氢能系统

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什么是氢能系统，氢能系统的意义是什么？

氢能系统包括生产、运输、储存和利用。开发一种有效生产、运输和储存低能量密度氢气的技术尤为重要。氢气被认为是一种清洁且用途广泛的能源载体，因为它可以从各种可再生或不可再生能源中生产，并且具有低碳来源属性，例如使用可再生电力进行电解或蒸汽甲烷重整并进行碳捕获和固态储存。

• 生成：氢气有多种形式，但生产纯氢气的方法是关键。生产氢气的过程包括电解、生物质气化、天然气或其他碳氢化合物的蒸汽重整（包括碳捕获和储存）等。
• 储存：氢储存促进了氢和燃料电池技术在固定式、便携式和运输应用中的发展。氢的单位质量能量是所有燃料中最高的。生产的氢可以以多种方式储存。氢储存技术包括液体和压缩气体储存，以及固态储氢。液态氢在低温容器中，以 1 巴压力、密度为70.8 kg/m3、温度为-253°C的环境下储存。压缩氢在碳纤维增强储罐中以70兆帕的压力储存在轻型车辆中，以 35兆帕的压力储存在重型车辆中。
• 运输：如今，人们使用气态管式拖车或低温液体罐车将氢气从生产地运输到使用地。氢气管道安装在需求量更大（每天数千吨）且将持续多年的地区。在需求正在发展或规模较小的地区，人们使用管式拖车和液罐车。氢气管道、车辆或船舶系统将氢气从生产地运送给最终消费者。
• 利用：氢气作为一种能源载体用途广泛，在各个领域都有广泛的应用。一些关键应用：
  • 运输：为氢动力汽车、公共汽车和卡车提供燃料，也可能为氢动力火车和轮船提供燃料。
  • 工业：用于生产氨、甲醇和其他化学品，并用于石油精炼过程以制造更清洁的燃料。
  • 能源存储：利用可再生能源产氢，以供日后跨季节使用，解决能源长期存储方案。
  • 发电：通过燃料电池或燃烧产生电能。
  • 供暖：用于住宅和商业供暖应用，提供天然气的清洁替代品。

对可持续能源系统的需求正在增长，而基于氢的能源系统可能能够满足这一需求。尽管大规模利用可再生能源生产氢是最终的技术障碍，另外一个重要的实际问题是如何安全有效地存储氢。正在进行的研究和开发工作正在应对这些挑战并充分发挥氢作为清洁能源解决方案的潜力。政府、工业界和学术界之间的合作举措对于加速氢能系统的部署并实现其在实现全球气候和能源目标中的作用至关重要。作为解决世界能源、经济和环境问题的全面、长期解决方案，氢能系统值得国家和地方政府以及商业协会的支持。

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与传统燃料相比，使用氢作为能源载体的主要优势是什么？

氢气作为未来能源载体的潜力提供了多种益处。氢气为实现更可持续、更具弹性的能源未来提供了一条有希望的道路，为应对气候变化、空气污染和能源安全问题提供了解决方案。与501K燃点的汽油相比，氢气的燃点相对较高，为858K。即使点燃，氢气火焰的温度也低于汽油火焰的温度（22318K 对比 2470K）。由于密度低，氢气不会在地面附近积聚，而是会消散在空气中，这与汽油和柴油不同。

