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氫能:汽車的未來?

2022-02-23 23:58:06尼古拉·斯高班斯奇
海外文摘 2022年2期
關鍵詞:綠氫鉑金氫能

尼古拉·斯高班斯奇

在氫能源的設施配置上,德國遠比法國先進:德國擁有90個加氫站,而法國只有50多個。每個服務站價值約100萬歐元。這些加氫站的氫氣是由槽罐車供應的。

“我相信水總有一天會成為燃料,而構成水的氧和氫會成為熱和光的無盡源泉?!边@句動人的承諾并非出自電動汽車制造商特斯拉的老板埃隆·馬斯克之口,而是儒勒·凡爾納筆下《神秘島》中的人物——賽勒斯·史密斯在1875年說出的!

就在機動車努力跳脫石油限制、尋找轉型的當下,不但電動汽車吸引了一批又一批的制造商,氫能汽車的研發(fā)也不甘落后:2020年,歐洲共登記氫能汽車864輛,其中法國登記了211輛,比2019年增加了40%。然而,至于氫能是否確如人們所說的那樣優(yōu)秀,以及這類車是否真的有市場,還有待觀察。

在重型車輛上發(fā)揮效力的氫能源,最終有望用于公共汽車。雖然價格仍然令人望而卻步,但滿電后可行駛300公里的優(yōu)勢讓它比純電動巴士更勝一籌。

目前,氫能汽車還屬于電動汽車的一種,它通過一塊氫氧燃料電池為車身供電。在這種電池里,氫和氧結合產生水,以水蒸氣的形態(tài)從排氣管排出,它的碳排放量幾乎為零。如果說一輛燃油車跑100公里平均排放17公斤二氧化碳,那么根據(jù)法國蒙田研究所于2017年作出的預測,一輛氫能汽車可將碳排放量縮減至1.4公斤。但是,氫氣在用于發(fā)動機前,必須經過壓縮才行,否則它將占據(jù)巨大的空間。若要續(xù)航100公里,一輛氫能汽車需要1.12萬升的氫氣,相當于一輛槽罐車容積的1/3。但是在7萬千帕的壓強下,便可壓縮氫氣,以便在加氫站供應。目前,法國已經有50多個加氫站為氫能汽車提供氫氣。

如今,這種汽車的燃料易燃性問題已無需擔憂,因為開發(fā)商已在燃料箱中嵌入了多重安全系統(tǒng)。洛林大學的教授杰拉爾德·博諾姆表示:“日本豐田、本田以及韓國現(xiàn)代的氫能汽車運行得都非常好。這是一項經過驗證的技術?!?/p>

對氫能源的追捧始于2002年。美國經濟趨勢基金會主席杰里米·里夫金在《氫經濟》一書中暢想了一種脫離了石油和污染的“儒勒·凡爾納式”文明。但實際上,目前來看,氫氣還遠遠沒達到清潔能源的標準。95%的氫氣源自化石能源,尤其是甲烷,它在被加熱到880℃后與水蒸氣混合,以分離出氫原子,而剩下的碳原子又與氧原子結合,產生了二氧化碳。像這樣,若要獲得一公斤氫氣,就會產生至少十公斤二氧化碳!因此,二氧化碳雖然沒有從氫能源汽車的排氣管出來,卻出現(xiàn)在了最初的制氫過程中。

生產“綠氫”的方式還包括生物質氣化,這種制氫方式無須通過電解作用。圖為研究人員正在克萊蒙–奧弗涅大學的帕斯卡學院做制氫相關實驗。

為了區(qū)分氫氣的生產方式,人們采用了顏色分類法。黑色代表來源是煤炭,灰色代表來源是甲烷,藍色則代表在制氫過程中產生的二氧化碳被捕獲和填埋了……“我不喜歡這些顏色。對我來說,只存在有碳氫和無碳氫兩種?!辈┲Z姆直言不諱地說。然而就目前而言,制氫是會造成碳排放的。國際能源署的報告顯示,全球每年有7000萬噸氫被用于工業(yè)生產(合成氨工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等)。法國每年消費約100萬噸氫氣,這意味著制氫過程中產生的二氧化碳占到了其碳排放總量的3%左右。

事實上,還有一種更環(huán)保的制氫方式——電解水,電只需“打碎”水分子,就能釋放出氫原子。然而,看似足以讓化石燃料出局的這種制氫方式,其產量并不樂觀。“1公斤氫氣能夠產生33千瓦時能源,然而制造它卻需要消耗50千瓦時的電!”博諾姆說。“能源從來不是非黑即白的?!狈▏鴩铱茖W研究中心研究員、法國氫燃料電池協(xié)會成員奧利弗·茹貝爾表示認同。

法國技術學院在2020年6月30日的報告中也表示:“為了促進氫能在運輸上的使用,我們需要增加核電站的產電量?!钡@是部分國家無法做到的:在福島核泄漏發(fā)生后,德國立即決定棄核,重新使用煤炭發(fā)電。因此,通過電解水制造的1公斤氫氣在德國會產生25公斤的碳排放量。也就是說,德國的氫能汽車比傳統(tǒng)汽車更不環(huán)保!

