氢:人工光合作用和清洁燃料

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更新于 Sun Aug 29 2021

在上一章中,我们看到电池让我们用电力来代替71%的石油燃料。这适用于汽车,卡车和其他陆地运输,但是电池无法容纳每公斤足够的能量来使飞机或轮船电动化

氢气可以在这里提供帮助,一旦足够便宜,它也可以为汽车提供燃料!怎么可以?氢气每千克所能存储的能量是锂离子电池的128倍

氢和锂离子电池的比能

在大自然中,氢(H) 通常以两个原子(H₂) 的形式出现。氧气(O₂) 也是如此。

水(H₂O) 由氢和氧组成。你可能从未见过水分解成氢和氧,对吗?那是因为水是一种稳定的化合物。分解水需要能量。因此,我们可以通过将水(2H₂O) 分解为2H₂和O₂ 来存储能量,然后通过将它们重新结合在一起来获得能量。

来自水的燃料?

这个想法很简单:在称为电解一过程中,使用清洁电力(来自可再生能源或核能)来分解水

电解

之后,我们可以使用所谓的氢燃料电池 将氢转换回电

氢燃料电池

今天氢气是如何产生的?

自1975年以来,氢气的需求量就很大。由于今天的氢气是用天然气制造的,为了制造它,导致了2%的全球二氧化碳排放量[H2path,Em7]!

为什么使用天然气而不是可再生能源?成本。但是,通过创新和进一步发展太阳能和风能,我们可以将成本降低很多:

氢的价格

需要改变什么?

更高的电解效率: 单位能量的氢越多越好!

更高的压缩效率: 我们在压缩上花费的每一单位能量实际上都是浪费,但我们需要压缩氢气以使其适合燃料箱。最后,让它变成气体。

更高的燃料电池效率: 我们从每公斤氢中获得的能量越多越好。

更便宜的电解: 能源只是氢成本的一部分。要实现之前的预测,电解槽的成本需要降低20-50%

基础设施: 气体很难运输。为了避免建造管道的巨大前期成本,H₂可以在使用地点附近生产。当然这需要权衡,因为建造许多小型电解槽可能比建造几个大型电解槽更昂贵

人工光合作用能有所帮助吗?

光合作用的效率

如果我们可以像植物那样来生产能源,但做得更好呢?

植物需要什么投入才能生长


植物光合作用的产物是什么?


从一位工程师的角度来看,植物是将二氧化碳、水和能量转化为糖和氧气的机器

光合作用的方程式

研究人员正在研究人工光合作用,这项技术可将水、阳光和空气直接转化为氢气和氧气,甚至类似于我们今天在汽车中使用的燃料

尽管正在取得进展,但是从事这项工作的研究人员也表示,人造光合作用在不久的将来甚至20年内并不是能负担得起的技术

价格和氢电池的陷阱

电池更加便宜了

除了创新之外,需求的增长还造成了规模经济,就是说如果你制造的东西越多,它们会变得越便宜。

例如,想要制造一袋薯片,你需要建立一个土豆农场和一间薯片生产工厂。如果再增加100,000袋薯片并将初始成本分摊,每一袋薯片都将变得更便宜!

由于汽车电池已经出现了这种情况,因此氢可能很难赶上

结论

氢可以代替飞机和轮船上的油基燃料,而电池却不能[EPlanes,EShip]。

降低氢气生产、压缩、存储和运输的成本,可能会对整个能源生态系统产生巨大影响,并且连带地,这将有助于避免如今全球生产氢所导致的2%排放量

我们需要创新

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