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新2投注平台出租(www..hg108.vip):吸收空气中的水分来分解制氢!新技术或让更多地区实现氢能应用

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氢是宇宙中最丰富的元素,但氢在地球上主要存在于水等化合物中。氢气也是地球上最清洁的能源之一,因为它燃烧最终只产生水。


氢具有能量密度高、容量大等特点,成为新能源大规模开发储存、利用的优选方案之一。


欧、美、日、韩等发达国家纷纷制定氢能路线图,加快推进氢能产业技术研发和产业化布局。


氢能产业已成为我国能源战略布局的重要组成。氢能可以以“二次能源、能源载体、低碳原料”三种角色助推能源转型进程。2050年全社会绿氢需求或将接近1亿吨。



01


氢能在能源转型中的角色


氢元素在地球上主要以化合物的形式存在于水和化石燃料中,而氢能作为一种二次能源,需要通过制氢技术进行“提取”。我国的氢气来源主要以化石燃料制氢为主,这类方式生产的氢气被称之为“灰氢”或“蓝氢”(纯度)。


而绿氢,特指的是使用可再生能源(例如太阳能、风能、核能等)制取的氢气,它可以做到全生产周期无碳排,对温室气体的减排具有非常重要的意义!


氢能(绿氢)与电力(绿电)均为二次能源,是双碳目标战略下的必然选择。氢气的利用由来已久,但并非是当前备受关注的交通和电力领域,而主要作为生产原料应用于工业领域。


为了实现我国能源系统的多元化、清洁化和低碳化转型,氢能的发展可以从“二次能源、能源载体、低碳原料”这3个角度切入,助推能源转型进程。


(1)氢气可作为高效低碳的二次能源。氢气本身是一种高能源密度的二次能源(单位质量),同时也具有较强的电化学活性、可通过燃料电池进行发电。因此氢气可应用于燃料电池汽车从而替代传统燃油汽车,节约石油消费;也可以用于家用热电联产,减少电力和热力需求;还可以直接将氢气掺入到天然气管网直接燃烧。


(2)氢气可作为灵活智慧的能源载体。通过电解水制氢技术及氢气与其他能源品种之间的转化,可提高可再生能源的消纳、提供长时间储能、优化区域物质流和能量流,进而建立多能互补的能源发展新模式。比如,在区域电力冗余时,可通过电解水制氢将多余电力转化为氢气并储存起来;在电力和热力供应不足时,氢气可以通过电化学反应发电、热电联供、直接燃烧等方式来实现电网和热网供需平衡。


(3)氢气可作为绿色清洁的工业原料。国际能源署、麦肯锡等机构都认为氢能将实现工业部门的深度脱碳,主要方式为应用氢能革新型工艺,可以大规模使用“绿氢”替代“灰氢”。氢气直接还原铁是氢能革新型工艺的典型代表,该工艺使用氢气作为还原剂,将铁矿石直接还原为海绵铁,之后进入电炉炼钢,从而节省了焦炭的使用、减少了因原料带来的二氧化碳排放。“绿氢”替代“灰氢”是使用来自可再生能源的氢气,来替代合成氨、甲醇生产过程中的化石能源制氢,进而实现深度脱碳。


02


绿氢是如何生产的?


生产绿氢的重要途径之一,便是电解水制氢。


电解是一种众所周知的化学过程:水在电解槽内生成氢气和氧气。由于纯水的“导电”能力极差,所以会在水中添加合当配比的电解液,帮助提升电解效率。但电解槽的部署在地理上受到淡水可用性的限制。


淡水是一种稀缺资源,超过三分之一的地球陆地表面处于干旱或半干旱状态,支撑着世界 20% 的人口,那里的淡水极其难以维持日常生活,更不用说电解了。同时,污染、工业消耗和全球变暖加剧了水资源短缺。海水淡化可用于促进沿海地区的水电解,但大大增加了制氢的成本和复杂性。


近日,来自中国和澳大利大的研究人员使用吸湿性电解质吸收空气中的水分,然后利用来自太阳或风的能量为电解提供动力。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上。


