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更新: 2008-09-05 14:05:15 PM   標籤: 氫經濟

【大紀元9月6日訊】氫經濟即是利用氫氣經過化學反應後所產生的能量,是燃料電池的一種,它不但不會產生廢氣污染環境,而且也可以儲存能量,所以是目前正在研究大量生產的方法。

目標是取代現有的石油經濟體系,並達到環保目標,但是諸多技術瓶頸導致「先有雞、先有蛋」的循環難題,很多氫設備要大量使用才有成本效益,但是不先裝設這些天價設備;則根本無法吸引人使用,更不會有相關產業,如何過渡到氫時代是氫經濟的研究課題。

氫經濟是為了取代諸多困擾的石油經濟體系而生的解決方案。包含對運輸和其他會導致溫室氣體的應用,一次給予解決計劃。


在目前的石油經濟中﹐人員運輸和商品運輸都靠石油。例如用石油提煉汽油和柴油,少數是用天然氣﹐無論如何都會產生溫室氣體和其他污染物質。而且石油藏量已經到達極限﹐但是使用需求卻一直飆高﹐例如中國大陸﹐印度等新興國家越來越多人生活水準提升也需要用油。

氫氣是一種極高能量密度與質量比值的能源. 燃料電池的效益高過諸多內燃機. 內燃機效率頂多20–30% , 而最差的燃料電池也有35–45% (通常都高很多)再加上相關電動馬達和控制器的耗損,最後純輸出能量最差也有24%, 內燃機則是低得多。

製氫電力來源

不同的氫氣生產方法有不同的固定投資額和邊際成本。製氫的能源和燃料來源可以來自天然氣、核能、太陽能、風力、生物燃料、煤礦、 其他化石燃油、地熱。 (以下以全美國汽車都改為氫氣的假設為計算單位)

天然氣

用氣電共生改良後。需要15.9百萬立方呎的瓦斯﹐如果每天生產500公斤﹐由改裝的加油站就地生產(例如高科技加氣站)﹐相當於改裝777,000座加油站,成本$1兆美金,每年可產1億5000萬噸氫氣。先假設不需額外氫氣分配系統的投資成本;等於每GGE單位$3.00美元(Gallons of Gasoline Equivalent 相當一加侖汽油的能量簡稱GGE,方便和目前油價作比較)

核能

用以提供電解水的氫氣電能來源。需要240,000噸鈾礦—提供2,000座600兆瓦發電廠﹐共計$8400億美金﹐等於每GGE單位$2.50美元。

太陽能

用以提供電解水的氫氣電能來源。需要每平方公尺達2,500千瓦(每小時)效率的太陽能版科技,共1億1300萬座40千瓦的機組﹐成本推估約$22兆﹐等於每GGE單位$9.50美元。

風力

用以提供電解水的氫氣電能來源。每秒7公尺的平均風速計算﹐需要1百萬座2百萬瓦風力機組﹐成本約$3兆美金,等於每GGE單位$3.00美元。


生物燃油

氣化廠用氣電共生改良後﹐需要15億噸乾燥生物材料﹐3,300座廠房需要113.4百萬英畝(460,000 km) 農場提供生物材料約$5650億美元。 等於每GGE單位$1.90美元(假設土地不匱乏且地價最便宜狀態)

煤礦

火力發電用氣電共生改良後提供電解水的氫氣電能來源。需要10億噸煤將近1,000座275兆瓦發電廠,成本$5000億美金﹐等於每GGE單位1美元。

以上看出由煤礦的製氫最便宜,但是除非二氧化碳封存技術普及化及實用化,否則產生的高污染會使氫氣科技的環保性蕩然無存。

成本

生產氫的成本是這種能源能否大規模長期使用的重要制約因素。石化燃料雖然名義上看來便宜,但是真實成本是很少被面對的。這些不可再生的能量來源是數百萬年才產生在地球內部,通常用"免費" 來計算生產成本;只計算開採成本。雖然可以以石化工業副產品提供一部份的氫氣需求,但超出此部分後任意瓦數的氫能還是都比其他可再生式能源(例如太陽能) 要貴。

在此前提下,氫氣不見得是長期來看最便宜的能源,因為目前電解製氫和燃料電池科技沒有解決諸多問題。

氫氣運送管線費用很高昂,高過任何電線管路,也比天然氣管線貴將近三倍,因為氫會加速一般鋼管的碎裂(氫脆化),增加維護成本、外洩風險和材料成本。所以要進入氫經濟時代需要大量的管線基礎建設投資才能儲存和分配氫氣到末端的氫能車用戶。
氫氣運送管線成本很高昂[5] 高過任何電線管路、也比天然氣管線貴將近三倍,因為氫會加速一般鋼管的碎裂(氫脆化),增加維護成本、外洩風險、和材料成本。有人提出一種新科技:如果用高壓運送只要多一點管線成本,但是高壓力管需要更多材料打造。