究竟選擇非核電生產的有碳氫還是核電生產的無碳氫,這讓法國陷入了糾結。除非還存在一種完全環(huán)保的選擇——“綠氫”,這一選擇支撐著所有圍繞氫車的樂觀愿景?!啊G氫’是希望,我們只有靠它才能在2050年真正實現(xiàn)碳中和。”四位法國研究者于2020年在雜志《發(fā)展中的世界》中如是說。為此,我們必須使用電解水的“秘方”,但是這里的電必須完全產自可再生能源,如風能、太陽能,也許未來還有生物質能。位于法國莫塞勒省薩爾格米訥市的一個加氫站負責人稱,自2017年起,他們便開始為顧客提供完全產自可再生能源的氫燃料了。

但就目前來看,“綠氫”的制造仍然被邊緣化:僅占到了全球氫氣產量的5%。原因是“綠氫”的制造條件難以掌控:易受天氣影響,具有極大的季節(jié)性。“太陽能和風能就夠了嗎?答案是否定的?!辈┲Z姆說。法國技術學院對此持同樣的觀點:“若氫能汽車占到法國目前汽車保有量的1/3,那么以它們對‘綠氫’的需求,我們就需要近300太瓦時的電,這遠遠超過了100%可再生能源的產電量?!?020年,整個法國通過太陽能和風能所產的電量為52.3太瓦時,才占到“綠氫”所需電量的1/6。

與純電動汽車一樣,氫能汽車也配有一塊電池,其中儲蓄著由燃料反應堆產生的電。然而,氫能汽車的電池也遭到了同樣的抨擊:它的生產過程耗能巨大,且需要用到稀有金屬,尤其是世界上最貴的金屬之一——鉑金(每公斤價值超過2.5萬歐元)。

里夫金口中的“氫經濟”一旦成勢,就會使鉑金的需求和價格飆升,引起地緣戰(zhàn)略大洗牌。某些地方的鉑金產量極高:全世界約70%的鉑金出自南非,俄羅斯排名第二(12%),接下來是津巴布韋(7%)、加拿大和美國。作為鉑金市場的巨頭,南非的比勒陀利亞或將手握氫時代的能源之鑰。

然而,在這一設想令人擔憂的同時,氫燃料電池的推崇者們已經在設法排除這種可能性了。法國氫燃料電池協(xié)會稱,已在鉑金回收領域取得了進步,“最近的科技創(chuàng)新已經將電池內的鉑金含量減少到了之前的1/2000!”日本交通省甚至宣布研制出了一種效果“喜人”的非鉑催化劑?!皻淠芸萍既杂写纳?,”茹貝爾表示,“我們需要減少鉑金在電池中的占比。我們會成功的。”

“氫能汽車的問題在于它不具有任何經濟和能源優(yōu)勢?!辈┲Z姆惋惜道,并稱該類汽車的耗電量是傳統(tǒng)電動汽車的四倍。法國國家科學研究中心主任弗雷德里克·利韋則更加悲觀:“燃料電池的能量轉化效率很難超過50%,加上其他損失,從氫能到電能的真實轉化效率僅為40%?!睋Q句話說,費盡千辛萬苦得來的氫氣,有60%都被浪費掉了。氫能汽車的使用者恐怕只能眼看著自己的錢包縮水:加氫站每公斤氫氣預計售價在10歐元左右?!斑@種能源不會便宜,縱使從長遠來看?!狈▏鴩覛淠芪瘑T會成員菲利克斯·馬特斯稱。

貴的不只有燃料,還有汽車。按照發(fā)動機每千瓦500至1000歐元計算,一輛豐田Mirai——簡單的四門轎車——售價就達7萬多歐元,而現(xiàn)代Nexo則達到了8萬歐元。

正如法國技術學院所說,政府還要從零打造基礎設施,“在需求尚未出現(xiàn)的時候進行投資,目前看來,只有政府才會冒此風險”。據(jù)德國于利??蒲兄行墓烙?,2000萬輛氫能汽車的制造費用就高達500億歐元。法國政府于2020年9月宣布,將在2030年前斥資70億歐元用于氫能源行業(yè)發(fā)展,但私家車并不包含在內。

