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绿色能源和循环经济双翅飞翔

作者:中国储能网新闻中心  来源:科技日报  发布时间:2017-1-10 14:10:09

中国储能网讯:跨年之际,大面积的雾霾也跨越了新年,在新年之初,就给我国带来了沉重的环境压力。能源结构调整,在我国已加速形成倒逼机制。如何高效、安全地使用清洁能源成为一项迫在眉睫的重大课题。

循环经济是指把传统的依赖资源消耗的线形增长的经济,转变为依靠生态型资源循环来发展的经济。我国高度重视发展循环经济、建设资源节约型社会,不断提高资源利用效率,但经济社会发展仍然面临着巨大的资源压力。绿色能源和循环经济之间是否存在内在的关系?当今科技是否已在探索解决绿色能源的同时又推动循环经济的实现和发展?记者带着问题历经两年的深入调研和走访,在广东一家民营企业找到了可喜的答案。

水氢电动车

氢能:成为绿色能源引领者

氢能具有热值高,清洁无污染,来源丰富等特点,演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程,被公认为是人类最理想的能源。氢能是取之不尽用之不竭的,除了从化石能源中获得氢能外,还可以通过生物质能、太阳能、风能等可再生能源获得氢气。目前主要有三种氢能的利用方式,包括直接燃烧、通过氢燃料电池转化为电能及核聚变。其中,通过氢燃料电池将氢能转化为电能是最高效安全的使用方式,通过电化学反应燃料电池可以直接把氢能变成电能和水,不排放任何有害物质。氢燃料电池通过电化学反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式。氢燃料电池核心是质子交换膜(PEM),它负责把氢的质子和电子剥离开。

氢能的开发利用已被许多发达国家列为重要国策,美、欧、日等发达国家和地区都从国家可持续发展和安全战略的高度,制定了长期的氢能源发展战略。我国作为国际氢能经济和燃料电池伙伴计划国际组织的发起国之一,于2015年在武汉召开了国际氢能经济和燃料电池伙伴计划第23届指导委员会研讨会议,目的是建立一种机制以实现高效合作,其重点是研讨氢能和燃料电池技术的国际研究、开发、示范和商业利用。

在化工厂中制备氢早已不是难题,但如何随时随地方便地使用氢成为关键。氢密度低的性质导致其难以常温常压储存,泄漏后又有爆炸危险,氢90%左右的使用成本都用于压储运环节。因此,氢的储运安全和使用成本问题成为制约氢能发展的主要瓶颈。那能否避开氢的“压储运”环节,把集中制氢转变为分布式制氢,让常压的氢气变得唾手可得呢?2016年3月国家能源局列入国家发布的“能源技术革命创新行动计划(2016—2030)”已经把分布式制氢纳入其中。目前,分布式制氢主要包括电解水制氢、甲醇重整制氢等方式,电解水制氢是一种比较常用的分布式制氢办法,但因制备成本比较高、损耗高、设备难以小型化,电解水制氢很难推广应用;相对而言,甲醇重整制氢是一条便捷可行之路,直接通过化学反应甲醇可生成二氧化碳和氢。

甲醇重整制氢需要把二氧化碳和氢进行分离,目前常用的方法是变压吸附法(PSA法),该方式相对稳定,可产生高纯度氢气,目前业界普遍认为此法不易做到结构小型化。相比之下,可以使结构小型化的膜技术又存在成本过高(主要是催化剂成本)的问题。如此看来,膜技术的突破对于甲醇重整制氢设备的小型化将起到至关重要的作用,并可能直接影响氢能的大范围推广和应用。

甲醇:一种可再生的分布式能源

分布式发电是将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出电、热或冷能的系统。与传统的电站相比,分布式发电更靠近用户,不需要高压输电系统,且建设快、运行费用低,具有经济性、安全性和灵活性等特点,可减少对传统火力发电对环境的破坏,满足能源可持续发展的要求。提及可再生的布式发电能源,大家可能首先会想到光伏和风力,然而太阳能、风能因受地球自转、气候、地域等因素影响具有明显的间歇式特点,无法直接满足人类可持续的用电需求。此外,目前比较常见的分布式发电方式还有天然气发电、沼气发电、氢能发电及生物质发电等。甲醇作为一种可再生的能源,它可以通过生物质制取,可以直接用于发电,也可以转变成氢气发电,它是一种可再生分布式发电的能源。

甲醇直接燃烧发电是热能转化为机械能,再从机械能转化为电能,二次转化效率过低,一般不为采用,直接甲醇燃料电池DMFC发电技术,只在2012年前后日本东芝的有关成果获得报道,至今报道并不多见。为了更全面的了解一种可再生的分布式发电能源的可行性,记者搜集了目前已有的四种甲醇发电路径并进行比对,发现只有把甲醇变成氢气,再用氢气发电的技术是最成熟的,而且具有相对较高的转换效率和环保指数(见表)。