• 可再生能源供应充足：尽管生产氢能源可能需要大量资源，但氢能源是地球上最丰富的能源形式。这基本上意味着，与其他能源不同，氢能源不会枯竭。
• 清洁能源：氢气是一种清洁能源，可帮助降低碳排放和环境污染，因为它可以利用太阳能或风能等可再生能源生产。氢气燃烧过程中不会释放温室气体或其他污染物。借助燃料电池，航空业可以从氢气生产中获取饮用水源。
• 氢能无毒：这意味着它对人体健康没有负面影响。由于这一特点，它比天然气和核能等替代燃料来源更受青睐，因为天然气和核能非常危险或难以安全使用。核能是聚变驱动的能源。此外，氢气允许在很多禁止使用其他燃料的地方使用。
• 比其他能源更有效：氢气具有较高的能量重量比（大约是汽油、柴油或煤油的三倍），但比这些燃料更不易燃。与其他燃料相比，氢气每单位重量提供的能量要多得多。相比之下，只有 1% 的汽油浓度在空气中易燃（汽油的可燃性极限为 1-7.6 vol.%）。氢气的自燃温度相对较高，为 858 K，而汽油的自燃温度低至 501 K。氢气点燃后燃烧温度甚至比汽油低 （22318 K：2470 K）。
• 可能用于为航天器和即将推出的氢动力汽车提供燃料：由于其巨大的能量和效率，氢能是航天器的完美燃料来源；事实上，它的能量可以非常迅速地推动航天器执行探索任务。这种能源密集型任务可以用这种能源安全完成。汽油和其他来自化石燃料的燃料的效力比氢能低三倍。要完成一项大工程，理想情况下意味着使用更少的氢气。目前，美国宇航局的太空计划主要使用氢作为燃料。在燃料电池为航天飞机的电气系统提供动力的同时，液态氢用于推动航天飞机和其他火箭。航天飞机的机组人员也通过氢燃料电池获得纯净水。
• 氢燃料电池：燃料电池直接将氢中的化学能转化为电能，产生的副产品只有纯水和热。与传统燃烧技术相比，氢燃料电池的效率可提高两到三倍，同时不会造成污染。几乎所有通常使用电池供电的便携式电子设备都可以由燃料电池供电。除了为汽车、卡车、公共汽车和船舶供电外，它们还可以为传统运输技术提供补充电力。在航天飞机飞行期间，这些燃料电池为电气系统供电。

由于氢气可以安全地从可再生能源中生产出来，而且基本上无污染，它最终将取代电力成为主要的能源载体。此外，它还将用于为“零排放”汽车提供燃料、发电、为建筑物供热和为飞机提供动力。利用氢气减少对石油等外国能源的依赖具有很大的前景。然而，在氢气能够承担更大的能源角色并在许多应用中取代汽油之前，还需要建设许多新的基础设施项目和系统。

氢气生产有哪些不同的方法，SMR 工艺如何生产氢气？

我们使用的气体中，最强的气体之一是氢气，它用于公共汽车、汽车、从卡纳维拉尔角发射的航天器和其他应用。氢气是化学元素周期表中的第一个元素，已被证明是最好的、最古老和最纯净的元素。氢气可以通过多种技术生产，每种技术都有独特的优点、缺点和用途。以下是一些最广泛使用的方法。

• 甲烷重整制氢：该方法涉及在催化剂存在下将甲烷 (CH4) 与蒸汽 (H2O) 在高温和高压下发生反应，生成氢气 (H2) 和一氧化碳 (CO)。
• 电解水制氢：电解是一种利用电能将水 (H2O) 分解为氢 (H2) 和氧 (O2) 的过程。电解主要有三种类型：使用碱性电解质溶液的碱性电解、使用固体聚合物电解质膜的质子交换膜 (PEM) 电解和使用固体陶瓷材料电解质的固体氧化物 (SOE) 电解。电解可由风能或太阳能等可再生能源提供动力，使其成为一种可持续的制氢方法。
• 生物生产：一些细菌和藻类菌株以及其他微生物可以通过发酵和光合作用等生物过程产生氢气。尽管这些技术仍处于研发的早期阶段，但它们有望实现生态友好且可持续的氢气生产。
• 煤气化：煤在高温下与蒸汽和氧气结合，形成合成气，即氢气、一氧化碳和其他气体的混合物，从而实现气化。然后，氢气可以通过额外的加工进行分离和净化。这种方法在经济上仍然可行，并且可用于煤炭储量丰富的地区，尽管由于碳排放，这种方法对环境的益处不如其他解决方案。
• 生物质气化：气化是将生物质固体燃料转化为气体燃料的过程。它是燃料与氧化剂的亚化学计量燃烧。生物质气化主要有四个重要过程。
  1. 烘干;
  2. 热解；
  3. 焚化或燃烧；以及
  4. 还原过程。炭和热解产物（挥发性物质）发生氧化，进而还原为 H2、Co、CH4、CO2、H2O 和 HHC（高级烃）。这是炭和热解燃烧产物中的气态香料之间的非均相反应。
• 热化学水分解：在热化学过程中，将水分子分解为氢和氧的化学反应由核反应堆或聚光太阳能等来源的热量推动。这些程序可以在高温下进行，以高效生产氢气，通常使用金属氧化物或其他材料作为催化剂。
  1. 蒸汽甲烷重整：天然气蒸汽重整是目前最便宜、技术最先进、商业上最成熟的氢气生产方式，主要用于石油化工和化学工业。世界上大部分氢气都是使用这种最流行的技术生产的。在催化剂存在下，将甲烷 (CH4) 与蒸汽 (H2O) 在高压和高温 (700-1000°C) 下结合，可产生一氧化碳 (CO) 和氢气 (H2)。原料制备：甲烷 (CH4) 是天然气的主要成分，通常在工艺开始前作为原料制备。通过净化，可从天然气中去除硫化合物和其他可能使重整工艺中使用的催化剂失活的污染物。