所以要進入氫經濟時代需要大量的管線基礎建設投資才能儲存和分配氫氣到末端的氫氣車用戶。

相比之下電動車的分配管線可以用現成的電線,只要稍微擴充升級就可以達到儲存和分配電力,晚上多數電動車充電時段,其實剛好還有許多發電廠的多餘電力。2006十二月能源部轄下「太平洋西北國家實驗室」做的實驗發現如果全美國都換成電動車,光閒置電力就可以供應它們84%需求。但是電動車一大缺點就是預先充電時間漫長,氫氣車和汽油車則有類似特徵,隨時沒燃料只要灌入燃料就能行駛,便利性比較高,跑長途旅程也比較安全不會有半路停下等充電的窘境。[6]
台灣中油「氫能」的策略與研發現況

2008/11/14

■劉靜君■
台灣中油公司專注於氫能生產、儲存及輸送等氫能供應技術、以漸進式由「石油經濟」過渡到「氫能經濟」。

台灣中油公司根據「經濟部重大能源科技計畫-氫能與燃料電池項目」,政府單位與業界的分工規劃,台灣中油負責氫能生產、氫能儲存、氫能輸送技術研究及供氫環境建構、氫能交通應用示範系統等。

台灣中油公司短中長期的氫能策略是短期(2006~2010):建立示範供氫體系,協助台灣成熟燃料電池利基產品的發展。中期 (2010~2020):利用石化能源發展高效製氫技術與設備,建立完整氫能供應體系。長期(2020~):利用再生能源發展高效製氫技術與設備,並成立氫能供應體系公司。

在短期氫能策略部分,已執行及規劃中的工作項目:94-96 年,台灣中油、台全電機與亞太燃料電池科技公司合作進行經濟部技術處核定的「燃料電池複合動力電動機車應用技術開發計畫」,由台全電機與亞太燃料電池科技公司負責開發生產20部「燃料電池複合動力電動機車」,台灣中油公司油品行銷事業部與煉製研究所負責規劃建立實驗性供氫硬體環境、儲氫罐充填及交換環境規劃與成本分析。

96-98年,進行「小型天然氣重組製氫技術引進」研究計畫,將建置分散式產氫示範系統,進行現場實驗,評估系統性能、操作穩定性、壽命、安全性與經濟性,對小型氫能生產應用技術做完整研究。此計劃生產的高品質氫氣可提供國內燃料電池相關設備使用,及供應台灣中油溶劑化學品事業部生產工廠。

「小型天然氣重組製氫」相關設備已在美國加州洛杉磯太陽谷Harvest Co完成製造,於96年11月進行初步性能測試。啟動後於2.5小時後即達到穩定,全量生產(設定氫氣產量在100%)時,氫氣產量:100.6 m3/hr;CO含量:0.145 ppm。該設備於97年8月運抵台灣中油煉製研究所,目前已完成相關電力、純水、冷卻水、天然氣等公用管線及製氫設備、壓縮機、氫氣灌裝設備間的管線施工及相關安全檢查。預計於97年底進行96小時連續運轉之performance test,接著再進行864小時的耐久性測試。

在中期氫能策略部分,台灣中油公司所屬的煉油/石化廠內有許多座製氫工廠,這些製氫工廠生產的氫氣主要是提供油品加氫脫硫製程使用,根據台灣中油公司資料分析,這些製氫工廠的產能高出需求量許多,過剩氫氣量足夠提供將近500萬部燃料電池電動機車使用。如果未來回收油品加氫脫硫反應所產生製程尾氣(Off Gas)內的氫氣 (氫氣含量達75 mol%以上)的話,則氫燃料所能提供的燃料電池電動機車數量達2,000萬部以上,這些製程尾氣原規劃經由氣體飽和工場進行硫化氫脫除後,送往燃氣系統供廠區加熱爐的燃氣使用,一旦上述氫氣回收系統建構完成,屆時若全台機車均改用燃料電池電動機車,對國家節能減碳成效將有相當大的貢獻。

在長程氫能發展策略部分,台灣中油公司參加經濟部「太陽能產製氫氣科專計畫先期參與」合作研究計畫,引進及開發太陽能產製氫氣相關技術。未來氫能研究將以太陽能等再生能源產氫的研究為主軸,讓台灣中油公司能盡速成為潔淨能源的供應公司。
科學家發現新型水分解催化劑,低價高效

舒超 09/06/2017 明日環境, 明日科學

氫能是地球上最潔淨的能源之一。如果人類能夠通過分解水輕易地獲取氫氣,就不必擔心化石能源短缺的問題。不過,這個技術理論上雖然很簡單,但實際上水分解的過程卻非常複雜,催化反應過程常需要貴金屬參與。

最近,美國休斯頓大學(Houston University)的物理學家發現了一種新的催化劑,只需使用地球上常見的鐵和鎳兩種金屬製造,不僅降低製造成本,分解效率也更高,並且催化劑持久性更強。