醇水氢燃料电池高效一体机

目前,很多专家学者都在努力攻关醇水氢燃料电池发电技术,其原理是将甲醇和水的混合溶液利用催化剂进行催化重整产生重整气,再利用纯化膜将重整气进行提纯得到高纯度氢气。为什么要使用甲醇和水的混合溶液为原料呢?甲醇(CH3OH)分子中含有4个氢原子,而水(H2O)中有2个氢原子,两者进行混合后再进行催化反应可以得到6个氢原子,大大提高了制氢效率。

结论似乎已经出来了,期望着有一种完全新型的新能源发电设备,该设备以能量密度高、可再生、存储运输方便的甲醇为燃料,该设备使用膜技术,让设备足够小型化,膜的成本不能高,又能够产生高纯度的氢,且性能稳定,再直接与氢燃料电池很好地对接。

水氢机:我国完全自主研发的甲醇水发电机

三年前,一家专注于甲醇水蒸气催化重整氢燃料电池的应用研发和产业化的企业,“广东合即得能源科技有限公司”(以下简称“合即得”)落户广东东莞。三年来,记者跟踪了这家企业的技术创新与产业发展。

该项技术发明人向华带领他的团队把甲醇水蒸气催化重整制氢技术和氢燃料电池技术结合起来实现了一体化发电,并将该设备称之为“水氢机”。2009年团队研制出他们的第一台样机,并对设备进行迭代研发。如今,合即得自主研发的水氢机拥有80多个核心元器件,独立拥有4套核心膜技术,独立拥有目前发电效率较高的3-5-7技术(即3公斤甲醇可产5标立方氢气发7度电)。在水氢机的应用开发上,合即得已生产出电动车移动充电宝、野营发电机等家用和商业发电机产品,同时把水氢机应用在汽车领域,将水氢机作为汽车的能源动力系统,并陆续生产出水氢警务车、水氢旅游光车等,并成功地改装了轿车、大巴、观光车等水氢电动车车型。

通过近10年的研发,合即得的甲醇水蒸气催化重整氢燃料电池发电技术取得了骄人的进步,水氢机的优势也越来越明显:制氢纯度大于99.9999%;设备性能稳定,有关产品已连续不间断工作11个月;实现了小型化,体积从以前的衣柜大小成现在的电脑机箱大小,30kw水氢机尺寸仅为1210×270×800mm;发电效率也大大提高,每公斤甲醇可产生2.3度电;设备可进行快速启动和远程操控;设备系统安全可靠,无任何高压储氢设备;整机基本无运动部件,噪音小于55db。

目前,合即得向华团队已拥有500多项专利,包括“一种基于甲醇水制氢系统的发电机及其发电方法”“一种甲醇水蒸气重整制氢设备及制氢方法”“甲醇水制氢设备的膜分离器及其制备方法”等涉及到燃料重整、燃料电池、氢气提纯的核心专利,掌握多种燃料重整制氢的反应器研发和工程技术、世界领先的燃料电池系统集成技术及多种不同场景的多种氢气提纯和制氢生产设备工艺。2015年合即得的“新能源汽车高效安全移动制氢燃料电池研究与应用”项目获得广东省科技厅应用型科技研发专项资金重大项目立项支持。2016年合即得通过了中关村兰德评价研究院20多个专家院士的评价,高度评价水氢机是氢能时代具有标志性的机器,是蒸汽机、内燃机发展进步的产物,一致肯定水氢机的广泛应用极具社会价值和经济价值。自2014年至2016年合即得由广东省科学技术情报研究所查新中心出具了 “甲醇水氢燃料电池供电系统”“甲醇水制氢技术及其在发电系统的应用”“一种多组合独立式醇水制氢燃料电池汽车的研发”等多个科技查新报告,总体结论为:未见相同的技术路线,类似技术路线的多项指标(包括设备大小、氢气纯度、发电效率、启动时间等),未见有与其相同的文献报道。

此外,合即得正在努力在移动电力、应急电力、户(野)外电力、备用电力等实现与多个行业的对接,应用场景有众多的想象空间。在加快行业应用的同时,合即得的创新步伐还在加速,在进一步提高发电效率、进一步降低成本以及进一步小型化的同时,合即得还在积极向上游甲醇的生物质制备、分布式制备以及二氧化碳捕集等方面开展合作。

伟大的创新来自敢想、敢做和孜孜不倦的追求。在全国科技创新政策、环境、需求日益增强的今天,科技创新更需要民族的自信。1769年蒸汽机发明属于英国,1876年内燃机发明属于德国,1946年计算机发明属于美国;2009年的水氢机能否属于中国,能否在人类科技创新的历史上留下浓墨重彩的一笔?历史会给出最好的答案。

甲醇电力路线对比

路径工艺路线技术现状转换效率环保指数

路径1甲醇——内燃机——电力成熟20%—30%排放PM2.5

路径2(DMFC)甲醇——燃料电池——电力不成熟10%—30%无排放PM2.5

路径3甲醇——氢内燃机——电力成熟25%—45%排放PM2.5

路径4(IMFC)甲醇——氢燃料电池——电力成熟35%—70%无排放PM2.5

关键字:氢能

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