     蒸汽重整：在重整器中，净化后的天然气与蒸汽 (H2O) 在高温（通常在 700°C 至 1000°C 之间）和中等压力下混合。这是一个吸热性极强（吸收热量）的气相转化过程。它需要高反应温度，通常高于 600 K (823 °C)，使用 Fe 或 Ni 基催化剂，这些催化剂通常以 AL2O3 和 MgAl2O4 为载体，压力约为 3 MPa。
     以下化学反应式描述了催化剂存在时蒸汽和甲烷如何反应：
     _CH4 + _H2O ---> CO + _3H2
     该反应产生氢气（H2）和一氧化碳（CO），这是重整过程的关键中间产物。
     水煤气变换反应：WGSR 可提高重整产物的氢浓度；通常会大量形成甲烷。高温变换 (HTS) 发生在约 305°C，低温变换 (LTS) 发生在约 200°C。这会从蒸汽重整过程中产生的一氧化碳中产生更多的氢气和二氧化碳 (CO2)。通过向重整器容器中添加更多蒸汽并利用变换催化剂，可实现此反应：
     _一氧化碳+ 水 --->_一氧化碳+_水
     水煤气变换反应降低了成品氢气中不希望有的一氧化碳浓度，并有助于提高氢气产量。
     气体分离和净化：重整器的产品气体中含有氢气、二氧化碳、一氧化碳、残留甲烷和微量污染物。产生的气体经过净化过程，去除二氧化碳等污染物，获得纯度高达 99.99% 的氢气。为此，可以使用各种净化技术，包括膜分离和变压吸附 (PSA)。
     热回收和能源整合：重整过程中会产生大量热量，这些热量可以回收并用于加热进料或产生蒸汽供其他工业过程使用。使用能源整合技术可以提高氢气生产过程的整体效率。

如何使用不同的技术来储存氢气？

氢能正迅速成为二十一世纪的首选能源。对于交通运输、便携式电力和固定电源等领域的氢能和燃料电池技术的发展，氢气存储是一项至关重要的推动技术。氢气是所有燃料中单位质量能量密度最高的燃料，但由于其在环境温度下的密度低，因此单位体积的能量密度也较低。因此，需要开发先进的能量密度存储技术。无论是用于汽车加油站等固定式大容量存储，还是用于工业的并排氢气生产厂，还是作为清洁能源消费，对氢存储的需求都补充了对氢的需求。下面列出的氢存储技术值得注意：