電解水

水的分解包含兩個不同的過程:析氫反應(a hydrogen evolution reaction)和析氧反應(an oxygen evolution reaction)。雖然氫氣是目標產物,但如果不產生氧氣,氫氣也無法產生。

高效的氫氣催化劑已研製成功,但一直沒有找到低廉高效的氧催化劑,限制著這一領域的發展。

目前,析氧反應常常依賴於貴金屬催化劑,如銥(iridium)、鉑(platinum)或釕(ruthenium),都非常昂貴,不易獲取。

新型水分解催化劑

休斯頓大學德克薩斯超導中心的首席科學家 Paul C. W. Chu、研究負責人 Zhifeng Ren 和 Shuo Chen 共同在《美國科學院院刊》上發表了他們的發現。

這種新型催化劑是偏磷酸亞鐵(ferrous metaphosphate),長在具有傳導性的鎳泡沫平台(nickel foam platform)上。

論文的主要作者、物理教授 Zhifeng Ren 評價道,從造價上說,新催化劑更低廉,從表現上看,新催化劑性能更佳。測試中,可以持續使用 20 多個小時,參與一萬多次反應。

Ren 說,有的催化劑功能出色,但只能持續使用一兩個小時,實際用途不大。

潔淨的氫燃料

研究人員在論文中闡述了氫氣作為燃料的優點。通過電解水得到的氫氣,是一種潔淨、可持續的能源,可以代替化石燃料,滿足全球日益增長的能量需求。而且,無論是生產源頭還是消耗產物,都是水,整個過程潔淨環保。

與其他如太陽能、風能等潔淨能源相比,氫氣的貯存更加容易。

當前,大多數氫氣都是通過蒸氣甲烷轉化或煤的氣化獲得,但製備過程會提高燃料的碳足跡。

Shuo Chen 認為,這項研究成果或許會帶來一種更加經濟可行的方法,通過電解水獲取氫氣。
每日頭條地球上的水會越來越少嗎?

分類\科學時間\2018-11-27

地球上的氫絕大多數以水的形式存在,換句話說地球上的水的總量取決於氫元素的存量,而氫是不斷的在大氣層頂逸散的,每年從地球外層大氣逃逸的氫約有95000噸——這是個很小的數值,甚至不足以讓氘氫比發生什麼改變。

主要的機制是水分子的光解 ->因較小的密度而上升到大氣頂層 -> 由於麥克斯韋速率分佈或者來自太空的粒子碰撞而超過逃逸速度。當然地球也在不斷的從太陽風裏俘獲氫原子,但是太陽風的速度是400km/s量級,遠大於地球附近逃逸速度11.2km/s。所以,俘獲一個來自太陽的原子,有可能使很多個原子超過逃逸速度。或者說,太陽風雖然會送來數量可觀的氫原子,但也會吹走好多。

一個顯而易見的事實是,地球上的生命一般認為誕生於35億年前的海洋,過了幾十億年地球的海洋平均深度仍然只有區區幾千米,所以地球上的水不大可能是從太陽風裏慢慢積累得到的,個人傾向於在演化初期就已經獲得了大量的水。

另外彗星、流星也會帶來一些水,但是太少了,畢竟現在不是40億年前的重轟炸期。地球每年俘獲的外來天體包括流星隕石等等大概4萬噸,大部分是鐵、鎳、矽、氧等等。畢竟地球離太陽比較近,氫以及氫的主要化合物——水、甲烷、乙炔都很容易被太陽風吹散成氣態,送到更遠的軌道上去了。

至於柯伊伯帶來的彗星,雖然會有較多的冰和甲烷。但是在太陽引力的加速下,掠過地球的速度不會低於每秒三十公里,就不是地球輕易可以俘獲的了。

綜上,地球上的總水量變化是極其微小的,要精確計量應該比很多人想像的難得多,個人更傾向於流失的多於獲得的可能性更大些。

地球形成時的初始物質中存在水分子,地球形成後降到地球上。地球形成後才有了原始氫氧元素,然後在適宜條件下形成水。上地幔岩石圈物質在一定條件下脫水形成。隕石帶來水,彗星帶來,等。可以看出其實就是兩大類觀點:地球自產,地外來源。

目前最常用的對地球總水量的估計值是15億立方千米,來自國際水文學會1970。同時地球上的水仍在緩慢增加。有報道稱每年仍有660立方千米的水從地幔溢出進入地表,同時隕石與宇宙塵每年帶來約1.5立方千米水。1995年波拉衛星觀測發現每天都有數千小屋子一樣大的「雪球」落入地球高空被分解為雲,最終成為地球水量來源。

此外對於原始地球的研究,有一種觀點認為距今40*10^8年前就已存在海洋,但水量只有現在海水的1.49%,大約20*10^8年前增加到接近現在的一半,10*10^8年前增加到78%,5*10^8年前增加到90%。

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