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1、氢燃料电池汽车优点:氢燃料电池汽车是终极环保汽车。氢燃料电池汽车零排放,且一次加氢续驶里程长,加氢时间短,相当于汽油车,一直以来被作为新能源汽车技术路线之一。
2、氢燃料电池汽车也有缺点,而纯电动汽车,可以借助现有的四通八达的电网,而氢燃料电池汽车还得重新建立足够密集的加注管网。就这点来看,似乎纯电动汽车占了上风。
燃料电池所使用的铂金类催化剂,价格昂贵且可能对环境造成伤害。其动力系统的使用寿命也有待提高,而氢燃料电池汽车的整车价格需要降低。
与此同时,部分专家学者认为氢燃料电池汽车或并不节能。利用天然气、煤、石油或者电解水制取氢燃料,似乎是多此一举。
(来源:文章屋网 )
2015年,日本政府提出要建设“氢能社会”,更要将2020年的东京奥运会打造成一场“氢能盛事”。究其原因,日本政府无疑是看中了氢能的诸多固有优势:来源丰富、环境友好、用途广泛、可与电能相互转换等。
实际上,美国等发达国家要发展氢能的声音一直不绝于耳。美国通用汽车公司早在1974年就提出要构建“氢经济社会”。2003年,美国时任总统小布什也曾启动过燃料电池汽车项目。然而,打造“氢能社会”并非易事,成本高、清洁性存疑等问题一度迫使该愿景化为泡影。如今,日本政府“旧事重提”的底气到底从何而来?
氢能推广为何这么难? 东京2016“环保产品・环境与能源的未来展”上拍摄的丰田公司氢能源汽车Mirai的剖面结构。
目前,日本政府正联合相关企业共同推动“氢能社会”计划,其终极目标是让氢能成为国内交通工具乃至家用设备的主要能源。
在交通领域,日本政府尤其看中了燃料电池汽车的应用潜力。日本政府希望到2020年东京奥运会举办之际,场馆间负责接送运动员和观众的摆渡车可以全部使用燃料电池。燃料电池是通过氢氧化学反应产生电能的发电装置,加注氢气是关键环节之一。为此,日本政府正联合丰田和工业燃气巨头岩谷产业公司等,计划到2020年在本国建设完成35座加氢站。
其实,日本并不是第一个倡导氢能的国家。2003年,时任美国总统小布什就在国内发起过“自由车倡议”(FreedomCAR Initiative),其重点即为资助汽车氢动力领域的研究与实践,摆脱美国能源受制于人的困境。小布什政府为此甚至不惜动用联邦政府权力阻止加州推广纯电动车的计划。
不过,氢能计划的推广并非一帆风顺。美国的“自由车倡议”曾受到过诸多批评,而在奥巴马当政时期,美国政府甚至选择了另起炉灶,逐步将重点转向其他可再生能源领域的开发和推广,氢能计划几乎搁浅。
另外,加拿大政府也曾在2010年大力推动过氢能发展,还专门为温哥华冬奥会启用了一批氢能公交车。可由于运营成本太高,这些公交车已被悄然封存。
在我国,氢燃料汽车曾在北京奥运会和上海世博会上进行了规模示范,但其后氢能应用实践便走向低迷。
总的来看,各国氢能计划触礁的原因主要源自两点:
一是成本问题。这一直是阻碍其推广使用的最大掣肘。无论是氢气的生产和储运环节,亦或是氢能相关设备建设,成本几乎都高于传统能源。特斯拉的创始人伊隆・马斯克(Elon Musk)曾在2015年举行的世界汽车业新闻大会上指出,氢气不可以直接作为燃料使用,而复杂的制氢过程则是得不偿失的选择。
此外,建设氢气储存设备也是一笔不小的开销。例如,2014年,日本对国内所有加氢站的补贴总额达到了72亿日元,约合6000万美元。
二是清洁问题。哈佛大学教授大卫・基思(David Keith)及其研究团队曾发文质疑氢能对环境的影响。大卫・基思认为,和电能一样,生a氢能也是需要能源的,而氢能的环保与否完全取决于制氢方式。