• 液氢 (LH2)：如今，储存大宗氢气的首选方法是液氢储存，这种方法也具有出色的安全记录。由于氢气在 1 个大气压下的沸点为 -253°c，因此液氢储存需要低温。液氢储存在低温罐中，需要先进的隔热材料来保持低温。大量（每天 10-30 吨）的氢气通常在生产现场液化，然后通过 11,000 加仑的 LH2 油罐车运输到全国各地，而不会产生任何蒸发损失，用于工业氢气生产设施。遗憾的是，液化需要大量能量——通常为氢气热值的 30%——这增加了氢气相对于气态氢的成本。在可预见的未来，LH2 可能仍将是大宗、固定式氢气储存的主要方法。车载 LH2 系统具有最高的氢 (H2) 质量分数和最低的系统体积之一，同时具有接近于零的开发风险、良好的快速填充能力和可接受的安全特性。
• 压缩气态氢 (GH2)：将氢气以气体形式储存通常需要高压罐（350-700 bar [5000-10,000 psi] 罐压）。车辆压缩氢气系统包括 34.5 MPa (5000 psi) 气态氢，存放在碳纤维缠绕压力容器中，内胆塑料或金属。这些系统提供高重量分数、快速加氢能力、对基础设施的影响最小、由于压力容器固有强度而具有高安全性，并且几乎没有开发风险。较大规模的 LH2 生产设施及天然气重整厂等都可以实现压缩气体储存。因此，存在可行的 H2 基础设施过渡途径。这些因素使室温压缩气体储存成为 PEM 燃料电池汽车的首选燃料储存方法。GH2 的体积比 LH2 大得多，但仍具有固定氢气储存的相同优势，例如稳定性和无蒸发损失。即使考虑压缩费用，高压气态氢也比液氢便宜。
• 金属氢化物：氢化物储存涉及将氢与固体材料（例如金属氢化物或复合金属合金）进行化学结合。当氢被材料吸收时，它会形成稳定的化合物。储存的氢可以通过加热或减压释放。与压缩气体储存相比，氢化物储存具有高存储密度，并且可以在较低压力下运行。然而，氢吸收和释放的动力学可能较慢，这限制了它在某些情况下的应用。
  • 金属氢化物可分为两种类型：低分解温度的氢化物和高分解温度的氢化物。低温氢化物的 H2 含量低 (-2%)。高温氢化物需要热源来产生高分解温度 (-300 °C)。这两种系统都具有良好的安全特性和相当密集的 H2 存储。金属氢化物用于车辆储氢的操作要求与 PEM 车辆系统不太匹配，或者说它们太重了。除非在获得高重量分数、低温、低分解能和快速充电时间方面取得重大进展，否则金属氢化物不会成为 PEM 燃料电池汽车的合适存储介质。重金属氢化物系统的重量不是固定存储的缺点。
• 碳吸附：气态氢吸附到碳表面可实现超过液态氢的存储体积密度。高压和低温，尤其是低温，可显著提高粘附能力。事实上，碳吸附剂系统中的大部分氢都以气态形式保存在碳吸附剂的间隙体积内。碳纳米纤维是一种独特的碳吸附材料，它有可能通过利用一种完全不同的氢存储方法显著提高存储容量。然而，系统特性分析仍处于推测阶段，因为纳米纤维的研究和评估仍处于早期阶段。

运输和储存氢气面临哪些障碍和限制？

运输：氢气的运输和储存可能是扩大氢能经济的一个潜在挑战。在所有气体中，氢气的密度最低，与最少量的空气结合时会着火。由于氢气的体积能量密度低，运输、储存和最终运送到应用地点的成本可能很高。当管道无法长距离输送时，氢气通常以液态形式在超级绝缘低温罐中提供和运输。此外，还可能存在安全问题。目前存在的最低限度的基础设施可能无法维持氢气作为能源的广泛使用。管道是全球运输氢气的主要手段。然而，为了减少泄漏和脆化，管道的建造必须符合更严格的要求。作为替代方案，氢气可以作为液态有机氢、甲醇和氨来运输。将这些燃料转化为能源的成本更高。对于小批量运输，用卡车运输氢气可能是一个切实可行的选择。

