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        氫能如何助力北京2022年冬奧會(huì)

        2021-04-16 16:38:56許洛袈
        科研成果與傳播 2021年3期
        關(guān)鍵詞:綠氫氫能火炬

        許洛袈

        在北京2022年冬奧會(huì)開幕倒計(jì)時(shí)一周年之際,北京冬奧組委會(huì)正式對(duì)外發(fā)布了冬奧會(huì)、冬殘奧會(huì)火炬外觀設(shè)計(jì),并透露了不少關(guān)于冬奧會(huì)火炬的詳細(xì)信息,其中,采用氫作為燃料是本次火炬設(shè)計(jì)中的科技亮點(diǎn)之一。

        作為一支火炬,最重要的功能毫無疑問是傳遞“圣火”,在此期間,需要保持“圣火”一直處于燃燒狀態(tài),同時(shí)降低下雨天和刮風(fēng)對(duì)火炬火焰的影響,為此對(duì)火炬的材質(zhì)和燃料都有著特殊要求。

        與夏季奧運(yùn)會(huì)相比,冬季奧運(yùn)會(huì)火炬還要兼顧在超低溫環(huán)境下,火炬是否可以正常燃燒,而氫具有質(zhì)量熱值高、擴(kuò)散性好、可燃濃度范圍廣、點(diǎn)火能量低等特點(diǎn)[1],其最小點(diǎn)火能量不足汽油最小點(diǎn)火能量的十分之一(約0.02兆焦耳),因此在低溫下也能迅速點(diǎn)燃。

        不過,單純作為燃料燃燒對(duì)氫來說真是有些屈才了。作為宇宙中最多的元素,在宇宙大爆炸之后的大約4億年后,宇宙溫度降低,無數(shù)的氫原子開始聚集形成恒星,首次核聚變就這么誕生了。在我們生活的太陽(yáng)系中,恒星太陽(yáng)每秒可將數(shù)以億噸的氫轉(zhuǎn)化為氦,并將熱量輻射到整個(gè)太陽(yáng)系。

        科學(xué)家由此得到靈感,利用氫的同位素(氦、氘、氚)獲得了宇宙中最古老的能量,并制造了目前世界上威力最大的核武器——?dú)鋸?。誠(chéng)然,氫彈是恐怖的,但科學(xué)家也發(fā)現(xiàn),當(dāng)氫不再“暴躁”且變得可控時(shí),它或許是解決未來能源問題的關(guān)鍵,因?yàn)闅淙紵蟮淖罱K產(chǎn)物只有水,對(duì)環(huán)境沒有污染。因此氫能也被譽(yù)為21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉碵2],成為了全球新一輪碳減排和碳中和的首選方向,被多個(gè)國(guó)家納入能源戰(zhàn)略部署中。

        我國(guó)在2019年將氫能源首次寫入政府工作報(bào)告,明確將推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同年6月,北京冬奧組委會(huì)發(fā)布了《北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)低碳管理工作方案》。根據(jù)方案,冬奧會(huì)將始終貫徹“綠色辦奧”理念,不僅是接力火炬,北京冬奧會(huì)開幕式賽場(chǎng)上的主火炬也將使用氫燃料。此外,還將示范運(yùn)營(yíng)1000多輛氫燃料汽車、30多個(gè)加氫站,在比賽期間,延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)將有700余輛氫燃料大巴車投入使用。

        就目前而言,氫燃料電池是氫能較為常見的終端應(yīng)用,最早的氫燃料電池主要用于航空航天,為太空飛船和衛(wèi)星提供電力,隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的不斷降低,氫燃料電池才逐漸應(yīng)用于各大領(lǐng)域,包括電力(發(fā)電和備用電源)、交通(汽車、大巴車)、物流運(yùn)輸(叉車、卡車和物流車)、船舶和無人機(jī)等[3]。

        這種燃料電池不燃燒氫,而是將其轉(zhuǎn)化為電能,具體來說,氫燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極和電解液等部件構(gòu)成。氫氣在進(jìn)入燃料電池陽(yáng)極后,發(fā)生可控的催化化學(xué)反應(yīng),分離為質(zhì)子(即氫原子核)和電子。其中,質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,在催化劑的作用下與氧氣相結(jié)合形成水分子(H2O);而電子也從陽(yáng)極出發(fā),經(jīng)過外部電路,最后到達(dá)陰極,并在外部電路中形成電流。因此,氫燃料電池也是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[3]。

        與傳統(tǒng)燃油汽車相比,氫燃料電池汽車在運(yùn)行過程中沒有“廢物”排出,對(duì)環(huán)境友好;與其他類型的電動(dòng)汽車(主要是鋰電池)相比,其在充能和單位體積內(nèi)能量密度上都更具有優(yōu)勢(shì),說白了,就是能跑得更遠(yuǎn),至少大大減弱了電動(dòng)車主的續(xù)航焦慮。另外值得一提的是,在冬季不少鋰電池可能“罷工”的情況下,氫燃料電池還能正常工作。

        不過,氫能的優(yōu)勢(shì)雖然不少,但制約其發(fā)展的瓶頸也很明顯,主要在氫的制備和儲(chǔ)運(yùn)方面。

        據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì),目前全球每年專用氫氣產(chǎn)量約7000萬噸,其中通過化石燃料燃燒所產(chǎn)生的氫氣(灰氫)占比約95%,而藍(lán)氫和綠氫占比很小。

        正因?yàn)槿绱?,?duì)于“氫能是否真的環(huán)保”的爭(zhēng)議也從未停止,因?yàn)樵诨覛涞闹苽溥^程中會(huì)排放大量的二氧化碳,盡管使用的是清潔能源,但生產(chǎn)清潔能源的方式卻并不“綠色”,這無異于“拆東墻補(bǔ)西墻”,并不能解決實(shí)質(zhì)性問題。

        而藍(lán)氫則是在灰氫的基礎(chǔ)上,運(yùn)用碳封存和碳捕捉等技術(shù),減少生產(chǎn)過程中的碳排放,從而實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn),屬于生產(chǎn)技術(shù)的過渡期。

        綠氫,是指通過可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能)搭建電力系統(tǒng),然后再通過電解水的方式制氫,生產(chǎn)的全過程都沒有碳排放。但綠氫制備的裝置——電解槽生產(chǎn)技術(shù)和制造成本都很高,目前只停留于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段,尚未達(dá)到規(guī)?;瘧?yīng)用。

        此外,氫氣的儲(chǔ)運(yùn)在短期內(nèi)依然以高壓氣態(tài)為主,但由于氫氣具有易泄露擴(kuò)散且能量密度高的特性,有潛在的爆炸風(fēng)險(xiǎn),這就對(duì)氫能設(shè)備的安全性提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)安全且高效的氫能儲(chǔ)運(yùn),還有比較長(zhǎng)的路要走。

        話說回來,我們也并不幻想在幾年之內(nèi)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu),我們應(yīng)該更客觀和理性地看待氫能,而本次冬奧會(huì)上的氫能應(yīng)用也體現(xiàn)了中國(guó)在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展上的決心,相信在“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn)下,我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展也將進(jìn)一步提速。

        參考文獻(xiàn)

        [1]孫柏剛,包凌志,羅慶賀.缸內(nèi)直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2021,12(3):265-278.

        [2]趙永志,蒙波,陳霖新,等.氫能源的利用現(xiàn)狀分析[J].化工進(jìn)展,2015,34(9):3248-3255.

        [3]徐自亮,余英,李力.氫燃料電池應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué),2018,20(2):7-17.

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