清洁绿氢时代——近在咫尺

清洁绿氢时代近在咫尺

4月22日是地球日。这一天,让我们通过对自己提出一些重要的问题,来反思我们给这个地球带来的影响。比如,“我每天的选择如何影响环境?”、 “为了子孙后代更美好的世界,我能做些什么?”等。这一天还让我们唤起肩负应对气候危机的集体责任意识,并共同探讨有助于解决世界上最紧迫问题的创新解决方案。

韩华思路信氢技术研究中心新任主任郑勋泽博士在能源研究领域深入钻研30多年。自2007年起,他作为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL-世界上最大的研究实验室之一)的氢和燃料电池研究小组成员,一直致力于研究氢技术。现在,他就任韩华思路信氢技术研发中心的主任,负责绿氢 (green hydrogen)技术的开发工作。预计绿氢技术的发展将改变我们使用氢能——应用广泛、最环保的能源载体之一——的方式。

随着越来越多的政府将氢作为脱碳计划的核心部分,韩华将继续努力提高绿氢的生产效率,降低生产成这也是使可持续的氢经济变为现实的关键所在。

最近,韩华《新闻编辑室》采访了郑勋泽主任,就这一未来燃料听取了多视角的诠释。

郑勋泽: 韩华思路信氢技术研究中心主任

Q 你为什么认为发展可再生能源变得如此重要?

我们要记住,今天使用的大多数化石燃料都含有不同形式的碳。而碳产生温室气体,导致对人类未来最严重的威胁——全球变暖。

先从乘用车的碳排放说起吧。一辆汽车每行驶一公里大约排放140克二氧化碳。从体积上看,这相当于70个1升的水瓶。这个数字令人吃惊,因为当你开车上下班时,一公里并不会觉得很长。如果再考虑到化石燃料发电厂,尤其是燃煤发电厂所产生的大量碳排放时,就会感觉到这个问题有多么可怕。

相比之下,太阳能和风能等可再生能源是真正的无碳能源。因此,为了缓解像海平面上升等气候变化带来的危机,我们必须充分思考如何广泛利用可再生能源。面对这些情况,世界各国政府也都在努力采取减少碳排放的措施,比如征收碳税、投资于新技术等。

Q 氢能与传统的碳基能源有何不同?

首先,我想指出的是氢不是一种能源;氢只是储存能量的媒介而已。从这个意义上讲,氢可以被成为能量载体。实际上,化石燃料也是如此。化石燃料不是能源,只是能源的载体。同理,煤炭和木材本身不是能源来源,而是储存太阳能的载体。

以煤炭为例,树木通过吸收太阳能生长,枯萎后被埋到地下,被压缩, 再通过热量和压力最终将其转化为煤炭。这意味着太阳能最终会储存在煤炭中。氢与煤和木材等传统能源的区别在于氢不含碳,而化石燃料含碳。氢可以说是一种无碳的能源载体。

同时,我们还要考虑制氢的方式。目前,大多数氢是由化石燃料制成的, 基本上由两种元素组成,就是碳和氢。这意味着生产所谓“蓝氢 (blue hydrogen)”的过程中,不可避免地会产生副产品碳。而我们正在开发的 “绿氢”是从水中提取氢,它唯一的副产品是氧气。

Q 有没有特定的地方更适合采用绿氢燃料?

就生产而言,传统化石燃料储量高度依赖于地理位置,这意味着只有某些特定国家能够获得这种能源。绿氢的最大优势在于,从理论上讲,任何拥有太阳能和风能的国家都能生产绿氢。

Q 采用绿氢燃料的最大障碍是什么?

采用绿氢的主要障碍是它的生产成本,而这正是韩华氢技术研发中心正在努力征服的课题。

另一个障碍是与人们对氢长期成本的一种误解。与传统的化石燃料相比,氢能源更昂贵,如果我们现在马上转型,许多行业就会受到相当严重的冲击。尽管如此,我们还要采取措施改变能源范式,教育公众为何应该支持氢能源。虽然现在转换成氢能的成本相当昂贵,但当你考虑到全球变暖对经济的长期损害时,会明白这是相当合理的选择。

除了认为价格昂贵以外,还有一种看法认为氢可能是很危险的。事实是,如果一辆氢动力汽车发生事故,任何从气缸里泄漏出来的氢气都会迅速扩散到空气中。汽油车有爆炸的危险,因为泄漏的汽油可能会在气缸里停留很长一段时间。我不能说氢是一种完全安全的燃料,但我想提醒人们, 汽油也不是完全安全的。

韩华思路信氢技术研究中心
氢技术研究中心主任郑勋泽
氢技术研究中心研究员
位于大韩民国大田市的韩华思路信化学部门中央研究所
2020年绿色新政博览会上AEM电池的简易分解图
演示水电解技术机理的模型
Q 氢技术研究中心在氢能转型的过程中发挥什么作用?