氢气储存：氢气需要冷却至低温（-253°/-423°F）才能液化。氢气液化后，可在液化厂的大型绝缘罐中以极低的温度保存。液态氢可以供应和储存，但要分配，它必须最终蒸发成高压气体。氢气液化需要能源；目前，它消耗了氢气能量含量的 30% 以上，而且成本高昂。此外，一定数量的已储存的液态氢会“沸腾”或蒸发，特别是在具有高表面积体积比的微型罐中。氢气液化是必不可少的能源密集型过程，将温度保持在足够低的水平以进行长距离运输和储存会导致额外的能源损失和相关费用。这提高了使用氢气作为能源的整体成本。目前氢气储存系统的重量和体积过高，导致与传统石油燃料汽车相比，车辆续航里程不足。氢气的能量密度几乎是汽油的三倍，按质量计算为每千克 120 MJ，而天然气为每千克 44 MJ。但按体积计算，情况就不同了；汽油的密度为每升 32 MJ，而液态氢的密度为每升 8 MJ。

所有储氢方法面临的一个问题是能源效率。氢气进入和离开的能量要求是可逆固态材料所关注的问题。化学氢化物储存对生命周期能源效率构成了障碍，因为副产品是在机外再生的。此外，对于压缩氢和液态氢技术，都需要考虑压缩和液化所涉及的能量。储氢系统的耐久性不足。

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燃料电池技术如何利用氢气发电？其在各个行业有哪些潜在应用？

燃料电池技术将氢燃料中储存的化学能通过电化学过程直接转化为电能。以下是其工作原理：
氢燃料：燃料电池系统从氢气 (H2) 供应开始。之所以选择氢气，是因为氢气储量丰富，可从各种来源生产，包括水、天然气和可再生资源，如生物质或使用可再生电力电解水。
阳极（负极）：氢气被输送到燃料电池阳极。在阳极，氢分子通过称为电化学氧化或氢氧化反应的过程分解为质子（H+）和电极（e-）：

氢₂ ----> 2H ^{++ 2e-}

电解质：阳极产生的质子会穿过电解质膜。电解质是一种特殊材料，它只允许带正电的离子（如质子）通过，同时阻挡电子。该膜可防止氢气和氧气混合，并促进离子移动。
阴极（正极）：同时，氧气（通常来自空气）被供应到燃料电池的阴极。在阴极，氧分子与通过外部电路的电子（提供电力）和通过电解质膜的质子发生反应，从而形成水：

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- -----> 2H ₂ O

电路：当电子通过外部电路从阳极流向阴极时，它们会产生电流，可用于为电气设备供电或为电池充电。

水和热：这种电化学反应的唯一副产品是水蒸气和热。水蒸气通常作为无害废气释放，产生的热量可用于各种用途，例如加热建筑物或作为热电联产 (CHP) 系统的一部分。总体而言，燃料电池提供了一种清洁高效的发电方式，当使用氢作为燃料时，水是唯一的排放物。这使得燃料电池有望用于广泛的应用，包括运输、固定发电和便携式电子产品。

各行业应用：

燃料电池技术因其多功能性、效率和环境效益而在各个行业具有广泛的潜在应用。燃料电池可应用的一些重要行业包括：

1. 交通运输：燃料电池可为电动汽车 (FCEV) 提供动力，为传统内燃机汽车提供替代方案。FCEV 具有续航里程长、加油时间短和零尾气排放等特点，适用于各种交通运输应用，包括汽车、公共汽车、卡车，甚至火车和海上船舶。
2. 固定发电：燃料电池可用于为家庭、企业和机构分配发电系统。它们可以提供可靠而高效的发电，特别是在电网基础设施不可靠或无法连接电网的地区。燃料电池还可以与太阳能和风能等可再生能源相结合，形成混合发电系统。
3. 备用电源和电网应用：燃料电池非常适合为医院、数据中心、电信设施和应急响应中心等关键基础设施提供备用电源。它们还可用于离网应用，例如远程电信塔、远程监控站和军事设施。
4. 物料搬运设备：燃料电池可以为仓库、配送中心和制造工厂中的电动叉车、托盘搬运车和其他物料搬运设备提供动力。与传统的电池供电设备相比，燃料电池驱动的车辆可延长运行时间、缩短加油时间，并在整个工作班次中保持稳定的性能。
5. 航空航天：燃料电池可以用作飞机的辅助动力装置 (APU)，提供电力和其他机载服务，减少对传统化石燃料 APU 的依赖并提高效率。
6. 海事应用：燃料电池可用于为船舶上的辅助系统供电，减少排放并提高效率。氢燃料电池还可用于内陆水路运输和短途海运的燃料电池驱动船舶。
7. 军事和国防：燃料电池在军事应用方面具有诸多优势，包括静音运行、减少热量特征和提高能源独立性。它们可以为各种军事装备供电，包括无人驾驶飞行器 (UAV)、地面车辆和野外士兵的便携式电源系统。