2018年,法國原子能和替代能源委員會發(fā)布了《氫能推動能源轉型方案》。在此方案中,方向十分明確:能源轉型的重點應放在電能和生物質燃料上,而氫能是最后一招。這一方向主要針對卡車和公交車:在環(huán)境政策的施壓下,這兩類車輛的熱力發(fā)動機需要逐漸被新型發(fā)動機取代。然而,對于重型車輛而言,動力電池一旦超過一定體積,其產生的能量就不足以供給車輛長距離運行?!爱斚碌姆结槕斒牵罕M可能多地使用電力,按需生產氫能?!瘪R特斯總結道。

如此看來,一個由氫能汽車統(tǒng)治的未來世界希望渺茫,這恰恰也是豐田在2020年發(fā)展計劃中發(fā)布的結論。豐田只計劃將氫能源用于重型卡車、物流車輛和公交車。那么如何解釋豐田推出的線條優(yōu)美的Mirai轎車呢?“豐田是氫能源的先驅,”茹貝爾說,“但Mirai的電池其實可以用在卡車上?!币虼?,Mirai就像一個比重卡更美麗、更具說服力的櫥窗,向大眾展示著氫能技術的可行性。但更重要的是,它印證了一點,即《神秘島》中賽勒斯·史密斯那預言般的話語最終只能存在于小說之中。

[編譯自法國《?a M' intéresse》]

編輯:侯寅

2020年,全球共登記10480 輛氫能汽車。韓國現(xiàn)代稱Nexo能夠續(xù)航666 公里 。全球每年因制氫而排放8.3 億噸二氧化碳。

來源:國際能源署

氫能汽車的工作原理和電動汽車相同,但由于它能夠自發(fā)電,其續(xù)航能力是電動汽車的兩倍。

氫能汽車的最初試驗讓工程師陷入了一個兩難境地:應該選擇經典的往復式內燃機,還是應將氫氣納入一個電力系統(tǒng)。第一種解決方案吸引了部分汽車制造商的注意,其中就有寶馬——他們認為可以發(fā)揮自己發(fā)動機生產商的優(yōu)勢。只可惜,電動汽車的普及和氫內燃機的低效最終讓德國制造商放棄了開發(fā)計劃。如今,氫燃料電池的技術已經十分成熟,氫能汽車續(xù)航能力已經能達到700公里。

氫能汽車與普通電動汽車的發(fā)動機沒有本質區(qū)別。在性能方面,氫能汽車毫不遜色。豐田Mirai2的最大功率能達到182馬力,最大扭矩(加速力)可達300牛米。從這些數(shù)字來看,它的性能僅次于梅賽德斯–奔馳A級轎車——不到10秒就可提速到100公里/小時。

這一模塊就好比“汽車的大腦”,它能夠根據(jù)駕駛員的操作,控制引擎的運作和電流的產生。為了控制汽車電力系統(tǒng)的成本,工程師設計時將它放在了發(fā)動機旁。然而這一選擇也有其缺陷,因為該模塊對溫度有要求,必須在-40℃到160℃之間才能正常運行。

它是燃料電池的左膀右臂。燃料電池產生的電流因使用情況而異,如果電流過小,無法滿足駕駛員的提速要求,那么蓄電池就會參與進來。在較為平穩(wěn)的駕駛階段或者剎車時,蓄電池能夠儲存或者回收燃料電池產生的電能。

這是氫能汽車的主打優(yōu)勢:水蒸氣是它唯一的排放物。

氫瓶是氫能汽車的主要安全部件。為了將氫氣置于7萬千帕的壓強下,氫瓶被設計得特別沉:95公斤重的儲罐只為儲存5公斤的氫氣。由于氫氣十分易燃,為防止撞擊和火源引爆氫氣,氫瓶使用了金屬或聚合物外殼。其閥門裝置能夠確保在遭遇事故時,氫氣能快速排出。

作為氫能汽車的核心部件,氫燃料電池能夠將氫能轉化為電能。由于常用鉑金作為導體,因此該電池的價格昂貴。

1、將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極),與此同時,讓氧氣進入電池的陰極板(正極)。

2、一個氫原子分解成兩個帶正電的氫離子和兩個帶負電的電子。

3、氫離子通過一個具有滲透性的交換膜到達電池的陰極板(正極),但電子無法通過交換膜。

4、電子通過電池陽極板和陰極板之間的導線(鉑金)流動,因流動而產生的電流被用來供給發(fā)動機。

5、氫離子和電子在陰極板(正極)和氧氣重新結合,產生水分子,進而被汽車以水蒸氣的形態(tài)排出去。

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