从日本政府推动氢能的路线图来看,氢能将主要依赖进口。其中一种可能性就是在澳大利亚以煤制氢,然后再将氢气运至日本。显然,这一方法虽然有利于改善日本本土的空气质量,但对于全球减排事业而言却很难产生积极作用。而在早前的2010年,加拿大政府为了在温哥华冬奥会上推广氢动力公共交通工具,决定在魁北克完成制氢工作,之后再将氢气运往温哥华供汽车使用。
无论是从澳大利亚到东京,还是从魁北克到温哥华,在长途运输过程中都难免产生二氧化碳排放量,而这无疑会抵消氢能源清洁环保的优势。此外,由于氢气必须储存在高压或低温环境下,苛刻的储氢条件也伴随着高能耗。
为未来投资
虽然美国等发达经济体的“氢能计划”曾一度频临破产,但自2014年以来,各国构建“氢能社会”的愿景却呈现出卷土重来的态势。
政府层面,日本无疑是当今全球最为积极的推动者。日本经济产业省下设的资源能源厅于2014年《氢能与燃料电池战略路线图》,为该领域的发展制定了“三步走”计划,并提出到2030年,日本的氢能相关产业要达到1万亿日元(约合88亿美元)的规模。
美国政府也开始从国家层面重拾十四年前的氢能计划。2015年底,美国能源局向美国国会提交了《2015年美国燃料电池和氢能技术发展报告》,肯定了未来氢能市场的发展潜力,并决定投资3000万美元用于发展先进氢能与燃料电池技术。
在我国,《中国制造2025》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等明确提出,要系统推进燃料电池汽车的研发与产业化。
从市场实践层面来看,汽车产业成为全球氢能技术应用领域的“领头羊”。2015年初,全球第一款量产的氢燃料电池汽车――丰田Mirai于日本正式上市,并于同年敲开了美国汽车市场的大门。
事实上,各国选择重启氢能计划的主要原因在于,随着技术研发领域不断取得重大进展,当初困扰各国政府有关氢能使用成本和清洁性的问题正在逐步得到解决。美国能源部燃料电池技术办公室提供的数据显示,与2006年相比,如今燃料电池的成本降低了50%以上,而电池的耐久性却翻了两番。
另一方面,制氢技术的不断更新正在改变“氢能不环保”的局面。例如,日本大阪市立大学和富士化工目前已经联合开发出利用废纸屑等垃圾、通过光合作用制氢的技术。
此外,从日本政府打造“氢能社会”的路线和经验来看,扩大产业规模、加快产品投入市场被放在了与技术攻关几乎同等重要的位置上。日本政府相信,只有通过规模化生产和尽早经受市场检验,才能不断降低相关技术成本,并培育民众对于氢能的使用习惯。例如,日本政府计划在2030年之前将国内的燃料电池汽车增加到80万辆;早在2009年,日本就通过政府为使用者提供大量补贴,将家用燃料电池系统引入市场。
一、目前我国及世界使用的能源结构
从远古时代人类就使用化石燃料来取暖、烧熟食物,可以这样说:没有化石燃料,社会不可能发展,也没有如今的社会文明。然而在大量使用化石燃料的同时,人们发现化石燃料缺乏可持续性,同时,大量使用化石燃料会对环境造成影响。
例1.(2013年扬州市)下图是我国能源消费结构比例图。下列有关说法正确的是()
A.煤、石油是可再生能源
B.化石燃料占能源消费比例68%
C.应提倡以煤炭为主的能源消费
D.应适度发展水电、风电、核电等
命题意图:能源的多样化是当前世界各国都普遍存在的。本题以我国消耗的各种能源在总能源中的比例为背景材料,考查学生对各种能源的认识以及识图能力。
解析:煤、石油是一种自然资源,是远古时代古生物的遗骸经过一系列复杂的变化形成的,是不可再生能源,A项不正确。化石燃料包括煤、石油、天然气,根据能源消费结构比例图可看出,我国消耗的化石燃料占能源消费比例为90%(68%+18%+4%),B项不正确。煤燃烧产生的废气以及细小颗粒物严重污染环境,同时将煤炭作为主要能源,也是对资源的一种极大浪费,煤炭必须综合利用,C项不正确。在发展水电、风电、核电等时必须注意对生态环境的影响,因此必须有个“度”的问题,D项正确。