总体而言，燃料电池技术有可能通过提供清洁、高效和多功能的发电解决方案来彻底改变多个行业。持续的研究和开发工作旨在提高燃料电池的性能、降低成本并扩大其应用范围。

解释“氢能经济”的概念及其对未来能源系统的潜在影响？

“氢能经济”的概念实际上围绕着利用氢作为一种多功能能源载体来促进向低碳或碳中性能源系统的过渡。这需要在传统脱碳方法可能不可行或无效的各个领域使用氢。氢可以通过各种方法生产，包括使用风能或太阳能等可再生能源进行电解，或通过重整过程（如蒸汽甲烷重整 (SMR)）结合碳捕获和储存 (CCS) 来减轻排放。一旦生产出来，氢可以用于多种应用，包括运输（燃料电池汽车）、工业过程（如钢铁和水泥生产）、供暖和能源储存。氢经济设想了一种基于氢（一种无碳能源运输工具）的能源输送系统。燃料电池将利用氢气发电，产生热量和水蒸气作为副产品。
在此背景下，氢能的优势在于它能够作为一种清洁、多功能的能源载体和多功能能源载体，能够高效储存和运输，并应用于经济的各个领域。通过将氢能融入各种行业和活动，旨在减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，并最终减轻气候变化的影响。

氢是一种合成能源载体，它作为其他过程产生的能量载体，通常是通过电解水产生。但此操作需要额外的能量来压缩、液化、运输和储存。尽管氢可能是固定用途的电网电力的竞争对手，液态合成碳氢化合物将核能或可再生能源产生的氢与生物质或收集的二氧化碳中的碳混合，有可能成为未来的能源载体。即使采取了降低成本的措施，氢能经济的可持续性取决于它与其他选择相比的能源效率。此外，与目前的液态碳氢化合物分销网络不同，改用氢需要大量的基础设施投资。分析生产、包装、运输、储存和转移程序与交付氢的能量含量的关系对于评估氢经济的能源需求是必要的。该分析考察了代表的技术解决方案，以评估整个能源供应和分配系统的可行性和氢能经济性。它基于来自行业和物理学的数据。

