爱吱声

标题: 走出氢能误区 [打印本页]

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 06:51
标题: 走出氢能误区


氢能是无碳能源，前途无量，但也永远“还需要N年”。这来自于氢的储存、运输、加注的问题。氢原子太小了，泄露很难避免。在开放空间问题不大，但在密闭空间，一旦聚集，燃爆的危险很大。氢汽车不可能不准停放地下车库，但这是绕不过去的坎。

* n- S1 b% _+ c( G) [  U, xNASA的SLS火箭号称史上最大，用于发射“阿尔特弥斯”探月飞船，但两次发射都半途而废。第一次是因为发动机的传感器故障，第二次是液氢加注时泄露过量。NASA是液氢液氧火箭的先驱者，土星V就是液氢液氧火箭。液氢、液氧需要在发射前加注，否则整体从发射整备中心移动到发射平台时太重，重心太高，不安全。加注时肯定是要有所泄露的，实际上在液氢、液氧灌注到燃料箱和氧化剂箱的时候，要将原来的氮气顶出来，这中间必然要从排气孔带出一些液氢、液氧。空箱充氮是容器防爆的标准操作。

+ w) \) ^  [. j( X液氧问题不大，密封好解决。液氢就很麻烦，密封特别麻烦，而且在规定的排气孔之外的微小泄露很难探测，只有到泄露量大了，形成白雾（超低温的液氢将空气中水分冷凝成雾），才容易发现。但火箭发射前的燃料加注量是精确计算过的，多了不行，少了更不行。泄露量一大，火箭里到底有多少液氢就说不准了。结果NASA因为液氢泄露超标，被迫放弃第二次发射。据说这样屡屡放弃，使得SLS的发射成本高达一次40多亿美元。要是每次都这样，NASA需要另外找金主了。

但NASA其实是伺候液氢最有经验的，化工上没有这样大量使用液氢的；SLS发射这样的大事件也不惜工本，所有的液氢管路、接口都用最高标准的材质和加工，依然有难堪的泄露问题。家用氢汽车可是买菜送娃上班泡妹用的，大叔大妈小哥小妹既没有NASA的资质，也没有NASA的条件，加氢泄露几乎是必然的，带来各种问题也是必然的。氢汽车的储氢罐和氢动力系统具有再强悍的密封和抗撞击指标，也难绕过日常粗暴使用带来的安全隐患。
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但换一个思路，或许海阔天空。
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氢分灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢是石化路线制备的，用石油、天然气或者煤炭经过催化重整制备，能耗高，污染大。灰氢作为环保能源是舍近求远，不仅不环保，还能耗高。灰氢一般是作为化工用氢，与已有用氢工艺整合，本来就不是作为氢燃料使用的。

蓝氢在灰氢的基础上，增加碳捕捉一环，不排放二氧化碳了，但能耗问题依旧。碳捕捉是耗能的，蓝氢的排放问题解决了（其实是留给后人解决），但比灰氢的能耗还要高，最多只能作为过渡。
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绿氢才是环保的，用无碳电力（风电、光电、水电、潮汐电等）电解水制氢，全程本质无碳，这是理想状态，但成本最高。
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全世界都在大力发展无碳电力，当前的能源价格高涨可能会推动无碳电力的高速发展。无碳电力最大的问题在于不稳定。光电有昼夜和阴雨问题，风电有无风天的问题，潮汐有潮间问题，水电也有枯水问题。另一个问题是：无碳电力的峰值发电能力必须大大超过电网耗电能力，才可能通过储能来维持足够的平均用电需求。这是与发电与耗电大体匹配的火电截然不同的。火电的昼夜峰谷问题与无碳电力的峰谷问题是数量级的差别，不可相提并论。

光电、风电、潮汐电的周期一般较短，都在一天到几天内，有望通过联网和储能解决。水电的枯水问题比较难解决，枯水季节可能延续几天、十几天甚至个巴两个月。好在枯水季节一般是大太阳天，可能与光电正好互补。
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' F& N* `6 P( D/ n( V1 e0 p- f电是好东西，但大容量储电是世界性难题。抽水储能是主流技术，但受到地形和水源限制，不是哪里都能建造抽水储能站的。另一方面，光电、风电、潮汐电甚至水电都有“旺季”弃电的问题，发电量太多，电网吸收不了，造成浪费。用过剩的电力电解制氢，是储能的好办法。

传统思路是把过剩电力制备的氢用管道运出去，在终端用户那里储存、分配、使用，但这实际上又回到液氢储运难题了。
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7 G, d7 \! X2 X8 z1 T/ _2 H1 R换一个思路：在风电、光电、潮汐电、水电场就地建造氢储存和氢电站（氢燃气轮机或者氢燃料电池），利用发电高峰、用电低峰时的过剩电力制氢、储存，在低谷的时候发电，并利用已有的输电体系输电，完美回避远程氢储运的难题。

