固体氢专利
如果不是海啸引发的核泄漏,日本可能不会放弃纯电动汽车的计划。日本所有核电站的关闭,让所有车企都意识到原来晚上用剩余电量充电的梦想无法实现了。面对化石燃料价格上涨,日本能源漏洞越来越多,日本开始寻找真正的替代能源。这个能源可能暂时不干净,成本高,但一定是有希望的,真正掌握的。
不是日本没考虑过天然气,也不是甲烷燃料电池缺点太多。日本放弃天然气的真正原因之一是这种能源的大部分标准不在日本手里。这意味着,如果未来使用天然气能源,仍将在海外支付大量专利费。氢气的情况并非如此。目前日本在氢能方面的专利遥遥领先。国内的氢能规模可能不是世界上最大的,但使用率是最高的。此外,川崎重工和千代田化学工业开发的CSS二氧化碳捕获技术和氢化物运输方法,让日本氢学会看得很清楚。
NEDO发布了氢能白皮书,将氢能定位为国内发电的第三大支柱,氢能越来越受到重视。日本国内资源的匮乏和能源危机迫使日本重视超节能技术。如果在氢能上走一条路,日本困扰多年的能源问题将彻底解决。至少看起来是这样。
目前,日本在氢能开发方面缺乏盟友。美国的页岩气和欧洲的天然气似乎都集中在美国和中国。另外,丰田新上市的氢燃料电池车在日本得到了大量补贴,这也让大家把氢能当成了孤岛综合症。大多数专家认为,氢能只能在日本起飞,其他国家无法发展。事实上,我看不到日本有任何在美国和中国以外开发氢能的计划。
氢不仅作为一种能源存在,也作为一种能量介质存在。日本发展氢能的目的很简单,主要是通过购买或合作开发一些低效的石化资源,甚至购买西伯利亚多余的电能电解水制氢。在实施氢能的过程中,运输问题是首要问题。
氢气的自然密度较低,如何实现高密度的运输方式成为日本的主要课题。在这个题目下,日本主要有三种方式:高压氢、液氢、有机物,当然还有管道输送氢。氢气的不同运输方式根据距离、位置等实际情况而有所不同。
1
高压氢气
这种运输方式一般适用于陆上制氢站或氢气基地的短途运输。一般在20MPa的压力下压缩,用传统的运输车运输。目前的技术可以达到每辆车2300-3000立方米的运输量。优点是成本低,缺点是不利于长途运输。
川崎重工在《炼油厂水输送技术探讨》中指出,目前根据容器材质和输送方式可实现三种压力输送,分别为14.7 45MPa-19。
高压氢气在任何行业几乎都是普遍存在的。高压氢气可以为家用燃料电池供氢,在氢燃料电池汽车普及阶段,可以为加氢站供氢,通过压缩机压入蓄能器,为FCV提供燃料。此外,它还可用于半导体、液晶、冶炼和发电。
2
液化氢运输
液化氢适用于大规模长距离运输氢气。在-253℃液化氢气,与陆上高压输送相比,可使体积缩小800倍以上,效率提高12倍以上,是目前效率最高的方式。由于维持-253℃高温的成本较高,且不利于长期保存,该技术原本是航空技术研发,但目前日本企业加大了实用化进度。
可运输的小型液氢加注通常采用双层真空设计,类似于我们常见的保温瓶容器。此外,还添加了一些反射涂层,以防止外部热量进入。液化氢通常用集装箱运输,但也有液化氢移动工作站。
岩谷工业利用破碎热膨胀理论,生产出纯度为99.9999%的液化氢,因为氢的液化在-253℃左右,其他杂质可以不断去除。至于把温度控制在-253℃,岩谷工业是利用热胀冷缩的基本原理。这个共同的原理和夏天自行车轮胎加热差不多。随着轮胎内空气温度的升高,轮胎内的压力升高,而外部空气温度降低。在岩谷工业中,利用液氮膨胀压缩氢气,使用在-190℃左右液化的氮气,通过一系列其他设备达到-253℃的目的。
液氮的制造成本相当高,并且围绕着这项技术的实际应用在不断发展,而且因为超高压液氢,对容器的要求非常严格。通常-253℃以下金属强度下降,液氢也面临着泄漏过多的问题。目前,川崎重工在液氢长途运输方面取得了很大成就,采用了液氢运输船来运输澳大利亚开采褐煤产生的氢气。运输船采用能装2500立方米液氢的极低温压力储存设备,充氢泄漏也控制在0.09%左右。
三
有机物运输
有机物对氢气的运输主要是氢气合成和逸出的过程,需要特殊的催化剂。目前千代田化学已经在进行这样的实验。通过氢气与有机物质的反应,体积可以减少500倍以上。但由于目前使用的是芳香族有机物,苯、萘、甲苯、十氢萘极其稳定,毒性很大,催化剂成了重中之重。有机物运输方便,对设备要求不高,运输效率比传统陆地高压运输至少高5倍。这项技术也引起了日本企业的关注。
目前有机化合物的合成主要集中在苯与环己烷、萘与十氢萘、甲基环己烷与甲苯之间。不同的反应之间也有不同的优劣,常温常压下有的是固体,有的是液体。主要的输送方式是在产生氢气的地方与甲苯发生化学反应,然后以有机物的形式输送,最后脱氢。其中,催化剂可以循环使用,如果考虑放热和吸热反应,还可以完全用于家庭供暖。
除了使用有机物质,HyGrid还考虑将氢转化为化学燃料,如氨,用于运输。氨气可以直接电解产生氢气,但这不是日本企业考虑的重点。他们认为氨气的运输比氢气更方便。海外合作能源开发可以通过水和氮的反应产生氧气和氨气来储存多余的热量和多余的电力。氨制好后用船运到中国,用电解等更重的方法生产氢气。
可以说目前日本已经有实际案例和企业来运输氢气了。就目前的氢运输方式而言,国内开发的有机物、氨、液化氢技术主要是针对国外能源利用和开发。这可能反映了日本在化石燃料方面面临的巨大压力。无论是氢运输还是氢生产,日本目前的主要问题是降低氢燃料的成本。
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