伏電池, 則年發(fā)電量可達144.7TWh, 這相當于香港1999 年電
消耗量35.5TWh 的4 倍! 這說明發(fā)展光伏技術(shù)在香港有很大潛力. 考慮到香港市區(qū)人
口稠密, 可以考慮將光伏電池安裝在周邊島嶼發(fā)電, 通過電解槽制氫. 由于光伏-電解
水成本很高, 這一技術(shù)還難以大規(guī)模應(yīng)用, 如果光伏成本能大幅度降低, 則在香港發(fā)
展光伏制氫具有非常誘人的前景. 另外, Li(2000)[53]進行了在香港發(fā)展海上風力發(fā)電
的可行性研究. 研究表明, 利用香港東部海域建立一個11 × 24 km 的風力發(fā)電機組, 可
以實現(xiàn)年發(fā)電2.1 TWh, 這相當于香港用于交通的能源的10%. 此外, 香港周邊島嶼,
如橫瀾島等, 平均風力都在6.7 m/s 以上, 在這些島嶼發(fā)展大規(guī)模的風力機組也是值得
進一步探討的問題. 除此之外, 香港每年產(chǎn)生的大量有機垃圾, 也可以通過氣化或熱
解制氫. 這些技術(shù)在香港的成功應(yīng)用還需要更深入的研究, 本文不作深入探討.
6. 小結(jié)
本文綜述了目前利用可再生資源制氫的主要技術(shù), 介紹了其基本原理, 也涉及到
了各項技術(shù)的經(jīng)濟性和環(huán)境以及安全方面的問題. 對各項制氫技術(shù)進行了對比分析,
總結(jié)出利用風能發(fā)電再推動電解水, 以及利用生物質(zhì)的熱化學(xué)制氫具有良好的經(jīng)濟性,
對環(huán)境的污染較小, 技術(shù)成熟, 可以作為大規(guī)模制氫的選擇. 利用光伏-電解水技術(shù)具
有誘人的發(fā)展前景, 但目前還未顯示出其經(jīng)濟性. 而太陽能熱化學(xué)制氫則處于研究階
段, 還難以用于大規(guī)模制氫. 香港具有比較豐富的可再生資源, 利用風力發(fā)電和有機
廢物制氫是可行的制氫技術(shù), 而光伏電池還需要大量研究以進一步降低成本. 盡管還
有大量的研究和更深入的分析要做, 利用可再生資源制氫以同 可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取時解決污染和能源問題
已經(jīng)為我們展開了一個良好的前景.
致謝:
本文屬<可再生氫能在香港的應(yīng)用研究>項目, 該課題受香港中華電力公司(CLP)及香港
特別行政區(qū)政府資助, 在此表示感謝!
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作者簡介:
姓名: 倪萌; 性別: 男; 出生日期: 1977年3月28日; 民族: 漢; 籍貫: 四川省彭山縣;
學(xué)歷: 工學(xué)碩士; 研究領(lǐng)域: 氫能源, 目前為中國氫能學(xué)會成員(CAHE)
1996 年9 月-2000 年7 月就讀于西安市西北工業(yè)大學(xué) 航空動力專業(yè) (學(xué)士學(xué)位)
2000年9月-2003年4月就讀于西安市西北工業(yè)大學(xué) 工程熱 可再生氫能應(yīng)用前景 -- 氫的制取物理專業(yè)(工學(xué)碩士)
2003 年8 月至今 就讀于香港大學(xué) 機械工程系 (MPhil)
已在航空航天領(lǐng)域核心刊物和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議上發(fā)表文章5篇, 并已在可再生能源領(lǐng)域發(fā)
表中英文文章多篇(包括2004年5月在北京舉行的國際氫能論壇).
聯(lián)系地址:
香港大學(xué)機械系, 香港
電話: (實驗室) 852-28578293
(手機) 852-96533527
Email: nmlemonhkusua.hku.hk
nmlemon_treehotmail.com
nmlemon_treeyahoo.com.cn
Mailing Address:
Mr Ni Meng
Room 1-14, Heat & Energy Conversion Laboratory
Haking Wong Building
Department of Mechanical Engineering
University of Hong Kong
Pokfulam Road
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