+ U4 i9 L+ k- W# r2 ~' g水资源是一个问题，但燃烧（包括氢燃料电池）产物是水，回收不难，循环使用不是梦，只需要很少的补水，对自然界水资源的压力是可控的。电解水和燃烧生水在理论上可无限循环，实际上，水在循环使用若干次后，有害杂质会浓缩，需要处理后排放，但这依然比远程输氢对水资源的压力低得多。远程输氢需要耗用大量水资源，因为电解后，原料水就随着产品氢输走了，必须大量补水，才能继续制氢。关于有害杂质，这是对制氢过程有害，未必对环境有害，这一点要分清楚。现有火电厂也有冷却水循环使用后的排放问题，解决有现成方案。

低谷电力本来就是周期性很强的无碳电力的大难题，与其另外造一套氢储运设施，何不直接利用现有的输电设施呢？无碳电力本来就需要输电配套，低谷氢电并不需要额外的输电设施，还有直接的电网填谷作用。

5 y7 Y% L3 A7 e储能的关键是在低谷时有电可用，电从就地的储能电站来，还是从远方的低谷氢电来，并无差别。

) i( k& z$ Y9 x; j% B9 s) m远程氢电有输电损耗，但远程输氢也有损耗；远程输电的安全不是问题，远程输氢的安全问题可是远没有解决；在无碳电力基地就地建造大型储氢装置肯定有技术和安全挑战，但这样的集中设施比散布在千家万户的氢汽车和遍布城乡的加氢站好解决多了。即使作为汽车动力，随着全电化的继续普及，全电车和插混车将成为主流，氢汽车的生存空间实际上很成问题。
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0 n1 B" S# H, y8 A2 }0 T或许氢能真是退一步海阔天空呢。

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作者: 鳕鱼邪恶    时间: 2022-9-6 08:11
美国火箭的液氧、液氢这样子灌进去再抽出来不断的折腾，会不会最后把火箭搞到报废吖？

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 08:21

鳕鱼邪恶 发表于 2022-9-5 18:11
7 d* T7 _( O: P* c5 E% _美国火箭的液氧、液氢这样子灌进去再抽出来不断的折腾，会不会最后把火箭搞到报废吖？ ...

现在可能还不至于，但多来几次就说不好了

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作者: huma    时间: 2022-9-6 09:21
气态氢液态氢难以储存，人类是否能够攻克难关。把液体氢转换成为亚稳态氢金属呢

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作者: MacArthur    时间: 2022-9-6 09:37

huma 发表于 2022-9-5 20:21
气态氢液态氢难以储存，人类是否能够攻克难关。把液体氢转换成为亚稳态氢金属呢 ...

MSMH？488万个大气压。。。
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作者: huma    时间: 2022-9-6 10:06

MacArthur 发表于 2022-9-6 09:37
MSMH？488万个大气压。。。

. G, \: v- k% j6 y  e* f所以说是难关乜

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作者: 流风    时间: 2022-9-6 10:53
如果真有邻居买氢动力汽车驶入地库，估计全小区的人都要抗议。话说过来，电动车多半是晚上充电，数目众多的电车是不是可以作为调节电网的分布式储能节点？当然在控制上估计需要对线路进行调整。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 11:01

流风 发表于 2022-9-5 20:53
4 Y( \" P; o6 ?4 c- a/ g3 \如果真有邻居买氢动力汽车驶入地库，估计全小区的人都要抗议。话说过来，电动车多半是晚上充电，数目众多的 ...

$ }* ?$ I( U( C电车充电是在晚上，需要低谷调峰也是晚上。你这电车在晚上到底是充电还是放电？

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作者: 豪哥豪哥    时间: 2022-9-6 11:10
主流发电厂/炼厂经营方式是在电/油供应出现缺口迅速将剩余产能投入………维修。可以迅速将利润扩大数倍。

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作者: 嘉洲    时间: 2022-9-6 11:29
思路不错。不过用氢燃烧发电也有不少技术瓶颈需要解决。另，大湖北目前想基本思路是利用现有管道系统实现高压氢的长途运输，当然管线钢的氢脆问题就是一个显而易见问题。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 11:38

嘉洲 发表于 2022-9-5 21:29
" `: X$ ^3 C! R2 S7 x- B5 i3 A思路不错。不过用氢燃烧发电也有不少技术瓶颈需要解决。另，大湖北目前想基本思路是利用现有管道系统实现高 ...

