绿色能源 – 氢循环– 氢经济

绿色能源和绿色交通的关键在于使用氢气作为燃料,用于能量储存和能练转移过程的工具。因此,所谓的氢循环(见下页)就建立起来了,它描绘了从制取超出储存量到出口再到作为燃料二次制取过程中氢的利用。

由于此循环中的每个步骤都有多种方法, 因此建立了一些研究概念来弥合差距,并获得必要的、尚未完全开发的技术。 弗劳恩霍夫研究协会为德国开发并发布了一份氢路线图,列出了所有研究领域及主题。

 

下图列出了氢研究的关键部门:


 

氢气路线图:

 

 

路线图描绘了在不久的将来可能使用氢气的情况。 关键问题在于储存和制取,因为每个步骤都关乎如何安全有效地存储氢气。

另一个需要解决的问题是,集中制氢还是分散制氢更有前景,是直接作为燃料还是以氨或类似物质的形式用作燃料。该部分展示并说明了热分析在线路图的每个点的作用和参与度。

 

1、氢循环 - 可再生能源资源 

氢循环始于绿色发电厂产生的氢气。可再生能源的重要来源包括水力发电厂、风力发电厂、光伏发电厂、地热发电厂和生物质发电厂,其目标是在不排放任何二氧化碳和不产生核废料的情况下产生足够的能源。

所有这些都涉及热分析和材料科学:

l 从复合材料的研究出发,探讨复合材料在风力机叶上的应用

l 光伏电池半导体材料的材料优化

l 生物质直接制氢的优化


 

2、电能转化为化学能(电解、合成燃料)

由于储存电能相当困难,现在的大型发电厂,如煤电厂和核电站,源源不断地生产能量,以满足基本负荷及易变的负荷,而燃气电厂等则用于补偿波动。

由于可再生能源的电力生产受波动影响(例如在夜间、干燥或风平浪静时),所产生的能量需要存储,以应对不断波动的能源需求以及可再生能源不连续发电的情况。

此外,一些移动设备(如高档汽车、卡车、飞机),需要大量能量,将电能存储在蓄电池中

是不切实际的,因为所需尺寸的蓄电池价格昂贵且尚未准备好运行。对于这些应用,将电能以合成燃料或氢的形式转化为化学能更方便。由于合成燃料也是一种使用氢生产的燃料,其

主要步骤是通过电解水生产氢。

电解水是通过施加外部电压将水化学分离成氧气和氢气。由于这种制氢过程需要大量能量,因此也有通过催化剂或反应链(如煤碳气化)产生氢气的方法。

 

然而,其目标是获得一种具有高吞吐量和高效率的直接电解。为了提高电解效率,需要优化阴极和阳极材料以及催化剂和表面材料。

 


 

 

3、储氢

由于氢气是一种极易挥发的气体,它的储存和运输具有相当大的挑战性。可以通过在钢瓶中压缩氢气来存储,但由于需要高压(钢瓶最大压力可达700巴)以及相关的技术和安全相关问题(氢会随时间扩散到任何材料中),优先考虑其他技术。

例如,氢可以通过吸附在或多或少化学固定的不同种类的材料(金属有机框架、沸石、离子液体等)上来储存。 其中,以金属氢化物的形式储存是最有前景的。

在这种情况下,氢通过形成稳定的氢化物与金属表面化学结合。 通过使用多孔材料,例如沸石和具有纳米孔的合成框架,可以通过扩大表面积来优化该过程。 在许多材料中,通过控制温度变化或压力变化可以很容易地释放氢气。不再存在不受控制的扩散风险。


 

 

 

4、使用氢作为燃料的设备和工艺

一旦制取出氢气并将其储存起来供移动设备使用,其高能量密度赋予其多种用途。

最常见的是用作还原剂、燃料、载气以及合成碳水化合物、氨等分子。氢气也常用于金属的烧结。

含有金属或金属氧化物的工件通常是通过将粉末压缩成所谓的生胚来制造的。这些生坯随后通过将其加热到低于熔点的温度来固化,这一过程称为烧结。 在烧结过程中观察到尺寸减小。因此,可以通过测量尺寸来研究烧结过程。这通常在膨胀计中完成(参见应用示例)。

为了避免氧化并降低最终产品的氧化物含量,烧结可以在含氢气氛中进行,甚至可以在用作催化剂的金属粉末生坯的纯氢烧结中进行。

因为掌握了氢气安全技术,林赛斯能够提供用于纯氢气环境的膨胀计。 膨胀计可用于还原气氛中的氢烧结或膨胀测量。 排气装置与安全燃烧装置相连接,该系统与氢气探测器相连接,在氢气释放不受控制的情况下,氢气探测器可以关闭该系统并向其注入惰性气体。

 

 

5、燃料电池技术 

然而,最有趣和最常提到的氢的应用是燃料电池,具有多种用途,可以为建筑物供电、供暖,也可以为汽车提供动力,增加续航里程。氢电池是将储存的氢能转化为电能的关键部分。

在燃料电池中,氢与空气反应生成水。该反应不是直接通过燃烧产生热量,而是在燃料电池

中产生电能:该方案显示了氢燃料电池的原理图。

其目的是通过氢气和氧气的反应产生所需的电能。在经典的直接反应中,水是以热的形式释放大量能量形成的(想象一下被点燃的氢氧气体混合物),与此相反,燃料电池有两个腔室,包含两种化合物。

腔室的中间有一层膜,允许氢扩散,但其他分子无法扩散。 在氧室的膜表面,氢和氧发生反应,从而将水排出。 因此,膜上的氢浓度降低,更多的氢分子向膜移动。氢扩散到含氧室,在膜上产生了一些电压。 这在释放的能量而非热量,可用于操作发动机。

由于可以控制氢室中的氢浓度,膜上的扩散速度可以像汽油驱动发动机一样轻松控制。因

此,氢气可用作“燃料”。薄膜上覆盖着由贵金属组成的电极材料。 这些金属作为催化剂,作用于燃料电池的工作条件(温度、电压等)。

由于氢驱动燃料电池可以在高达1000°C的高温下工作,并且用于组装的焊料必须具有热稳定性、化学稳定性和机械稳定性,因此热分析再次发挥作用。燃料电池的工作条件取决于用作催化剂的材料。因此,所有用于表征催化剂的技术都可以应用于氢/燃料电池技术。

因此,需要了解大量的材料科学知识,分析技术有助于研究材料。在本文中,我们将重点讨

论热分析技术。有些储氢应用在高压下运行,有时超过100巴,因此加压分析仪是有用的。

此外,由于氢对氧/空气的高反应性,所有分析技术都需要采取预防措施。 因此,所有设备都必须配备安全装置,以免发生爆炸。

 

 

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