李鑫圣

(西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850000)

新能源是區(qū)別于傳統(tǒng)能源的非常規(guī)能源，過度依賴常規(guī)不可再生能源極易引起環(huán)境問題，且常規(guī)能源地理分布極不均衡，因此以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)的新能源逐步被重視。目前，開發(fā)較為成熟的新能源主要以太陽能、風(fēng)能、核能與生物質(zhì)能為主，但太陽能、風(fēng)能存在間歇性、波動性與隨機(jī)性，在傳輸、儲存等后續(xù)過程中存在諸多問題[1]。核能的安全標(biāo)準(zhǔn)與核廢料的處理方式仍需進(jìn)一步提高和改進(jìn)[2]。生物質(zhì)能分布零散[3]，亦給使用帶來了較大不便。

1 氫能

1.1 氫能發(fā)展歷史

氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，也是?yīng)對氣候變化綜合解決方案的重要手段。1970年，“氫經(jīng)濟(jì)”被首次提出。1976年，美國斯坦福研究院研究了氫經(jīng)濟(jì)的可行性。當(dāng)今世界多國都非常重視氫能[4]。我國對氫能的研究始于20世紀(jì)70年代，在同期進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性燃料電池的研發(fā)工作。為進(jìn)一步推動氫能發(fā)展，21世紀(jì)初，氫能即被列入本世紀(jì)第一個五年計(jì)劃。

1.2 氫能特點(diǎn)

作為二次能源，氫能被稱為世界上最干凈的能源，相對于常規(guī)能源燃燒生成的SO2、NO等有害產(chǎn)物，氫能燃燒產(chǎn)物僅為水。氫的熱值是焦炭的4.5倍，相同情況下，氫能放出的熱量更高。相對于常規(guī)能源的復(fù)雜分布情況和二次能源的難以儲存問題，氫能來源廣泛，可利用電解技術(shù)、光解技術(shù)、化石燃料副產(chǎn)品加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)制備目的，便于儲運(yùn)，適用于大規(guī)模儲能。氫的大規(guī)模儲運(yùn)，高度依賴技術(shù)進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。我國在加氫站建設(shè)的快速發(fā)展下，氫能發(fā)展取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

1.3 氫能意義

氫能作為緩解能源污染、提高能量儲存轉(zhuǎn)化效率、構(gòu)建安全高效現(xiàn)代能源體系的綜合解決方案，對未來的能源系統(tǒng)至關(guān)重要。由于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈較長，因此氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也可帶動經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展。

2 應(yīng)用

2.1 后級儲能

21世紀(jì)以來，世界各國對可再生能源領(lǐng)域投入了大量資源，以風(fēng)能、太陽能為主要對象的新能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，我國亦十分重視。2020年3月，由黃河水電開發(fā)公司承建的青海省太陽能光伏發(fā)電站已并網(wǎng)發(fā)電，該電站是世界第二大電站。

隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的發(fā)展，電力輸送和綜合消納問題逐漸浮現(xiàn)。由于太陽能與風(fēng)能具有隨機(jī)性，導(dǎo)致部分電能品質(zhì)較差，不能被利用和存儲。氫能作為現(xiàn)代綠色儲能技術(shù)中最適合的方式，通過收集兩者廢棄的能量，可以有效提升風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電中電能的儲存與運(yùn)輸效率，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 氫能儲能方式結(jié)構(gòu)圖

2.2 氫燃料電池

燃料電池有助于實(shí)現(xiàn)氫能的便攜化、普及化。氫燃料電池通過電化學(xué)方式產(chǎn)生水和熱，對環(huán)境無污染，發(fā)電效率可達(dá)到50%以上。氫燃料電池運(yùn)行噪音小，適合在室內(nèi)安裝，可被廣泛應(yīng)用于通信、住房、交通等各種場合。氫燃料電池在航天領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。2008年，美國波音公司成功地在西班牙試飛了氫燃料波音飛機(jī)。2020年，ZeroAvia公司宣布經(jīng)改裝后的六座氫動力飛機(jī)完成了環(huán)形試飛并成功降落。同年，我國開發(fā)的氫動力無人機(jī)續(xù)航時間打破了世界記錄。這些成果都表明，氫燃料電池在商用領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈部分產(chǎn)業(yè)見圖2。

圖2 氫燃料電池產(chǎn)業(yè)圖

2.3 氫動力汽車

新能源汽車指使用非汽油能源發(fā)動機(jī)的汽車，包括燃料電池動力、混合動力、氫能源動力等。新能源汽車產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展(見表1)，目前新能源汽車所用的電池以鋰電池為主，一般為磷酸鐵鋰電池和鋰硫電池，前者材料耐低溫性較差，后者可循環(huán)周期較短，安全性較低。這兩種電池，都未完全實(shí)現(xiàn)碳中和，存在一定的不足。氫動力汽車生成物是水，沒有硫和其他有害物質(zhì)，所以氫電池相對燃油和鋰電池具備較大優(yōu)勢。氫能源成本也在逐漸降低，未來新能源汽車的發(fā)展方向仍會以氫動力汽車方向?yàn)橹鳌?/p>

表1 我國近年新能源汽車銷售情況

2.4 工業(yè)原料

氫氣除了作為絕佳的儲能材料外，也可作為工業(yè)原料用于石油煉制、合成氨、焊接、食品工業(yè)等方面。

2.5 富氫水

富氫水是含有一定濃度氫氣的水。富氫水的制備技術(shù)在一定程度上已比較成熟。富氫水通過飲用或作用于皮膚，可改善因皮膚老化而產(chǎn)生的色斑、皺紋等，其在醫(yī)學(xué)、體育及美容領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

氫能作為一種可再生能源，可通過多種方式制備，將節(jié)約大量的不可再生資源，其在新能源領(lǐng)域也具有大量且廣泛的應(yīng)用。多項(xiàng)研究表明，氫能在未來能源發(fā)展中將起到重要作用，有著非常高的應(yīng)用潛力，并且氫能的成本將會隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而日益降低。在倡導(dǎo)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的情況下，氫能正越來越受到世界各國的重視。應(yīng)加大對氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入，積極制訂氫能發(fā)展規(guī)劃，使我國氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。