氢气生产技术取得了哪些进步以提高效率并降低成本？

制氢技术的进步正在加速实现具有成本竞争力和可持续性的制氢进程，这是氢气作为清洁能源载体广泛应用的必要条件。

• SMR工艺：SMR 或蒸汽甲烷重整是一种广泛使用的制氢工艺，尤其是在工业应用中。提高生产力、减少温室气体排放和降低产量是蒸汽甲烷重整 (SMR) 工艺发展的主要目标。
• 催化剂：SMR工艺中使用的催化剂是镍基催化剂镍氧化铝 (Ni/Al2O3)，它具有高催化活性、高热稳定性和机械稳定性，并且适用于多种原料。这些催化剂在重整中发挥着重要作用。SMR 的问题仍然存在，因为催化剂表面的碳沉积会导致催化剂随着时间的推移而失活。催化剂的活性会因碳质物质的产生而降低，因此需要定期再生或更换。为了提高 SMR 催化剂的稳定性和耐用性，研究人员正在不断研究尖端催化剂成分和独特的催化剂载体。
• 碳捕获和利用：当 SMR 与碳捕获系统集成时，可以捕获和利用过程中产生的二氧化碳排放。通过将捕获的二氧化碳用于不同用途，包括化学合成或生产合成燃料，这不仅可以减少对环境的影响，还可以提高 SMR 工艺的整体效率。
• 电解：电解是将电能转化为化学能的过程。电解的进步是为了提高效率并降低成本。以下是一些需要改进的领域：
• PEM 电解：质子交换膜 (PEM) 电解是一种很有前途的制氢方法，尤其是因为它具有高效率、快速响应时间和可扩展性的潜力。
• 电催化剂：铂电催化剂通常用于 PEM 电解槽，因为析氢反应既具有催化作用，又具有较高的芯电阻。降低析氢反应催化剂（铂）的成本是研究人员的目标。钯比铂便宜，且具有相似的电解活性。PEM 系统的成本明细。百分比可能因制造工艺而异，但成本主要由电堆组件决定。
• 膜：在 PEM 电解中，全氟磺酸膜 (PFSA) 用作固体电解质电极组件。它也被称为 Nafion。PEM 电解膜以其低交叉、耐高温 (>100°c) 能力和出色的机械阻力而闻名。PEMWE 中的交叉会导致膜破坏和电堆故障。氢和氧的反应是高度放热的，导致局部加热，最终会破坏膜。当电解器在高压（高达 350 bar）下运行时，这个问题尤其重要。这种膜的缺点是成本高。许多研究人员正在研究膜以降低其成本。提高 PEM 的耐久性对于电解系统长时间正常运行至关重要。应开发具有更高化学稳定性、机械强度和抗恶劣操作环境（例如高温和高压设置）降解能力的膜。
• 电池组组件：PEM 电解电池组的性能和耐久性取决于其组件。双极板、集电器和膜电极组件 (MEA) 是关键组件。例如，对于 PEM 电解，电池组在系统总费用中所占的份额可达到 52%。PEM 电解研究人员的目标是降低氢评估 (HER) 催化剂的成本。电池组和系统工程是最有可能节省成本的地方，而不是碱性电解技术。PEM 电解呈现出一种独特的情况，因为材料和电池组组件成本预计会下降（即双极板设计和集电器）。
• 生物质气化：生物质气化制氢技术的进步主要集中在提高效率和降低成本。这涉及温度管理、气体净化技术和反应器设计的改进，以最大限度地提高效率并提高氢气纯度。
• 催化剂：在生物质气化中，催化剂是必不可少的，因为它们有助于将生物质原料转化为富含氢的合成气。研究人员仍在努力创造新的催化剂材料和配方，以改善气化动力学，产生更多的氢气，并使催化剂更耐用。这些改进最终将提高生产率并降低生产成本和使用成本。
• 焦油去除：生物质气化过程中产生的焦油化合物可能会损害下游机械并降低氢气生产工艺的生产率。人们正在研究焦油去除技术的发展，如催化焦油裂解和焦油重整，以减少焦油的形成并提高合成气的质量，从而降低运营成本并提高工艺效率。利用可再生能源可以减少与氢气生产相关的能源消耗和温室气体排放。
• 光电化学 (PEC) 水分解：PEC 水分解利用半导体将太阳能直接转化为氢燃料。材料科学和纳米技术的进步使得开发更高效、更稳定的 PEC 电池光电极成为可能，旨在提高整体效率并降低成本。