答案:D
例2.(2011年黄冈市)能源问题是困扰人类可持续发展的一个重要因素。能源的开采、开发、储存和综合利用是世界各国科学家关注的重大课题。
(1)目前,从一次性能源消耗的构成看,我国及世界主要消耗的是煤、石油和天然气。上图是2002年我国与世界能源和消耗结构对比图,从图中可以看出,我国与世界能源消耗结构的主要差异是。
(2)目前世界能源结构中仍以化石燃料为主。但化石燃料燃烧直接排放的气体会对环境产生影响。其影响体现在:一是,二是。
(3)据报道,科学家在深海发现了一种外表像冰的固态物质,这种物质的成分是甲烷水合物(CH4・xH2O),称为可燃冰。通常状况下,这种物质不稳定、易分解、易燃,在低温或高压下呈固态。其储量超过煤和石油的总储量,是很有前途的待开发能源。
①请你分析可燃冰作为能源有什么优点?。
②目前,可燃冰未得到广泛应用的原因是。
(4)请你根据使用化石燃料产生的负面作用提出两点建议:①,②。
命题意图:本题以我国及世界能源结构的差距为命题背景,考查学生分析图表的能力、对使用化石燃料的负面影响的认识,以及对一种新能源――可燃冰的认识。
解析:(1)从图中可以看出我国使用的能源主要依赖化石燃料,尤其是以煤炭为主,石油、天然气为辅,而世界上使用的能源虽然也以化石燃料为主,但所占的比例比中国小,其中以石油、天然气为主,煤炭为辅,煤炭的燃烧产物中二氧化硫、氮的氧化物比石油、天然气的燃烧产物中大得多。(2)化石燃料燃烧可以产生温室气体――二氧化碳,同时还可以产生一氧化碳、二氧化硫、氮的氧化物,二氧化硫、氮的氧化物溶解在雨水中能形成酸雨。(3)①可燃冰与其他化石燃料相比较是一种清洁的能源,它基本上不含N、S等元素,燃烧产物不会形成酸雨,同时可燃冰的储藏量大,目前国际上公认,全球储藏的可燃冰可提供的总能量是已探明的煤、石油、天然气提供的总能量的2~3倍;②虽然可燃冰作为一种能源,与煤、石油相比较有许多优越性,但目前暂时没有得到广泛应用,主要是可燃冰的开采技术以及开采过程中可能会造成生态系统的平衡等问题没有得到解决,而且可燃冰不稳定,很容易分解放出甲烷,给运输带来困难。(4)可以提出的建议有,①开发可再生的、清洁的绿色新能源;②煤炭必须脱硫后使用;③综合利用化石燃料,为化石燃料创造更大的价值;④化石燃料燃烧后产生的尾气必须净化后再排放等。
答案:(1)我国使用的能源以煤炭为主,石油、天然气为辅,而世界能源以石油、天然气为主,煤炭为辅(2)酸雨温室效应(3)①储量大(或其他合理答案)②开采困难(或不稳定,给运输和贮存带来困难等)(4)①开发可再生的、清洁的绿色新能源②煤炭必须脱硫后使用(或其他合理答案)
《碳源小分子与氢能利用研究》心得体会
中国科学院大连化学物理研究所研究员,博士生导师葛庆杰老师进行题为《碳源小分子与氢能利用研究》的学术交流报告。葛庆杰老师长期从事多相催化的应用基础研究,以具有重要的科学意义和应用背景的能源化工反应为对象,进行催化新材料、新工艺、新技术等科学研究,为能源资源的合理化应用提供新型催化材料、工艺和技术。承担多项国家、中国科学院和企业项目。
葛庆杰老师团队以CO2为碳源,与可再生能源电解水产生的H2催化转化合成燃料和高附加值化学品,不仅可实现CO2减排,还可解决对化石燃料的过度依赖及可再生能源的存储问题,具有重要战略意义。精准调控C-O键活化和C-C键偶联是CO2加氢转化反应极具挑战性难题,也是实现CO2高效转化利用的关键。葛庆杰老师团队在前期工作中构建了一种多活性位协同催化的Na–Fe3O4/HZSM-5多功能催化剂,率先实现了CO2加氢高选择性合成汽油馏分烃(78%),在接近工业生产条件下连续稳定运行1000小时以上,显示出潜在的工业应用前景。研究发现,多功能催化剂的分子筛孔道结构和酸性以及多活性位间的亲密性效应对烃产物分布有显著影响。在此基础上,延续多功能催化剂设计理念,将目标产物定位为高辛烷值的清洁汽油组分—异构烷烃,将铁基催化剂分别与具有高异构化活性的HMCM-22和HBeta分子筛进行耦合,并与具有高芳构化活性的HZSM-5分子筛进行了对比,研究了分子筛孔道结构和酸性对Na–Fe3O4/Zeolite催化剂上CO2加氢产物分布和积碳形成的影响,并在深入探索分子筛失活原因及积碳形成本质的基础上,对催化剂进行了再生研究,为其工业化应用提供了可能。
