30年后咋赚钱?年产值8万亿的清洁能源产业考虑

  发布时间: 2020年09月16日 10:33:57   作者: 广丰能源网

原创 圆的方块 果壳

30年后咋赚钱?年产值8万亿的清洁能源产业考虑

这是初中课本上的电解水公式
30年后,它可能价值8万亿——根据中国氢能联盟预计,到2050年,中国氢气需求量将达到6000万吨,年经济产值12万亿元,而这其中,70%将依靠电解制氢[1]。
“无碳”时代迎面走来
人类文明诞生至今,从木头到煤炭,从石油到天然气,碳元素的燃烧贡献了大部分能量。

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30年后咋赚钱?年产值8万亿的清洁能源产业考虑

作为碳基能源,石油与煤炭都属不可再生能源 |
碳基能源是整个世界的基础,这句话一点都不为过。然而,它所带来的问题也同样突出。碳燃烧放出的二氧化碳,制造了温室效应和一系列极端气候变化。绝大部分碳基能量,都属于不可再生资源,从某种意义上说,单纯依赖碳基能源,就是在透支人类和整个地球的未来。

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清洁的氢能源,将是能源革命3.0的主角 |
但人类还有自我拯救的方法——被誉为下一场工业革命的能源革命3.0,而这场新能源革命的主角,是氢。
氢能,一直被认为是一种终极能源,氢气相比于其他燃料其燃烧产物最清洁,基本只产生无污染的水,而且燃烧产生的水又可以继续制氢,反复利用。其次,氢气燃烧的比能量高,除核燃料以外氢气的发热值是所有燃料中最高的,是汽油发热值的3倍。再者,它“轻如鸿毛”,作为我们了解到的最轻的物质,即使是加压液化后的液态氢,密度也不及钢铁的1/10,这种低密度的性质使得它可以减轻燃料自重,增大运输工具的有效载荷量,从而有效降低运输成本。[2]
氢能的利用,将让人类告别碳基能源。2000年,氢的生产成本是石油的40倍,到2010年,这一比例已降至15倍,如今其成本约为石油成本的两倍,盈亏平衡在望。
也许在有生之年,我们能见到一个全新的时代——无碳的“氢能时代”。

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欧洲某公司的氢气生产线 |
那么,问题来了,氢气从哪来?自然界中现成的氢气十分稀少。在空气中,氢气只占总体积的千万分之五。所以,我们要想办法把其他物质中的氢元素提取出来,制成氢气。
目前,工业化制氢的方法有三条路线,分别叫做“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”。
“灰氢”路线是将化石燃料裂解,从中获得氢气。比如,将煤在隔绝空气的条件下加热,能得到焦炭,这一过程会产生焦炉煤气,其中就含有大量的氢气。不过,“灰氢”路线的产物中不可避免地伴生着一氧化碳、二氧化碳。
“蓝氢”是“灰氢”的改良版,配合了碳捕捉技术,可以减少二氧化碳排放,但是成本也要高些。
“绿氢”是指用太阳能、风能这类可再生能源发电,再来电解水制氢。
目前,因为成本的关系,“灰氢”的产量占了氢能的绝大部分。我国作为世界第一产氢大国,单单2017年,氢气产量就超过2000万吨,这其中化石燃料裂解产氢占了近70%,电解水只有不到1%。
无论“灰氢”还是“蓝氢”,都没有从根本上解决碳排放的问题,所以电解制氢的“绿氢”才是氢能的未来。
于是,我们又要回到本文开头时的公式,怎么电解水?
拜托了,催化剂!
对于电解水,原理不是问题,操作起来也简单。在水中加些电解质,插进两个电极,加上电压。一切顺利的话,阴极生成氢气, 阳极生成氧气。

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简易电解水装置示意图 |
但一切不会太顺利。
水的理论分解电压在1.23V,然而这仅仅是理论上的。实际操作中,水中的物理化学环境会偏离理想状态,需要施加的电压往往超过1.23V,而这超过的部分被称为“过电位”(overpotential) [3]。我们希望这个过电位越小越好,过电位越小,电解水需要的电能越少。
此时,催化剂该登场了。催化剂能降低反应过程中的阻力,把过电位降下来。
那什么样的催化剂是好催化剂呢?为了回答这个问题,我们还要再仔细琢磨一下电解水的过程。
氢气的产生其实是分两步的:首先是吸附过程,水中的氢离子吸附到催化剂表面,发生反应;之后再发生脱附,生成的氢气脱离催化剂表面。
整个过程中,如果氢与催化剂表面结合太弱,吸附步骤不容易发生,会拖慢反应进程;而如果结合太强,脱离步骤就要克服更大的阻碍,花费更多时间[3]。
因此,最好的催化剂对氢的吸附能力应该不强不弱。
而在众多元素中,对氢的吸附能力恰好处于中间状态的就是——铂(Pt)。

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