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氢能产业百问百答(第一部分)

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中国标准化研究院资环分院
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当今世界开发新能源迫在眉睫,原因是所用的能源如石油、天然气、煤,石油气均属不可再生资源,地球上存量有限;随着化石燃料耗量的日益增加,其储量日益减少,终有一天这些资源、能源将要枯竭,然而人类生存时刻离不开能源,这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样的二次能源。

氢能是公认的清洁能源,作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪,我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划,并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展。

 

Q1氢是什么?

氢气,化学式为H,分子量为2.01588,常温常压下,是一种极易燃烧的气体。无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的1/14,即在1标准大气压和0℃,氢气的密度为0.089g/L。

 

Q2大家常说的灰氢、蓝氢、绿氢指的是什么?

灰氢 (gray hydrogen):使用化石燃料制取氢气,并对释放的二氧化碳不做任何处理。蓝氢 (blue hydrogen):使用化石燃料制取氢气,同时对释放的二氧化碳进行捕集和封存。绿氢 (green hydrogen):使用可再生能源发电电解或光解制取的氢气。

Q3每次提到碳中和总会提到氢,那么什么叫做碳中和?

当一个组织在一年内的二氧化碳排放通过二氧化碳去除技术应用达到平衡,就是碳中和或净零二氧化碳排放。

 

Q4氢气的安全性如何?

氢气具有燃点低,爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点,长期以来被作为危化品管理。氢气扩散系数是汽油的12倍,发生泄漏后极易消散,不容易形成可爆炸气雾,爆炸下限浓度远高于汽油和天然气。因此,在开放空间情况下安全可控。氢气在不同形式受限空间中,如隧道、地下停车场的泄漏扩散规律仍有待深入研究。

 

Q5氢能产业链包含什么?

氢能产业链包括制氢、储运氢、加氢与氢的综合应用。

 

Q6制氢有哪些方法?

目前,氢的制取产业主要有三种较为成熟的技术路线:一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢;三是电解水制氢。

 

Q7什么叫做氢燃料电池?

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳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阴极。

 

Q8目前有哪些储氢方式?

目前国际上主要氢气储运技术包括气态储运(长管拖车、管道)、液氢储运、氢载体储运和固态储运。气态储运氢环节涉及的核心技术装备主要有长管拖车用高压管束储氢瓶与管道。低温液态储运氢涉及的核心技术装备主要有氢液化装置与液氢储罐。有机液体储运氢涉及的核心技术装备 主要有供热脱氢装置。在实际应用中,可根据运输距离和运输规模,选择最经济的储运氢技术。

 

Q9氢气储存有什么难点?

第一,所有元素中氢的重量最轻,在标准状态下,它的密度为0.0899g/L,为水的密度的万分之一。在-252.7℃时,可变成为液体,密度为70g/L,仅为水的十五分之一。第二,作为元素周期表上的第一号元素,氢的原子半径非常小,氢气能穿过大部分肉眼看不到的微孔。不仅如此,在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。第三,氢气非常活泼,稳定性极差,泄露后易发生燃烧和爆炸。氢气的爆炸极限:4.0~74.2%(氢气的体积占混合气总体积比)。

 

Q10氢能源有哪些特点?

(1)氢燃烧性能好,点燃快,与空气混合时有广泛的可燃范围,而且燃点高,燃烧速度快。(2)氢本身无毒,与其他燃料相比氢燃烧时最清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质,少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用。(3)氢能利用形式多,既可以通过燃烧产生热能,在热力发动机中产生机械功,又可以作为能源材料用于燃料电池,或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油,不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。(4)氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现,能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

由以上特点可以看出氢是一种理想的新的含能体能源,但是要利用氢能必须制备氢能和储运氢能,氢的规模制备是氢能应用的基础,氢的规模储运是氢能应用的关键,氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式,三方面只有有机结合才能使氢能迅速走向实用化,目前国内外主要从事氢的规模制备和氢的规模储运的开发研究,并取得了一定的进展。

 

Q11什么叫做液氢?

液氢是由氢气经过降温而得到的液体,是一种无色、无味的高能低温液体燃料。一个大气压下的正常氢沸点为20.37 K(-252.78℃),凝固点为13.96 K(-259.19℃),密度为 70.85 kg/m³。

 

Q12什么叫做固态氢?

固态氢是一种无机物,即氢气的固态形式。化学式为H2,具有密度很小的性质。在温度为-252.87℃时,气态氢可转变成无色的液体;-259.1℃时,液态氢可变成雪花状固体。

 

Q13氢燃料电池主要应用于哪些领域?

氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域、便携式领域等三大领域。目前氢燃料电池的主流发展方向是氢燃料电池汽车。燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能,能量转换效率高。相比纯电动车搭载的动力锂电池,氢燃料电池质量轻,补充能量的时间短,加氢只需3至5分钟,续航里程长,大于600千米。

 

Q14什么叫做加氢站?

加氢站是给燃料电池汽车提供氢气的燃气站,最早的氢气加注站也许可以追溯到1980年代位于美国Los Alamos的加氢站。

 

Q15全国首个全商业化运营的加氢站在哪?

全国首个全商业化运营的加氢站位于广东省佛山市南海区丹灶镇。该项目采用政府主导、政府和企业共同投入的“1+1+N”模式,开展氢燃料电池汽车商业化运行工作。

 

Q16什么叫做可再生氢气?

可再生氢气生产过程中所产生的温室气体排放的限值与清洁氢相同,且氢气的生产所消耗的能源为可再生能源。可再生能源类型范围见2010年4月1日施行的《中华人民共和国可再生能源法》。

 

Q17什么叫做低碳氢?

低碳氢是指生产过程中所产生的温室气体排放值低于特定限值的氢气。这里的特定限值为14.51 kg CO2e/kgH2。

备注:氢气的热量按低热值选取,即120.0MJ/kg。

 

Q18什么叫做清洁氢?

清洁氢是指生产过程中所产生的温室气体排放值低于4.90 kg CO2e/kgH2的氢气。

备注:氢气的热量按低位热值选取,即120.0MJ/kg。

 

Q19加氢站的氢气来源有哪些?

长管拖车运输供应高压气态氢,一辆拖车运输25~35MPa的高压氢气约5000Nm3;加氢站内自备水电解解氢装置或天然气转化制氢装置,制取氢气经加压、储存供应氢气;氢气管道输送氢气只是个别的;液态氢槽车供应液态氢,在加氢站内设液态氢储罐,以液态氢直接对氢能汽车上的液氢贮罐加氢。

 

Q20加氢站有哪些分类?

加氢站按照站内是否有制氢设备,可以分为外供氢和站内制氢加氢站。而加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后,经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体,随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存,最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。

 

Q21加氢站系统有哪些核心装备?

加氢站系统的三大核心装备为氢气压缩机、储氢系统(中国目前均为高压储氢系统)和氢气加注机。

 

Q22加氢站中成本占比最大的装备是什么?

加氢站成本中占比最大的是压缩机,其次是储氢设备。

 

Q23氢气压缩机有哪些分类?

氢气压缩机根据技术路线,主要分为液压活塞式氢气压缩机、隔膜式氢气压缩机和离子压缩机。

 

Q24什么叫做储氢装置?

加氢站中用于充装高压氢气且安装在固定位置的装置,包括储气罐储氢装置和无缝管式储气瓶储氢装置。

 

Q25储氢装置需要设置什么安全附件?

超压泄放装置;压力测量仪表、压力传感器;氢气泄漏报警装置;氮气吹扫置换接口;位于储氢装置顶部的氢气排放管。

 

 

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