研究主要亮点:(1)成功制备了Na−Fe3O4/HMCM-22高效多功能催化剂,实现了逆水汽变换、C-C偶联和异构化三步串联反应的高效协同催化,CO2和H2可一步高收率合成异构烷烃(时空收率高达102mgiso gcat-1 h-1);(2)MCM-22分子筛具有的独特孔道结构和Brønsted酸性质促进了烯烃中间体的异构化反应,抑制了其芳构化反应;并以乙烯为原料验证了烯烃物种在不同分子筛上的反应倾向,探讨了异构烷烃的形成历程;(3)结合反应后分子筛组分的积碳分析,探讨了分子筛失活原因和积碳形成本质,深化了对CO2加氢反应机理及积碳过程的理解;并对分子筛再生方法进行了研究,研制的多功能催化剂可反复多次再生保持其高效催化CO2加氢合成异构烷烃性能。
葛庆杰老师研究团队从催化剂的设计出发,依次从催化性能、积碳分析、反应机理及催化剂再生方面展开研究,条理分明、循序渐进,全面深入介绍了Na−Fe3O4/HMCM-22催化剂上CO2催化加氢合成异构烷烃的反应历程,丰富了对CO2加氢过程的认识和理解。
人类对能源的需求不断增长。再过40年,能源需求将比今天翻一番。这主要源于两个因素:全球人口到2050年将达到90亿;其间,包括中国在内的“金砖四国”等新兴经济体将经历大规模的工业化和城市化进程。然而,容易开采的油气资源不足以应对巨大的能源需求,能源市场波动与能源供应紧张的现象更加突出。
与此同时,能源的生产与消费给环境带来的压力也在与日俱增,全球气候变化问题仍在考验人类的智慧与战略眼光。对于中国这个世界第二大经济体来说,经济发展还伴随着汽车保有量的猛增和城市化的大步迈进,能源安全与环境保护的挑战尤为显著。
无疑,人们需要更充足、更清洁的能源。这样的能源从哪里来?供应能否满足需求?这是各国政府、产业界乃至普通消费者都在关心和思考的问题。
善用化石能源
在“低碳经济”潮流的推动下,大量资金投入到各种各样的可再生能源的开发中。然而,根据国际能源署的预测,从2007年到2030年在世界能源需求的增长量中,化石能源所占的比重为77%。这也和壳牌能源远景的研究结论相符:限于产业化规律,一种新的能源形式要占据1%的实际市场份额,往往需要30年时间。到2050年,即使乐观估计,可再生能源在世界能源结构中的比例也才达到30%。
这就是说,未来几十年,从石油、天然气、煤、核能到可再生能源,人类需要各种能源解决方案才能满足经济增长的需求。即便能源结构更加多样化,传统的化石能源仍然占主要部分。
为了满足这么大的化石能源需求,我们必须研发并应用新技术,一方面在上游领域从艰苦和技术挑战很大的地区获取油气产量,另一方面在下游领域努力提高能源利用效率,同时使化石能源对环境的影响最小化。
在下游领域已经有不少技术进步,使我们对化石能源的利用更加高效,对环境更加友好。例如,在能源消费比较集中的交通运输领域,壳牌与很多伙伴合力推动“更智慧的交通(smarter mobility)”。
这个概念意味着:开发“更智慧”的产品――例如有利于提高车辆燃油经济性的油品;帮助人们改善驾驶习惯,“更智慧”地驾车――例如提供节油驾驶技巧和相关服务;提供“更智慧”的基础设施――例如更加合理的道路规划,以及用先进的沥青产品,用更低的温度和更少的碳排放铺设道路。大家从点滴之处合力推动交通运输领域的节能减排,成效将非常可观。
