氢动力的未来就在我们眼前。为此做准备需要新的技术,而化学可以提供帮助

气候变化是当今世界面临的最大挑战之一。随着全球各国政府通过使用更清洁、更环保、更可再生的能源来减少温室气体排放,新技术将在塑造社会未来方面发挥关键作用。庄信万丰(JM)是应用科学和可持续技术的全球领导者,正在开发新的解决方案来满足对清洁能源的需求。

清新空气

一排汽车和它们的尾气排放

来源:©Shutterstock

交通运输和发电行业的排放规模使它们成为企业开发更清洁解决方案的明确目标。据估计,这两个行业分别占了全球经济总量的27%和24%2017年英国温室气体排放总量分别。如果考虑到飞往英国的航空和航运的温室气体排放,来自交通运输的温室气体排放将上升到34%。

在全球范围内,各国政府都在与汽车排放作斗争,以帮助创建零排放城市。政府正在立法,通过限制并最终取消汽油和柴油动力汽车的销售,从内燃机转向更可持续的替代品。挪威的目标是在2025年之前消除新的ICE汽车销售,德国的目标是2030年,英国和法国的目标是2040年。

当然,要成功取代化石燃料驱动的基础设施,需要成功实施替代燃料系统。JM拥有超过40年的清洁空气技术研究经验,涵盖整个交通部门,以及减少固定来源(如发电厂)的排放。JM还开创了多项清洁空气倡议,包括催化转化器技术例如,电动汽车的电池材料和氢燃料电池。在这里,我们将重点讨论如何利用氢来提供可持续未来所需的低碳能源。

低碳制氢

在华盛顿车展上展示的未来氢燃料站

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氢在我们的能源基础设施脱碳方面具有巨大潜力。作为一种发电方式,氢具有强大的能量,为我们的火车、飞机、汽车或家用电器提供动力,它带来了许多好处。氢也有可能被用作热源。使用氢作为燃料没有有害排放;氢燃烧的唯一产物是水。

在2015年,据估计,每年对氢的需求已增长到8艾焦EJ - 1艾焦耳等于1018J,约为世界一天的总能源需求。但大部分氢被用作试剂,而不是燃料。它被用于炼油厂以降低燃料中有害的硫含量,用于生产化肥中的氨和甲醇的制造。

如果氢要成为未来的燃料,我们就需要增加产量。要成为真正的环保燃料,这些路线的温室气体排放必须最低,甚至是零。在这些情况下,氢燃料可以成为一种清洁能源,并在不同的市场中有广泛的应用。

得到氢

大部分氢气是通过蒸汽甲烷重整生产的,天然气被分解成氢气和二氧化碳,产生大量氢气。天然气是主要原料,但石脑油等石油馏分也被使用。在世界上的某些地方,氢是通过煤气化来制造的。因此,以这种方式生产氢气会导致全球温室气体排放。

然而,通过将这种方法与碳捕获、利用和存储(CCUS)相结合,可以大幅减少碳排放。JM先进的重整流程是一项独特的技术,与CCUS结合得特别好,降低了每公斤氢气的成本,降低了初始资本成本。在中短期内,如果我们要切实减排,就需要这条路线的大规模和低成本。

从长远来看,电解很可能会发挥更大的作用。非常少量的氢是通过电解产生的——用电将水分子分解成氢和氧。为了尽可能高效地运作,铱和铂催化剂是必不可少的。氢气在成为燃料电池电动汽车的动力之前被压缩。

斯温顿加氢站

来源:©Johnson Matthey

斯温顿加氢站

在JM位于英国斯温顿的工厂——燃料电池组件在那里制造和组装——电解供应当地的“氢枢纽”。位于斯温顿的氢燃料补给站(HRS)与ITM Power合作建造,并于去年9月投入使用-是位于英国各地的大约20个站之一,帮助服务M4走廊和其他路线,最初,电解可能是运输部门制氢的主要路线。

在我们的管道中,氢气也被考虑作为天然气的替代品,例如新的H21北英格兰项目.预计到2050年,H21项目将在英格兰北部以外的地区推广每年减少2.58亿吨碳排放,相当于英国剩余碳减排目标的80%左右。

但是,如果没有对电网进行大规模投资,电解不太可能提供足够的氢气来发挥这些地区的潜力。为了服务于需要大量能源的市场,如供暖(占英国排放量的30%以上)和可调度发电,将需要蒸汽甲烷重整和电解。

氢燃料的用途

氢燃料被广泛讨论的应用之一是用于燃料电池发电。最初开发于19世纪,燃料电池被用于驱动汽车,取代内燃机,或用于固定应用。氢气不使用汽油或柴油作为燃料,而是储存在车辆上的一个油箱中。然后与空气中的氧气反应产生汽车所需的电力。

