五分钟氢气指南

氢经济 氢是未来的能源载体，在可再生能源的转移和储存以及为住宅，工业和运输活动提供清洁燃料方面具有巨大的潜力。如今，在各种工业过程中产生和消耗了大量的氢。 氢是一种新兴的能源载体，其中许多组件都是成熟技术。目前的氢技术已经能够提供优于其他能源载体的优势，并且其许多研究和开发正在积极应对挑战。 氢的特性 在1776年由亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）唯一识别，在1783年被Anione Lavoiser命名为“制水器”或氢气。 通常在诸如水（H2O），甲烷（CH4）等化合物中遇到。分子氢（H2）可以从许多原料中产生并用作能量载体（转移和储存的手段）。它不是主要的能源。 按体积计算，气态氢含有相同体积甲烷能量的三分之一。 以重量为基础，它含有三倍于甲烷的能量。 压缩气态氢(CGH2)是大多数实际应用中的优选形式。 氢网络解剖 氢可以通过以下方式衍生，存储和转化 各种过程，每个过程代表不同水平的碳强度，效率和最终使用功能。 氢安全和公众认知 氢并不比其他能源载体更危险或更危险。与石油或天然气等碳氢燃料一样，氢需要在适当设计的基础设施，设施和产品中进行仔细管理。 公众的看法和历史遗产 能量密度和泄漏 诸如1939年LZ129兴登堡飞艇灾难之类的事件提醒我们需要仔细设计和管理固有的氢风险（尽管假设氢不是因果因素）。同样，1984年的Abbeystead爆炸提醒我们，甲烷也必须小心处理，2005年的Buncefield石油火灾也是如此。 氢的能量密度约为甲烷的三分之一，但由于氢的分子尺寸小，它具有更大的在较高的压力下储存和运输氢气以抵消较低的能量密度可以增加其泄漏的倾向。 火焰能见度和气味 氢爆炸极限 在泄漏的情况下,爆炸下限是要达到的第一阈值。氢的这个阈值类似于空气中4.1%氢的天然气，优于空气中石油的1.2%限值。尽管氢气在较低和较高的爆炸极限之间具有更大的范围，但在稀释和分散使气体/空气比保持较低的大多数现实生活情况下，这并不是最重要的因素。 燃烧纯氢发出的光在紫外线范围内，对人眼是不可见的，但是在存在燃烧污染物的情况下，它确实以彩色火焰燃烧。基于石油的火焰是高度可见的,并且天然气在较小程度上可见。与甲烷类似，纯氢无法通过气味检测到。氢火焰探测器很容易获得，并且正在开发对产生可见火焰并使气体变臭的添加剂的研究。 快速浮力分散 氢气的浮力是空气的14.5倍，而甲烷是浮力只有4倍，石油蒸气的浮力较小，所以氢分散和稀释最快。适当的通风是防止建立潜在的顶部气穴和防止达到爆炸极限的有效措施。 辐射热 与可比的碳氢化合物相比，氢气的燃烧产生的辐射热更少，从而降低了其点燃相邻材料的倾向，但也意味着火焰对人们或热检测系统不太明显。 氢气生产和进化解决方案 1 -蒸汽甲烷 5 -重整器电解槽净化器 3自热重整(ATR) 另一个热化学过程，它使用氧气和二氧化碳或蒸汽产生H2。反应是放热的，输出温度为950 - 1100 º C。比SMR更小，效率更低。 改革(SMR) (REP) 一种成熟的热化学工艺，可提供约95％的当前H2产量。甲烷在约3 -25bar与高温蒸汽（700 - 1000 º C）反应产生H2和CO。在蒸汽存在下，发生“水煤气变换”反应，将CO和水转化为进一步的H和CO纯化22过程，如温度或压力摆动吸收用于去除污染物H流。一般大2规模集中，无氧生产。 一种发展中的技术，将SMR与熔融碳酸盐电解槽结合起来，一步改革和净化。SMR利用来自电解，而电解槽从氢气流中提取CO2并进一步产生hydro. more efficient than 2CH4+ O2+ 2H2O (+ heat)►3CO + 3H2+ 3CO + H2O (++热) SMR和可扩展的集中式分布式使用. CH4+ H2O (++加热)►CO + 3H2然后CO + H O►CO + H (+热量)222 等离子体重整 甲烷的部分氧化等离子体热解。