氢能在向可再生能源转型过程中发挥什么作用？它对脱碳努力有何贡献？

氢气的独特品质使其成为能源转型的重要推动力，对能源系统和终端应用都有好处。氢气在不同行业的脱碳中发挥着不同的作用。

• 允许有效和广泛地整合可再生能源：电力行业波动的电力供应与需求之间的不匹配带来了挑战，尤其是当间歇性可再生能源被更高程度地整合到电力结构中时。这种整合占电力结构的 40% 以上，由于电力存储能力有限，因此需要提高运营灵活性和存储选项。氢气作为一种解决方案应运而生，为提高能源系统的灵活性和效率提供了显著的好处：
• 电解产生过剩电力：在电力供应过剩期间，可以通过电解产生氢气，作为停电期间的备用电源，或用于交通、工业或住宅等各个领域。它有助于提高多余电力的价值，并且可以集中或分散部署。氢气的快速开启/关闭功能使其能够有效缓解极端天气条件下可再生能源供应的急剧下降。
• 长期无碳储存介质：由于其独特的功能，氢气是长期、无碳季节性能源储存最有前途的选择。虽然电池和压缩空气等其他技术可以帮助平衡能源供需，但它们缺乏季节性波动所需的容量或持续时间。尽管抽水蓄能在全球占据主导地位，但氢气作为大规模长期储存的替代品具有潜力。氢气储存，尤其是地下储存，已经很成熟，并有望在技术进步和对可再生能源日益依赖的推动下得到扩展。
• 跨行业和地理区域分配：出于多种原因，可再生能源的分配对于电网来说是必要的。一些国家，如日本，不适合仅使用太阳能或风能发电。其他国家可能需要时间才能筹集到所需的资金。在某些情况下，进口可再生能源可能更具成本效益，例如将廉价的太阳能从阳光地带国家转移到阳光较少的地区。氢及其化合物的能量密度很高，易于运输，这使得它们可用于高效、灵活的能源再分配。通过管道运输氢气的效率很高，几乎可以达到 100%，使其成为长距离运输可再生能源的经济有吸引力的选择。这一特性对于从可再生能源丰富的地区（如中东）进口氢气到能源需求高的地区（如欧洲）特别有利。目前，氢气通过管道和管道拖车运输，随着需求的增加，预计未来 15 年成本将下降 30% 至 40%。总体而言，高效的氢气运输对于支持向可再生能源转型和实现脱碳目标具有巨大潜力。

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• 充当提高系统弹性的屏障：氢的高能量密度、长期存储能力和适应性使其成为平衡全球能源存储与不断变化的能源需求的可行选择。目前，化石燃料约占能源系统最终年度总消费量的 24%，即约 90 艾焦耳，主要用作备用容量。随着消费者和电力行业转向可再生能源等替代能源，化石燃料可能变得不那么必要。与最终用途应用兼容的能源载体（如氢、生物质、合成燃料、生物燃料和化石燃料）的组合是一种更有效的能源缓冲策略。在减少对化石燃料的依赖的同时，这种组合提高了灵活性和适应不断变化的能源消费模式的能力。
• 交通运输脱碳：目前，交通运输行业以石油燃料为主，占燃料总消耗量的 96%，占全球碳排放量的 21%。燃料电池电动汽车 (FCEV) 对该行业的脱碳至关重要。虽然插电式混合动力汽车 (PHEV) 和混合动力汽车 (HEV) 等高效混合动力汽车正在减少排放，但部署零排放汽车，如电池电动汽车 (BEV) 和 FCEV 或两者的混合动力组合，对于实现完全脱碳必不可少。快速充电电动汽车 (FCEV) 具有多种优势，包括 500 公里的续航里程，可让它们在加油站之间行驶很长的距离，充电时间短至 3 至 5 分钟。此外，它们对储存能量的低敏感性使它们非常适合用于对能量要求高的车辆。预计 FCEV 将用于各种交通运输应用，包括公交车、非电动火车、重型车辆和脱碳乘用车。目前正在研究氢基合成燃料在航空和航运领域的应用。
• 降低工业能源消耗的碳排放：目前，天然气、煤炭和石油是工业排放的主要来源，约占全球排放量的 20%。为了减少排放，工业必须专注于提高能源效率，包括废热回收，以降低能源消耗。蒸汽电解技术可以帮助将废热转化为氢气，从而提供一种潜在的解决方案。降低低品位和高品位工艺热源的碳排放至关重要。对于低品位热源，选项包括热泵、电阻加热和氢气。当氢气是化学工业的副产品或需要不间断电源时，如燃料电池，它提供零排放加热，氢气特别有利。降低高品位热源（高于 400°C）的碳排放具有挑战性。根据当地情况，氢气燃烧器可以补充电加热。由于能源系统的限制，一些地区可能更喜欢氢技术而不是电力。目前，工业界在低品位热源应用中使用氢气，如工艺加热和干燥。未来，氢燃烧器和燃料电池的混合使用可能会满足低级和高级热能需求。虽然燃料电池效率更高，可同时提供热能和电能，但部署燃料电池需要大量投资。而燃烧器只需要对现有设备进行调整。