推动天然气革命
而在上游领域,天然气带来了最令人兴奋的挑战与机会。
天然气是世界上最清洁的化石燃料。发电厂以天然气为燃料,比烧煤的常规火电厂少排放50%至70%的二氧化碳,并可明显降低空气污染。根据壳牌对能源远景的分析,增加天然气的使用,是目前成本最低、见效最快的清洁化能源途径。
天然气将在未来能源结构中发挥越来越重要的作用。开发并提供更多的天然气,也是壳牌应对能源与环境挑战的重点之一。壳牌在天然气勘探与开采、天然气液化、运输、销售的一体化业务中已经积累了优势。回顾过去几年壳牌的经验,我们更是经历了一场天然气供应的技术革命。这场革命的关键,就是开发非常规天然气和液化天然气的技术与能力。
在世界天然气总储量中,潜在的非常规天然气资源占大部分。致密气、页岩气和煤层气都属于非常规天然气。
天然气成分本身并无大的不同,特殊之处在于,非常规天然气一般广泛分布在一个面积很大的区域,由于单口井产气量较低,用常规方式开采一个区块就需要钻很多井,因此如何在开发非常规天然气的同时保证经济性以及对环境的保护,就成为一个巨大的挑战。
要从致密岩石或页岩层中开采天然气,还必须先将岩石压裂或粉碎,其中的天然气才能更顺畅地流向生产井。要使非常规天然气的开发具备经济可行性,需要政策支持、有利的天然气价格和可行的技术;更重要的是,还要有相应的知识和经验――这样才能以正确的方式应用正确的技术。
几年前,北美的本土天然气产量濒临下降。如今,产量不仅没有下降,反而大幅增长。壳牌是这一转变的重要贡献者之一。其中的奥妙在于,壳牌具备了开发当地致密气资源的技术与能力。按照北美现在的天然气消费水平,其致密气储量足够100多年的本土消费。北美的经验值得其他国家借鉴,其中当然包括中国,因为全球最大的非常规天然气藏位于北美和亚洲。如果非常规天然气产量大,那么不仅可以满足当地需求,还能液化运输到其他市场。
无论产自常规天然气,还是非常规天然气,液化天然气都将是满足世界能源需求的要素之一。目前,全球液化天然气的供应量正在以每年6%至8%的速度增长,这大约是天然气总体供应量增速的3倍。
天然气中国前景
壳牌与中国的合作历史已经超越百年。如今,中国日益增长的天然气需求为壳牌的世纪伙伴关系注入了新的动力:在中国政府大力推动下,天然气在中国一次能源构成中所占的比例,预计将从2010年的4%提高到2020年的8%至12%。
壳牌在这方面的战略重点是:与中国伙伴不仅在国内,而且在国际上合作开发更多的天然气资源,尤其是非常规天然气项目。双方一起将更清洁的能源以液化天然气的形式带回中国。
中国正在增加通过液化天然气和管道运输的方式从海外进口天然气。在国际能源公司中,壳牌对中国的液化天然气供应量是最多的――长期合同量已超过600万吨。不仅如此,2010年壳牌还与中石油联手成功收购澳大利亚Arrow能源公司,合作开发澳洲的煤层气-液化天然气项目,并将向中国等地市场供应。
这是一次强强联合的成功范例。壳牌的煤层气技术专长和液化天然气能力与中石油提供的巨大市场形成双赢,为彼此创造价值。
同时,中国开发本土天然气的步伐也在加快。如前所述,壳牌不仅拥有开发非常规天然气的整套技术,而且在北美积累了丰富的经验。现在,壳牌可以发挥这些优势,评估和开发中国潜力巨大的非常规天然气资源。
壳牌已经成功地与中石油合作开采陕西长北气田,向北京和其他城市提供天然气。长北项目是壳牌在中国的首个致密气项目。作为项目运营方,壳牌应用了先进的双分支水平井开发技术,从致密砂岩中采收天然气,并且创造了2251米的中国陆上单分支水平井段最长钻井纪录。
用水平井技术开发致密气田,大幅减少了钻井数量,降低了成本与环境影响。在长北,单个双分支水平井的产量约相当于常规直井产量的五倍。这个项目不仅提前两年达到了年产30亿立方米天然气的目标,而且保持了优秀的安全和环保记录。