该过程处于早期技术准备水平，但显示出有希望的低能量重整潜力。 6-电解槽电解槽使用电力输入将水分解为氢气和氧气。碳氢的足迹取决于源电的碳足迹和电解效率。聚合物电解质膜（PEM）基于在70 - 90 º C下运行的固体聚合物电解质，而碱性电解槽在100 - 150 ºC下使用氢氧化钠或氢氧化钾或固体碱性电解质，而固体氧化物电解槽使用在约700 - 800 º C下运行的固体陶瓷电解质。 2 -部分氧化（POX）天然气的吸热部分氧化，然后进行“水煤气变换”。比SMR更快且更小，并且每单位气体原料产生更少的氢气。 CH4+ ½ O2►CO + 2H2（++热）然后，CO + H2O►CO2 + H2(+ heat) 氢气生产和进化解决方案 11-光生物学 7-高温 9- Thermo Chemical 微生物例如微藻或氰基细菌吸收阳光以产生氢。Alternor photo - synthetic microws photo - ferment biomass to producehydrogen. These processes currentlyhave a low hydrogen yioid and areinstrateded by concurrent oxygengeneration. Further research is expectedto increase effectivity 水分裂 电解(HTE) 使用太阳能（太阳能热化学氢，STCH）或核能产生的高温，水分解循环从水中产生氢和氧。通常是双级氧化铈（2000 / 400 º C）或氯化铜混合（500 / 400 º C），但〜300工艺变体处于各种技术就绪水平。 高温电解或蒸汽电解的工作原理是在〜100 - 850 º C范围内的高电解质温度下可以更有效地实现水的电解 通过利用来自集中太阳能、抛物面太阳能系统的热量，或从高温核反应堆排出热量，电能输入可以更有效地转化为氢气。 12-微生物生物质 10-照片电 转换 8- HTE +核 化学品(PEC) 这种方法具有从废水中产生H2的长期潜力。 高温电解（HTE）可以利用来自高温核反应堆的〜100 - 850 º C的热量输入来提高氢电解效率。这种方法可能与小型模块化反应堆的废热特别相关，这些反应堆可以通过气体网络访问。 PEC工艺使用浸入水基电解质或光反应浆料中的半导体将太阳能转化为化学能氢和氧作为副产品的形式。这种开发技术可以以类似的方式应用于各种规模的光伏电池板，包括集中式和分布式。 输配电 氢的性质提出了传输和分配的挑战和权衡,氢可以作为压缩气体、液态氢或使用液态氢有机载体(LCOH)或作为其他化合物如氨进行传输。 低温道路油轮适用于向离散需求中心的中等数量运输。相对较大的重型货车在卸货位置需要进入空间。 通过管道输送CGH2已经存在用于工业目的。 分配管道适用于大容量，中等距离的GH2运输。 用聚乙烯（PE）代替铸铁天然气总管意味着天然气分配网络基本上准备好氢气。含硫的Odourisers（例如：硫醇）“中毒”燃料电池催化剂的挑战。 与天然气相比，CGH2的体积能量密度较低，这意味着流量和随之而来的气体速度在基于氢的系统中更高，用于可比的能量转移。 通过低温LH2的逐渐升温的能量损失导致气态H2的“汽化” (压力调节),除非主动冷却(温度调节)或在船上使用。 金属氢化物适用于吸收在金属氢化物中的少量H2，具有高体积能量密度。集装箱模块通过公路，铁路或海运运输。 高压管拖车适用于向离散需求中心的低量交付。 低温铁路油轮适用于从一个工业中心到另一个工业中心的铁路网络上长距离向离散需求中心输送中等数量。沸腾或冷却的挑战能量损失。 