可再生氢能应用前景
出处：论文网
时间：2006-09-04
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生物质的主要成分是纤维素, 木质素和半纤维素. 纤维素在水的临界点附近可以快
速分解成一葡萄糖为主的液态产品, 而木质素和半纤维素在34.5 Mpa, 200-230oC 下可以
100%完全溶解, 其中90%会生成单糖. 将城市固体废弃物去除无机物后可以形成基本稳
定, 均一的原料, 与木质生物质很相似. 由表可见, 不同的生物质原料, 其气化效率和速
率也有所不同. 温度对生物质超临界水中气化的影响也是很显著的. 随着温度的升高,
气化效率增大. 压力对于气化的影响在临界点附近比较明显, 压力远大于临界点时, 其
影响较小. 停留时间对气化效率也有一定影响, 研究表明, 生物质在超临界水中气化停
留时间与温度相关, 不同的温度下有不同的一个最佳值. 使用催化剂能加快气化反应的
速率. 目前使用的催化剂主要有金属类催化剂, 比如Ru, Rh, Ni, 碱类催化剂, 比如KOH,
K2CO3, 以及碳类催化剂 [51,52]. 反应器的选择也会影响生物质气化过程, 目前的反应
器可以分为间歇式和连续式反应器. 其中间歇式反应器结构简单, 对于淤泥等含固体的
体系有较强适应性, 缺点是生物质物料不易混合均匀, 不易均匀地达到超临界水下所需
的压力和温度, 也不能实现连续生产,. 连续式反应器则可以实现连续生产, 但反应时间
短, 不易得到中间产物, 难以分析反应进行的情况, 因此今后需要进行大量的研究, 研
制出更加有效的反应器以及寻求不同生物质在不同参数下的最佳气化效果, 实现高效,
经济的气化过程.
4. 其他制氢技术
除热化学方法外, 生物质还可以通过发酵的方式转化为氢气和其他产物. 此外,
微藻等水生生物质能够利用氢酶(Hydrogenase)和氮酶(Nitrogenase)将太阳能转化为
化学能-氢. 这些生物制氢技术具有良好的环境性和安全性, 但还处于早期的研究阶段,
制氢基理还未透彻理解, 尚需大量的研究工作.
太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术. TiO2 及过渡金属氧化
物, 层状金属化合物如K4Nb6O17, K2La2Ti3O10, Sr2Ta2O7 等, 以及能利用可见光的催化
材料如CdS, Cu-ZnS 等都经研究发现能够在一定光照条件下催化分解水从而产生氢气.
但由于很多半导体在光催化制氢的同时也会发生光溶作用, 并且目前的光催化制氢效
率太低, 距离大规模制氢还有很长的路要走. 尽管如此, 光催化制氢研究仍然为我们
展开了一片良好的前景.
5. 制氢技术总结以及在香港的应用前景
前面讨论了利用可再生资源制取清洁燃料-氢的各项主要技术. 这些技术的特点,
经济性, 环境和安全方面的特点总结于表4.
表4. 利用可再生资源制氢技术比较
Table 4. Characteristics of candidate hydrogen production technologies
PV-Electrolysis Wind-Electrolysis Solar Thermochemical Cycle Biomass Conversion
Development
status
PV technology almost mature,
electrolysis mature,
Some demonstrations of
PV-electrolysis system been done
Wind system mature, electrolysis mature,
wind-electrolysis demonstration needed
R&D Pyrolysis and gasification R&D, biological
processes at early R&D
Efficiency PV efficiency:
First generation, 11-15%,
Second generation, 6-8%
Solar to hydrogen around 7%
36% from wind to hydrogen, assuming wind
to electricity efficiency of 40% and
electrolyzer 90%
29% for Zn/ZnO cycles Conversion ratio up to 100% can be
achieved for gasification, efficiency of
10% for biological processes
Economic
consideration
Hydrogen cost about US$40-53.73/GJ
depends on the PV type, the size
Hydrogen cost about US$20.2/GJ,
corresponding to 7.3cents/kWh
US$0.13-0.15/kWh, equivalent to
US$36.1-41.67/GJ
US$6.67-17.1/GJ for thermochemical
conversion depends on biomass types,
capacity size, for biological processes,
remain to be demonstrated
Environmental
consideration
Almost no pollution emission during
operation, energy consumption
intensive during construction, disposal
of hazardous materials
No pollution during operation, construction
energy consumption intensive, some noise
during operation
Emission of hydrogen sulfide, use and
disposal of metal oxide, reactors
Whole cycle CO2 neutral, some pollution
emission during the stage of constructing
reactors
Safety
consideration
Handling hazardous materials during
fabrication, short circuit and fire during
operation, but not significant
Relatively safe, a little danger exist during
maintenance
Operating at high temperature, risk of
explosion exists; leakage of hydrogen
sulfide
Operating at high temperature, explosion
may occur
由表可见, 生物质气化技术和风能-电解制氢技术具有良好的经济性. 对于环境的污染
以及危险性也相对较小, 极具发展前景, 可以作为大规模制氢技术. 而光伏-电解水技
术则目前还未显示出经济优势. 但由于太阳能资源丰富, 在地球上分布广泛, 如果光
伏电池的效率能进一步提高, 成本能大幅降低, 则是未来很有潜力的制氢技术. 太阳
能热化学循环也是可行的制氢技术, 今后的发展方向是进一步降低分解产物的能量损
耗以及发展更为经济的循环.
香港地少人多, 没有自己的煤, 石油, 天然气, 也没有大规模的农业, 所有能源
目前都依赖进口. 但香港具有丰富的风力资源和充足的太阳能资源, 利用可再生资源
部分解决香港的能源问题是一条值得探讨的思路.
香港总人口681 万, 总面积2757km2, 其中陆地面积1098 km2, 海洋面积1659 km2.
但香港绝大多数人口集中在港岛, 九龙等面积较小的市区, 而新界很多区域以及周边
岛屿则人口较少. 由于香港地处北回归线以南, 日照充足(13MJ/m2/day), 风力强劲
(>6m/s), 具有很大的发展可再生能源的潜力. 简单计算可知, 如果将香港所有陆地面
积安装上效率为10%的光伏电池, 则年发电量可达144.7TWh, 这相当于香港1999 年电
消耗量35.5TWh 的4 倍! 这说明发展光伏技术在香港有很大潜力. 考虑到香港市区人
口稠密, 可以考虑将光伏电池安装在周边岛屿发电, 通过电解槽制氢. 由于光伏-电解
水成本很高, 这一技术还难以大规模应用, 如果光伏成本能大幅度降低, 则在香港发
展光伏制氢具有非常诱人的前景. 另外, Li(2000)[53]进行了在香港发展海上风力发电
的可行性研究. 研究表明, 利用香港东部海域建立一个11 × 24 km 的风力发电机组, 可
以实现年发电2.1 TWh, 这相当于香港用于交通的能源的10%. 此外, 香港周边岛屿,
如横澜岛等, 平均风力都在6.7 m/s 以上, 在这些岛屿发展大规模的风力机组也是值得
进一步探讨的问题. 除此之外, 香港每年产生的大量有机垃圾, 也可以通过气化或热
解制氢. 这些技术在香港的成功应用还需要更深入的研究, 本文不作深入探讨.
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