我们的最终目标是开发绿氢。这意味着我们首先要做的就是想方设法降低制氢成本。在这方面有两个关键因素需要考虑,就是设备生产成本和运转设备所需的电力成本。

最先要考虑的问题之一是降低电解水的成本。电解水没有燃烧的过程, 利用电流将水分解成氢原子和氧原子。其实,降低用电成本在研究中心层面很难实现。然而,在欧洲等地,太阳能和风能的发电量日趋增加,会导致电力过剩,那么,最终电价就会降下来。

Q 韩华正在开发的AEM技术与其他电解方法(如AEC和PEM)有什么不同?

让我们先从PEM(质子交换膜)电解技术开始讨论吧。这是一种利用聚合物膜分离氢和氧的过程。通常在这种方法中所使用的膜质量要求很高,价格也很昂贵,同时用于提高反应效率的催化剂——铂和铱也很昂贵。

铱是地球上最稀有的金属之一,每年开采量仅为3吨左右。它的稀缺性使得大规模利用PEM变得更加困难,这使得建立一个氢经济或从运输到供暖的一切都依赖氢燃料也变得很困难。除此之外,由于PEM的聚合物膜使用酸性溶液,需要非腐蚀性材料,这进一步推高了成本。

与PEM不同,AEC(碱性电解电池)技术依赖于强碱性溶液,这意味着不需要昂贵的材料,因为我们可以使用非贵金属催化剂和廉价的聚合物来代替。因此,不同于PEM电解技术,AEC所需的材料相对便宜。然而,由于AEC技术的效率明显低于PEM,生产同等量的氢需要大规模的设备。此外,如果浓碱性溶液泄漏和腐蚀,可能会引发安全风险。

与此相反,基于AEM(阴离子交换膜)的电解系统两全其美,可以节约AEC成本,也可实现PEM的优秀性能。

Q 韩华如何优化提高AEM技术的效率?

韩华与其他争分夺秒研发AEM的众多公司的不同点在于,我们使用人工智能 (AI)。这种方法在理论上与AlphaGo类似。几年前,AlphaGo通过分析围棋的无数场局比赛,学习如何获得最优化的结果,在世界各地掀起过轩然大波。

像围棋一样,开发氢技术时,需要处理很多变量。利用机器学习技术可以预测不同类型的催化剂和聚合物的化学反应,而不必对所有的变量进行实际实验。这种方法还可以帮助我们确定最优化的操作条件。我们希望这项技术最终能够提升高质量氢的生产效率。

机器学习还可以帮助我们更有效地利用可再生能源。可再生能源的输电过程具有波动性和间歇性,我们可以利用机器学习找到最有效的方法。 最近,我们在部门内增设了一个专门的机器学习研究团队,将继续扩大这类技术的应用。

Q 你认为,为实现清洁和可持续的氢经济,下一步会是什么?

走向氢经济的关键在于基础设施建设。例如,尽管氢动力汽车本身在性能和舒适感方面并不落后于其他类型的汽车,但氢能汽车在充电站方面却非常薄弱,相对于电动汽车缺乏选择的余地。

同时,我们还必须建立以低廉的价格供电的基础设施网络。尤其是,我们需要建立能够从遥远的地方引来光伏和风电的输电系统,因为这些可再生能源不能在任何地方大规模安装,尤其是在居民区附近。

幸亏相关情况也快速变化,基础设施也将迅速建立。 最近的光伏发电量快速增加,这是在我上学的时候是无法想象的。就科学发展而言,我相信,当我们共同努力推动某一项技术时,我们所取得的成就会超出我们的想象。这就是我有信心的理由,通过我们的共同努力, 我们最终会找到更便宜的制氢方法。

Q 您对今年的地球日主题有何看法?开发绿氢对整个韩华有何意义?

其实,“恢复我们的地球(Restore Our Earth)”这一口号,与我的个人愿望——重现我小时候看到的蓝天——一脉相承。

至于韩华,我们公司已经是众所周知的光伏行业领先企业。现在通过推进绿氢技术的发展,正在加强恢复我们地球的承诺,并朝着绿色能源的领先供应商的目标稳步迈进。

我经常提醒我的研究团队,我们正站在重要事业的最前沿。我们可以自豪地说,我们现在所作的研究就是为了让这个世界变得更加美好、更加健康。

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