* N& O, `# n- [2 Q现有管道不可能用于高压氢的长途输送，氢脆和密封都不行。

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作者: 嘉洲    时间: 2022-9-6 11:52

晨枫 发表于 2022-9-6 11:38
现有管道不可能用于高压氢的长途输送，氢脆和密封都不行。

7 {  V& h  U+ G* o9 n. b氢漏是肯定存在，即使所谓密封系统，氢渗透依然存在。控制漏的速度低到不足以导致致命安全隐患从技术角度看，工程难度系数并不太大。头疼的是氢脆，尤其是高压氢环境里。

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作者: 九麟居士    时间: 2022-9-6 11:57
氢能应用主要是公交车和卡车，我们这3线城市有氢能公交车好几年了。家用应该不会普及。

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作者: 可梦之    时间: 2022-9-6 14:20
好主意。
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$ b# }* ~: H* k% E1 c) C; t水资源问题不大，这个需水量不大。而且太阳能发电本身也需要水清洗。放在西部，还能改善生态。
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想象一下塔里木盆地沙漠上铺满太阳能发电板，隔一段一个储氢发电设备。下面种草放羊，多壮观啊。

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作者: lazyMAN    时间: 2022-9-6 17:12
现在的一个研究方向是先转换成氨.这样解决了运输问题.然后裂解回氢和氮,
4 a6 `0 D: `0 y, _* R2 [" H# Z用于燃气轮机燃烧发电.或者直接在燃气轮机烧氨.前一种方法成本高,后一种方法会产生很高的氮氧化合物,而且氨的可燃性不好,难以控制

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作者: 史节    时间: 2022-9-6 18:13
是不是可以考虑建立在海滨城市，水不重复利用，而是电解海水，燃烧后送入城市管道作为取暖和饮用水呢？

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作者: ltpub    时间: 2022-9-6 18:34
土星五主发动机是液氧煤油的吧？

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 21:02

史节 发表于 2022-9-6 04:13
是不是可以考虑建立在海滨城市，水不重复利用，而是电解海水，燃烧后送入城市管道作为取暖和饮用水呢？ ...

这是好主意，就是电解水后产生大量浓盐水，要么进一步制备氯碱，否则不好处理。直接排放不行。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 21:04

ltpub 发表于 2022-9-6 04:34
土星五主发动机是液氧煤油的吧？

: j- _3 H. R( v第一级是液氧煤油，第二、第三级是液氢液氧

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作者: 小木    时间: 2022-9-6 23:14

晨枫 发表于 2022-9-5 21:38
现有管道不可能用于高压氢的长途输送，氢脆和密封都不行。

现在好像在实验的是天然气掺氢气，好像说是掺到百分之二三十都没影响。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-6 23:26

小木 发表于 2022-9-6 09:14
: y! P! a- s% `- g, I0 P! L7 o现在好像在实验的是天然气掺氢气，好像说是掺到百分之二三十都没影响。 ...

那还是70-80%天然气啊

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作者: 石工    时间: 2022-9-7 02:11

! J7 q1 |, p( f6 V1 J2 R' c
( e0 o* T0 d$ a2 S) M) {张家口在搞全球最大的氢储能发电站
# z1 X- q, M: p1 K
# l# \( c. R* xhttps://www.sohu.com/a/501502402_120145143

( Y0 S) Z0 W. k; s$ ~) y

全球最大！河北省张家口氢储能发电工程初设过评
% L1 ^) z9 t( q. |" T/ y2021-11-16 17:45
) x$ s; ?( w5 X  f! J0 c: s. G   
. j: ]. Y# z$ _/ e2021年11月13日，河北张家口200MW/800MWh氢储能发电工程初步设计在中国石油管道设计大厦隆重举行专家评审会并顺利通过评审。这意味着中国氢能在大规模储能调峰应用场景迈出实质性一步。
+ @/ y2 A! R3 {* y
" Q9 \4 u& r) L0 F1 p. C5 s6 J$ \. U据了解，张家口200MW/800MWh氢储能发电工程是220kV氢气储能发电站,装机容量为200MW/800MWh,配置两台240MVA主变压器，以220kV电压等级并网发电。其中整个发电区由80套1000Nm3/h大型电解水制氢装置、96套吸放氢金属固态储氢装置、384台640kW燃料电池模块、以及逆变、升压电气设备组成的大型制氢储氢、发电系统。

