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复合能源系统的开发以氢能为基

2021-08-03 07:49:01| 来源:| 编辑:| 点击:1次

复合能源系统的开发以氢能为基

氢能是指以氢及其同位素为主导的反应中或在状态变化过程中所释放的能量,其燃烧性能好、热值高、用途广泛、来源丰富、清洁无污染等优良特性决定了氢能在未来能源体系中的主导地位。随着科学技术的不断进步,氢能将与各类新型清洁能源(如太阳能、风能、地热能、生物质能等)形成复合能源系统,成为与电能共生的二次能源体系而造福于人类社会,形成可持续发展的能源生态经济。

一、氢能--太阳能复合能源系统

太阳能发电技术是利用太阳能来生产电力的技术。目前主要存在两种途径:一种是把太阳能转换为热能,利用热能发电;另一种是利用特殊半导体材料的光电效应将太阳能直接转换成电能。该两种方式目前都存在发电负荷不能调节的弊端,一定程度上限制了太阳能的利用和发展。氢能一太阳能复合能源系统的建立,在通过太阳能与化学能转换,电解水制氢;太阳能转变为热能,热化学循环分解水制氢;或是直接利用太阳能紫外光能量光解制氢河有效地实现氢能一电能共生体系,以保证太阳能的优化利用。 电解水制氢是最基本的、成熟的、传统的制氢方法,具有产品纯度高和操作简便的特点。

利用太阳能电解水制氢并用氢气作为中间载体来调节、贮存转化能量,可显著降低成本,并实现供电系统用电峰谷调节,达到储能目的。热化学循环分解水制氢虽然在工艺、设备方面存在很多不足,但其能源效率高、能耗小、制氢成本低,在热化学循环反应设计中,通过高温(625-725℃)下反应妨增加(ΔS>0)、低温(225℃)下反应墒的减少(Δs<o),有效提高热利用率,降低组合反应的整体自由能变化,减少功耗二光分解法制氢是基于光量子可以使水和其他含氢化合物分子中氢键断裂的原理,利用太阳能中紫外光的能量来光解制氢,主要光分解制氢方法包括:光催化法、光电解法、生物光解法等,研究热点主要是利用金属有机化合物来光解制氢,但由于效率低、工艺材料的研究不足,距离高效、大规模制氢尚有差距 基于我国国情和能源的优化组合,在新疆、西藏等太阳能资源非常丰富的地区,可根据地域特点开发多点分散的氢能一太阳能复合系统。在大面积的沙漠地区,建立大规模的太阳能系统,并利用沙漠丰富地下水库资源水解制氢,形成我国西部绿色能源基地。

二、氢能--核能复合能源系统

半个世纪以来,核能的开发都是应用核裂变原理,这种裂变方式除”快堆”以外,最终是要耗尽地球上有限的铀资源,同时其产生的废气、废水和固体废物等三废的处理是其开发利用的重要一环,而被称为”能源之王”的氢能的核聚变反应因其具有质能高、原料充足、不污染环境、安全性高等优点而具有广阔的应用前景,也被称作”人造太阳”。但由于热核聚变反应要求的温度太高(108K),现有耐高温材料难以胜任,这就要求必须将热等离子体约束在一定区域的范围内。目前科研人员主要在磁力目约热核反应和激光引发热核反应等技术方面进行研究。 作为氢能的组成部分,核聚变反应原料是海水中取之不尽的氛,而且没有放射性污染。通过利用核聚变产生热能、电能高温电解水蒸气,可从每50吨水中电解产生5吨氢,其中有1公斤的氖,将氖源引人核聚变反应,可产生1.8亿千瓦的能量,相当于10公斤铀或2万吨煤所产生的能量。氢能一核能复合能源系统的建立可有效实现能源的循环利用,即达到能源的清洁生产,也实现了氢能一核能经济的生态效应。

三、氢--生物质能复合能源系统

生物质能是以生物质为载体的,由太阳能转换而来,通过地球上的绿色植物、藻类和光合细菌通过光合作用储存的化学能。生物质是指一切有生命的可以生长的有机物质,包括动植物和微生物。生物贡能的开发一方面解决了能源,另一方面也改善了环境,同时还可以就地取材、降低能源输送成本,在我国广大农村得到广泛的应用。 在自然界中,有不少生物在新陈代谢过程中就能放出氢气,如生长在土里或植物根上的一些细菌,以及属于水生藻类的蓝藻、红藻、褐藻、绿藻等,都能放出大量的氢气。国外已设计一种应用光合作用细菌产氢的优化生物反应器,通过采用各种工业和生活有机废水及农副产品废料为基质,进行光合细菌连续培养,在产氢的同时可净化废水并获得单细胞蛋白,一举三得,具有广阔发展前景。随着空间探索的发展,生物制氢、建立氢能一生物质能复合系统,在宇宙航行中也将大有作为,光合菌利用阳光的能量分解一些含有氢原子的化合物,可连续放出氢气,以供航天器作为燃料使用。

另一方面,一些厌氧菌和兼性厌氧菌(如大肠杆菌),以碳水化合物、蛋白质为基质,通过发酵可生成氢气、酒精等物质。通过收集该类细菌建立微型”氢气制造厂”,再将氢气与含氧材料复合作用可释放出大量负电荷,由此可形成小型生物电池,可在一些小型电器设备、电动工具方面得到有效应用。 超临界水中生物质催化气化制氢是生物质产氢的一种新技术,是在超临界水中进行生物质的催化气化,生物质的气化率可达到100%,气体产物中H。的体积百分含量甚至可超过50%,反应不生成焦油、木炭等副产品,不会造成二次污染,具有全程良性循环的特征,因此具有良好的经济前景和环保优势。但由于超临界水气化所需的反应温度和压力对设备和材质的要求较高,目前研究还停留在实验室阶段。

在新能源体系中,风能、地热能、海洋能作为清洁能源、可再生能源,同样得到了人们的广泛重视和应用。但在能源开发中,同样存在发电负荷不可调节、电能不可储藏、电能传输损耗大等不足,通过建立以氢能为基的复合能源系统、形成氢能一电能共生循环体系,可以有效实现能源的优化组合、利用,形成良性循环发展、清洁生产的能源生态经济。 随着科学技术的不断发展、氢能研究相关技术的突破成熟,氢能开发利用将在未来人类生活中发挥着举足轻重的作用。对于我国,建立长远能源可持续发展规划,完善能源安全机制,充分利用我国资源优势,建立健全氢能--可再生能源复合能源系统基地或是地域集成能源系统将是未来氢能发展可行的技术路线。

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