氫:人工光合作用和潔淨的燃料

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向Sun Aug 29 2021 提供最新信息

在上一章中,我們看到電池使我們可以用電力代替71%的石油燃料。 這適用於汽車,卡車和其他陸地運輸,但是電池無法在每公斤的單位裡容納足夠的能量來使飛機或輪船電動化[EPlanes,EShip]。

氫氣可以在這裡提供幫助,一旦足夠便宜,它也可以用來為汽車提供燃料! 如何做到呢? 氫氣每千克所能存儲的能量是鋰離子電池的128倍[Tesla250whkg,H2x]。

氫氣和鋰離子電池的比能[Tesla250whkg,H2x,LiAirCap]

在自然界,氫(H)通常以兩個原子(H₂)的形式出現。 氧氣(O₂)也是如此。

水(H₂O)由氫和氧構成。 你可能從未見過水分解成氫氣H₂和氧氣O₂,對嗎? 那是因為水是一種穩定的化合物。 分解水H₂O需要能量。 因此,我們可以通過將水(2H₂O)分解為2H₂和1O₂ 來存儲能量,之後再通過將它們重新結合在一起來獲得能量。

從水中得到燃料?

這個想法很簡單:使用乾淨的電力(來自可再生能源或核能)來分解水[H2,H2_4],這一過程稱為電解

電解

之後,我們可以使用所謂的氫燃料電池 將氫氣H₂轉換為電能

氫燃料電池

今天,氫氣是如何產生的呢?

自1975年以來,氫氣的需求量很大。由於今天的氫氣是用天然氣產生的,產生過程造成全球二氧化氮排放量的2%[H2path,Em7]!

為什麼使用天然氣而不是可再生能源呢? 成本。 但是,隨著太陽能和風能對創新和進一步部署,我們可以將成本降低很多:

氫氣的價格

需要改變什麼?

更高的電解效率: 單位能量的氫越多越好!

更高的壓縮效率: 我們在壓縮上花費的每一單位能量實際上都是浪費,但我們需要壓縮氫氣以使其適合燃料箱。最後,讓它變成氣體。

更高的燃料電池效率: 我們從每公斤氫中獲得的能量越多越好。

更便宜的電解: 能源只是氫成本的一部分。要實現之前的預測,電解槽的成本需要降低20-50%

基礎設施: 氣體很難運輸。為了避免建造管道的巨大前期成本,氫氣可以在使用地點附近生產。這需要權衡,因為建造許多小型電解槽可能比建造幾個大型電解槽更昂貴

人工光合作用有幫助嗎?

光合作用效率

如果我們能像植物一樣產生能量,但是做得更好呢?

植物生長需要投入什麼


植物的光合作用有哪些產物?


從工程師的角度來看,植物是將二氧化碳,水和能量轉化為糖和氧氣的機器

光合作用公式

研究人員正在研究人工光合作用,該技術可將水,陽光和空氣直接轉化為氫氣和氧氣[NateH2,WaterSplitSolar],甚至類似於我們今天在汽車中使用的燃料

儘管研究正有了一些進展[SolH2_30,WaterSplitSolar,CornellH2,NateH2x],但即使是從事這項工作的研究人員也表示,人造光合作用在不久的將來甚至20年內都不會成為一項可負擔得起的技術

價格和氫氣電池陷阱

電池會變得更便宜

除了創新之外,需求的增加還使得規模經濟[BNEFBPRICE,EOS]成為可能,如果你生產的東西越多,它們的價格會變得越來越便宜。

例如,要製造一袋薯片,你需要建立一個土豆農場和一個薯片生產工廠。 如果再多製造100,000袋並將初始成本分攤,則每一袋都將變得更便宜!

由於這種情況已經發生在汽車電池上,因此可能使氫氣很難趕上

結論

氫可以代替飛機和輪船上的油基燃料,而電池則不能[EPlanes,EShip]。

降低氫氣的生產,壓縮,存儲和運輸的成本,可能會對整個能源生態系統[H2_3,H2_4,WaterSplitSolar,CornellH2]產生巨大影響,並且作為副作用,這將有助於避免因為氫氣生產帶來的當今全球2%的排放量[H2path,Em7]。

我們需要創新

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