03


电解空气中冷凝水蒸气


科学家们制备了一种名为直接空气电解 (DAE) 模块,可以在相对湿度为 4% 的极干燥环境下工作,克服供水问题,可持续生产绿色氢气,并且对环境的影响最小。


这种模块对于世界上纯净饮用水稀缺或很难获得的地区至关重要。

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该模块由中间的集水单元和两侧的电极与气体收集器组成。该模块由可再生能源提供电力,例如太阳能电池板、风力涡轮机和任何其他可再生发电机。


重要的是,集水单元还用作储存电解质的容器。将三聚氰胺海绵、烧结泡沫等多孔介质浸入具有潮解性的离子物质结合,通过暴露的表面吸收空气中的水分。


捕获的水通过扩散转移到电极表面(两个电极都与空气隔绝),随后分裂成氢气和氧气,将作为纯气体单独收集。两端板和多孔泡沫之间的储存器也可以在空气湿度过度波动的情况下充当空气屏障和离子溶液体积的缓冲剂。



多孔介质还确保电解质在泡沫毛细管中的自由运动,充满离子溶液的泡沫形成物理屏障,可有效地将氢气、氧气和空气与任何混合隔离开来。


与水具有强亲和力的吸湿性物质在暴露时倾向于从大气中提取水分,吸收足够的水以形成具有吸湿性的水溶液。研究员证实硫酸为最好的吸湿材料之一,它可以从相对湿度5%或以下的空气中吸收水分,同时硫酸溶液的电导率高,不易挥发,对环境无毒。


在连续电解过程中发现DAE模块是稳定的。研究表示,在特定电压(2.4、2.7、3.0 V)下收集的相应电流密度在12天的连续运行中,法拉第效率稳定在 95%,能够达到稳定状态。该结果表明DAE模块在不同空气相对湿度、电池电压和电解质浓度下具有出色的适应性和长期稳定性。它们的电流密度为每平方厘米574毫安。


04


户外测试依然稳定


科学家设计并建造了一个独立的制氢塔,在炎热干燥夏季(地中海气候)的露天进行了两天,每天 8 小时的测试。


它由五个平行堆叠的DAE模块组成,垂直叠加一个太阳能电池板进行供电。这种设计的优点之一是塔的占地面积不超过太阳能电池板,这意味着DAE不会占用额外的土地。


在测试期间,室外温度在 20°C 到 40°C 之间变化,相对湿度在20%到40%之间。


图说:直接空气电解模块测试原型


综合来看,在非理想天气条件下,总产氢量仍能达到1188毫升。


并且,这种DAE模块的能源供应不仅限于太阳能,还能将 DAE 模块与风机耦合,并成功地从空气进料中生产出高纯度氢气。


研究人员表示,这种DAE可能是第一个超过美国能源部 (DOE) 设定的20%太阳能制氢 (STH) 能源效率目标的技术。


05


应用范围广阔


目前这项技术仅在实验研发阶段,还未商业化。不过研究人员表示,DAE 模块可以轻松扩展以向偏远、(半)干旱和分散的地区提供氢气。


电解空气中冷凝水蒸气技术显示出巨大的潜力,并且与其他能源相比有许多优点,在未来世界能源经济中氢所占的比重被认为可能会越来越大。氢能在电力领域可用于分布式发电、备用电源、家用热电联产系统等,从而降低能源耗费、改善能源利用率;在交通运输领域可为燃料电池汽车、重型工程机械、船舶行业提供原料。


通过DAE技术,炎热、干旱的地区也能成为氢能源出口地。这类项目可能需要在支持基础设施上进行大量资本投资,对于其他有水的地区而言可能不太划算。


为加速全球能源变革进程,可再生能源制氢是坚持绿色低碳发展道路的必然选择。随着全球氢能产业链重要核心技术的日趋成熟与完善、成本不断降低,氢能输送管网和加氢站等全国性氢能基础设施建设显著提速,绿色制氢技术依靠绿色低碳为指导方针,紧扣碳达峰、碳中和主题,势必会在未来氢能产业领域占据重要份额。


来源:环 球零碳,扑克投资家,中国能源报

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