这种反应的唯一产物是水,这是燃料电池与排放一氧化碳、氮氧化物(NOx),以及废气中未燃烧的碳氢化合物。

JM Swindon工厂专门为汽车应用设计的燃料电池组件用于聚合物电解质膜燃料电池。它由两个主要部件组成:阳极和阴极,由聚合物电解质隔开。在阳极,氢被氧化成H+通过铂金属催化剂;在阴极,H+与氧气结合形成水并发电。JM开发和制造驱动这些关键反应的膜和催化剂,并将其纳入催化剂涂层膜和膜电极组件。

为什么在交通运输中使用氢?

按重量计算,氢燃料具有高能量密度,当在车辆的油箱中加压时,它具有高体积能量密度,这相当于高的行驶里程。

伦敦的氢动力双层巴士

来源:©Pajor Pawel / Shutterstock.com

在运输行业,有两种技术经常被吹捧为化石燃料内燃机的替代品:电池和燃料电池。电池研究在不断改善续航里程、成本和能量密度等因素,但氢的能量密度(按重量计算)比目前的电池高140倍左右。在实践中,这意味着燃料电池汽车仅使用5公斤的加压氢就可以行驶400英里。这种更高的能量密度意味着,对于经常长途行驶的车辆,如长途卡车和部分乘用车,燃料电池是一个可行的选择。对于大部分通常用于短途城市旅行的乘用车来说,电池更有意义。

氢燃料的另一个好处是为汽车加油所花费的时间。由于只需要将5公斤左右的氢气放入车辆油箱,燃料电池汽车可以在短短几分钟内完成加油,与目前的汽油或柴油汽车相当。同样,这使得它在长途应用或那些需要非常高的车辆利用率方面特别有吸引力。

Coradia iLint

资料来源:阿尔斯通/ Michael Wittwer

Cordia iLint是世界上第一列使用氢燃料电池的客运列车,目前在德国运营。

高能量密度和快速加油时间也使燃料电池适用于其他运输方式,包括叉车和火车。事实上,在去年九月,世界上第一辆氢动力火车为德国北部一条62英里长的轨道提供服务。

电池和燃料电池技术在不同的运输应用中表现出色,因此JM一直在这两种技术上进行投资。JM已经开发了其专有的eLNO电池正极材料,同时在其斯文顿工厂研究和生产氢燃料电池的关键部件。

未来的动力

虽然氢燃料的生产、运输和使用方法在未来几年将继续发展,但仍有一个挑战阻碍了氢燃料的广泛采用:基础设施。目前全世界大约有300个加氢站,如果氢燃料要产生预期的影响,就必须通过合作和战略眼光来解决这一问题。根据目前政府和其他利益相关者的目标,到2030年代,加氢站的数量预计将增加到5000个左右。

在私营部门,氢理事会已经成立,以提供长期的愿景,将指导未来的氢能源。由全球许多不同的公司组成,其成员正在努力提供必要的战略,使氢燃料成为清洁能源转型的主要贡献者。2018年,JM以指导成员的身份加入了氢能委员会,因为我们很清楚,这需要来自全球各地的多个合作伙伴来实现氢能为社会提供的全部潜力。通过在该组织中发挥主导作用,我们可以与其他成员合作,共同塑造氢的未来。

氢燃料泵

来源:©Johnson Matthey

由于我们在汽车行业为化石燃料汽车提供催化转换器的传统,我们有能力在供应链的许多部门继续推动低碳燃料的发展。我们拥有数十年的相关经验,生产用于运输和发电市场的燃料电池的关键部件,或授权大规模生产低碳氢的最有效工艺。我们在催化剂开发和技术改造方面的关键研发能力意味着我们可以继续为客户提供必要的专业知识,帮助实现氢的未来。

到2030年在美国,可能会有多达400万辆汽车由氢驱动,大约有500万个燃料电池用于交通和其他市场。预计氢气还将减少供暖和电力部门的排放,大规模的示范运行使关键的部署决策能够在2030年之前做出。

氢动力的未来就在我们眼前。通过投资、政策、研究和创新,氢燃料将有助于实现无碳的未来。

简·布彻(Jane Butcher)是庄信万丰燃料电池业务的总经理
Sam French是Johnson Matthey的业务发展经理
安迪·沃克(Andy Walker)是庄信万丰的技术营销总监
Barry Edmonstone-West是庄信万丰集团战略总监

eLNO是庄信万丰公共有限公司的商标