# [7 c$ @3 Z- J; ]! @张家口200MW/800MWh 氢储能发电工程静态投资约30亿元，项目建设期为2年，预计于2023年完全投入运行, 是目前全球最大的氢储能发电项目。据悉，该项目涉及了再生能源发电及削峰电能进行电解水制氢技术、金属固态储氢技术和燃料电池发电技术等国内领先的技术，是可再生能源利用和氢能应用的低碳环保项目。

1 m6 F  T, |' ?% h7 J氢储能是可再生能源消纳问题的有效解决方法之一，其开发利用对可再生能源的规模化利用具有重要意义，张家口00MW/800MWh氢储能发电项目将极大促进氢储能产业的发展，并为能源清洁高效的利用提供路径借鉴

更大的图景，是发改委的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》
7 c5 X) p. K# U; n6 fhttps://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcf ... 220323_1320038.html

在第10页列明氢能产业的四个领域：交通，储能，发电，工业，交通方面，优先是矿山港口闭环运输，公交物流环保这些在城市中开放运行的交通工具靠后。储能方面，明确要用氢储能熨平波动。
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重点在可再生能源资源富集、氢气需求量大的地区，开展集中式可再
7 K' ~" d/ }6 P! Z; y# a4 E# U# Q生能源制氢示范工程，探索氢储能与波动性可再生能源发电协同运行的商
业化运营模式。
8 I% e. Q4 d# ?- B& s& z6 h鼓励在燃料电池汽车示范线路等氢气需求量集中区域，布局基于分布
. a5 B7 Y$ q( q! K. W1 H( E式可再生能源或电网低谷负荷的储能/加氢一体站，充分利用站内制氢运输
成本低的优势，推动氢能分布式生产和就近利用。

* g3 k* I, p* M6 B/ B! D# y从这个中长期规划看，氢能源不大面积进城（主要在工矿港），基本不入户（私家车），看来小日本子的以氢代油真是一场做歪了的梦。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-7 02:47

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石工 发表于 2022-9-6 12:11
6 K2 ^* w9 m# c/ O- o张家口在搞全球最大的氢储能发电站

/ H9 W# Z* z' L$ R) Ghttps://www.sohu.com/a/501502402_120145143

0 {6 W, H) k3 g- V6 s中国这条氢能路线走对了！要是大型金属固态储氢和氢燃料电池技术白菜化了，中国新能源的版图就完整了，在世界上也是碾压级领先了。逆变、升压估计已经过关了，光伏也需要这些东西。
) U9 J" G1 K6 D
最厉害的是：2023年建成投产！

这东西成熟后，四川的水电站也要大量配备。春夏减库容的时候，大力发电存起来，到夏季枯水时用，就没有那么狼狈了。

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作者: 石工    时间: 2022-9-7 03:19

晨枫 发表于 2022-9-6 13:47
中国这条氢能路线走对了！要是大型金属固态储氢和氢燃料电池技术白菜化了，中国新能源的版图就完整了，在 ...

. M% ^, j  t5 V) t7 ]! _7 n  j3 \张家口这个项目，是在中国石油管道设计大厦过审。这也是给石油口找未来的出路，压力容器管道，是他们的看家本领。
) v( R4 A4 i/ q' ~/ o& h+ ]
; I* R9 C* s' F' y% z: ^波动熨平既然明确提出来了，就值得好好分析。短平快相对好搞，长时间跨度大进大出就很难，氢能源也绕不开这个问题，储备时间越长，占用资源和空间的成本越高，泄露风险也越大。这些示范项目，可能会求出最适合氢储能的波动周期。
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: N2 m6 @. f6 U1 ]美国能源部的这个二氧化碳催化为乙醇来储能的方案，号称低温，低压，低电压，低成本，低响应延迟，感觉运行成本可能会更低。原文无法拷贝，只能给个链接：
) D) t; B9 k! a1 f- y
研究人员发现一种新型电催化剂可低成本高效将二氧化碳转化为乙醇
) A' v% Z3 U$ p0 p, F8 Fhttps://byteclicks.com/5241.html

阿拉贡实验室的摘要，比较实在
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https://www.anl.gov/argonne-scientific-publications/pub/160061
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如果这个路子也能走通，感觉还是有酒在手比较踏实。

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作者: 晨枫    时间: 2022-9-7 04:21

石工 发表于 2022-9-6 13:19
张家口这个项目，是在中国石油管道设计大厦过审。这也是给石油口找未来的出路，压力容器管道，是他们的看 ...

有点怀疑这个路子。水和二氧化碳都是化学上高度稳定的。用电催化整备为甲醇，无疑“水变油”，不是化学上不可能，只是非常耗能，对催化剂的要求也很高。这也是碳氢燃料，只是碳中和而已。
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不过话说回来，电解水也是一样，把化学上高度稳定的水“打”成氢和氧。

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