作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/15 10:02:42
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美国需规划以实现清洁的氢经济

 

应对气候变化不仅需要一个清洁的电网,还需要一种清洁的燃料,以减少工业热量、长途重型运输和长时间储能等领域的排放。

8月11日,发表在《焦耳》杂志的一篇评论文章指出,氢及其衍生物可能正是这种清洁燃料,但美国要实现清洁的氢经济仍需要一个全面战略和10年规划。该评论建议,仔细规划未来氢气的生产、运输、储存和使用等方面的基础设施,及其经济可行性,将是实现氢气在社会规模上使用的关键。

“我们赞赏美国能源部长Jennifer Granholm启动的‘氢地球计划’,该计划的一个目标是在这个十年结束前以每公斤1美元的价格生产无温室气体排放的氢气。”美国斯坦福大学教授Arun Majumdar及合作者在评论中写道,“氢气储存、使用和运输等领域,也需要设立有类似技术经济目标的研发项目。仅仅‘氢地球计划’对于创造氢经济是必要的,但还不够。”

全世界每年生产约7000万吨氢气,其中美国的产量约占全球产量的1/7。大部分氢气被用于生产化肥和石化产品,而且几乎所有的氢气都被认为是“灰色氢气”——每公斤氢气的生产成本只有1美元左右,但会带来大约10公斤的二氧化碳排放。

“氢气经济已经存在,但它涉及大量温室气体排放。清洁的氢气经济目前是不存在的。”Majumdar说。

对于清洁的氢气经济可能是什么样子,研究人员有丰富多彩的愿景。例如,“蓝色氢气”技术包括捕获二氧化碳并减少排放,从而产生温室气体排放较少的氢气。然而,目前“蓝色氢气”的成本比“灰色氢气”高出50%,这还不包括运输和储存二氧化碳所需的管道和封存系统的开发成本。

Majumdar和同事写道:“为了使‘蓝色氢气’成为可行的选择,需要进行研发,以降低二氧化碳捕获成本。”

另一种被称为“绿色氢气”的清洁氢气也引起了科学家们的注意。“绿色氢气”是指通过电解水产生没有任何温室气体排放的氢气。然而,它的成本是每公斤4到6美元,Majumdar和同事认为,如果降低无碳电和电解槽的成本,这个价格可以降低到每公斤2美元以下。

通过甲烷裂解生成无温室气体排放的氢气则被称为“绿松石氢气”,这也在研究领域引起了轰动。这一过程中产生的固体碳副产品可以出售,以帮助抵消成本,尽管Majumdar和同事指出,在必要规模下产生的固体碳数量将超过当前的需求,因此需要开发新的市场。

无论是蓝色、绿色还是绿松石色,无温室气体排放的氢气或其衍生物都可以用于交通运输、钢铁和冶金业的化学还原剂,以及玻璃和水泥业的能源等领域。但要使这些应用成为现实,氢气的生产必须达到一定的成本基准——生产氨和石化产品,或用作运输燃料或燃料电池,每公斤氢的成本必须达到1美元。

研究人员还强调,美国还需要考虑氢气管道的开发和部署,以便运输氢气,以及如何以低成本有效的方式大规模存储氢气。“建设新的管道基础设施通常是昂贵的,并包括各种社会挑战。”Majumdar和同事写道,“因此,探索不需要新建管道基础设施的替代方法是很重要的。相反,应该充分利用现有基础设施,运输生产氢气的原料——为电解水输送电力的电网和输送热解用甲烷的天然气管道。”

研究人员补充说:“美国地质调查局应该开展一项全国性调查,以确定可以储存氢气的地点,同时考虑使用这些储存点所需的基础设施成本。”

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https://www.doi.org/10.1016/j.joule.2021.07.007

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