相对较大的重型货车在卸货位置处需要进入空间。 低温驳船/船舶适用于类似的长距离大量交货 给液化天然气运输船启用LH2的国际运输。 存储 H2是一种有用的储能介质，可满足昼夜到季节性时间表的需求。 GH2的体积能量密度低于天然气或其他常见碳氢化合物，LH2是低温液体，通过“汽化”或冷却需求而损失能量，氢的化学封存相对不成熟。实现最大存储“往返”效率，体积能量 密度和输入/输出响应时间是不断演变的氢景观的关键组成部分。 常规输气管道中的系统压力 化学转化为甲醇、氨和 低温LH2存储 CGH2的体积能量密度为天然气的三分之一，因此给定管道的能量当量“线堆”存储容量较小。 LH2储存是一种能量密集的储存氢的方式，但是它确实有更高的“往返”损失液化与时间成比例的“沸腾”或冷却要求（在- 253 º C沸腾）相结合，不太适合长期或跨季节存储。此外，LH2在搬运和运输方面带来了挑战。 甲烷 氢可以用作原料以产生诸如甲醇和氨的化学品作为能量存储载体。这些化学物质具有理想的能量特性，但在其他方面，如低效率和排放，则不太理想。或者，它可以与二氧化碳组合生产可注入天然气网络的甲烷。 地下存储 以与天然气类似的方式，加压GH2储存在地下合适的地质环境中，例如盐穴。大量的气体促进了可再生能源的季节性储存。 物理吸附和化学吸附各种金属氢化物和石墨烯基化合物提供了化学吸收氢的机会 石墨烯还可以在其物理结构中吸收氢。 最终用途应用-静态燃料电池 燃料电池是将氢中的化学能转化为电能的电化学装置。燃料电池的反应是放热的,来自燃料电池反应的热量可用于热电联产(CHP)系统或冷热电联产(CCHP)系统。 熔融碳酸盐FC (MCFC) 质子交换膜FC (PEMFC) 在陶瓷基体中熔融的锂和碳酸钾形成电解质~ 650 º C。它们是大型工业具有低功率密度的系统。它们被认为是与碳捕获相结合的固定发电。 这些基于聚合物电解质的燃料电池系统用于运输和便携式应用。它们能够弯曲其功率输出。当前系统使用少量铂催化剂容易被硫和一氧化碳中毒，因此他们需要先进的燃料处理系统。 磷酸FC（PAFC）180 - 250 º C的液体磷酸与铂催化剂一起用作电解质（比PEMFC多40倍）。 固体氧化物FC（SOFC）尽管它们非常有效，但它们在高温（500- 1000 º C）下运行，具有较长的启动和停止时间，因此被认为最适合固定应用。它们使用固体氧化物电解质。 运输中的氢 氢气车辆的尾管排放接近零，而不是水蒸气和痕量NOx。范围和加油时间与碳氢化合物燃料车辆相当 随着氢车辆技术在效率（供应和燃料电池）和容量（移动存储）方面的提高，它们具有满足电池电动车辆和插电式混合动力电动车辆之间的中等范围要求的潜力。 燃料电池电动车辆(FCEV)和电池电动车辆(BEV)在低速下具有相当的传动系和高扭矩性能,同时还提供显著的范围。 氢车辆的加油比对电池电动车辆充电快得多，这意味着它们非常适合在其工作周期中没有长时间停机时间的商业车队（例如：在24小时仓库中运行的叉车）。 来自可再生分布式发电源的氢气现场生产能够适应波动的电力输入或从电网中抽取非峰值电力。或者，它可以与二氧化碳结合以产生甲烷，甲烷可以 注入天然气网络。 固定应用中的氢气 氢气可用于热和工业过程的脱碳。锅炉，热电联产和工业炉正在开发中，为未来的氢气做好准备。 氢气锅炉 由于氢气的性质,气体进料中氢气浓度较高需要更换连接到燃气网的电器和锅炉。 已经开发了新的锅炉，燃气燃烧器和炊具，以使用100％H2进料进行操作，以准备将天然气网络转化为氢气。 热电联产(CHP) 氢气可用于为住宅和商业建筑产生热量和电力。当前的燃料电池微型CHP包括天然气重整器，因此可以直接连接到气体网格。一旦气体网格转化为氢气，重整器可以省略。 可以采用较大的CHP为商业建筑提供热量和电力，或将其送入区域供热系统。