垃圾制氢,能帮人类摆脱生态危机吗
2020-07-26
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下一代最**的能源解决方案是什么?

风能、太阳能、潮汐能,也许并不足以使世界经济脱碳,最有可能实现这一目标的是氢能源。

氢能源应用广泛、方便储存运输、零排放,几乎是**能源。然而,全球目前超过95%的氢气都是由化石燃料制备,商业化制氢存在严重污染。

目前,美国一些公司已经开始尝试商业化垃圾制氢,这种方案有望帮助地球摆脱环境困境。

所有交通工具都能氢能源

各国都在押注氢能源,尤以日本线路最为激进。

丰田高压储氢罐

丰田就一直在钻研氢燃料电池,拥有燃料电池堆、高压储氢罐、燃料电池系统控制以及加氢站技术等大量专利,也研发出了量产氢燃料汽车。

丰田氢燃料电池汽车

为此,日本政府已建造了约100个加氢站,计划到2026年再建造300个加氢站。

汽车在加氢站加氢

为了东京奥运会,日本政府又投资了400亿日元(3.48亿美元)建设氢基础设施,比如奥运会运动员村的住宅,就全部依靠氢能,该街区的商业设施也采用氢能。

东京奥运会运动员村示意图

除了日本,美国、德国等国家也早就在氢能上发力。

早在2002年,时任美国总统小布什就推动了一项计划,促进研究、生产和储存氢能源,并鼓励更多企业开发氢燃料电池,旨在减少污染,减轻对化石能源的依赖。

2018年,美国造船厂(AAM)开始建造美国第一艘84座氢燃料电池船,该船今后将在加利福尼亚湾地区运营。

氢气船概念图

去年春季,美国公司ZeroAvia制造的氢燃料电池飞机获得FAA(美国联邦航空管理局)初始认证并试飞成功。

ZeroAvia首次试飞成功

2018年,德国推出了世界上第一批氢燃料电池火车,两列火车在德国北部约100公里的线路上进行了试跑。

氢燃料电池火车

预计到2021年,投运的氢燃料电池火车将达到14列。

即便印度,也对氢能源表现出浓厚兴趣。

由于印度环境污染严重,特别是德里长期遭受空气污染,印度政府已希望转向氢能源来解决空气污染危机。

印度空气污染严重

去年12月,印度政府已经向**法院提交氢燃料提案的完整报告,希望在德里引入日本开发的氢燃料技术,替代目前的化石能源。

印度石油部长更是公开呼吁发展氢燃料电池,韩国现代汽车也做出配合,评估在印度推出氢燃料电池汽车的可行性。

印度石油部长视察氢燃料电池汽车

不是所有氢能源都是绿色

美国能源部下属阿贡国家实验室的研究人员表示,氢燃料的需求越来越旺盛,但是目前商业化制氢还存在严重污染。

根据生产方式的不同,商业制氢分为“灰色氢”、“蓝色氢”、“绿色氢”。

“灰色氢”主要是通过化石燃料产生,比如蒸汽甲烷重整。

化石燃料制氢示意图

这种以化石燃料为基础获得的氢气并不环保,数据显示,每生产1吨“灰色氢”,就会同时增加9-12吨二氧化碳排放。

目前,全球超过95%的氢气都来源于此。

研究人员直截了当指出,“目前氢气使用看似清洁,但只是将碳排放转移到了上游,从汽车转移到制氢工厂。”

不同氢气的生产途径

而“蓝色氢”同样是基于化石燃料生产氢气,但可以捕获或者储存制氢过程中排放的二氧化碳。

由于不可能捕获所有产生的二氧化碳,因此这种氢气也叫做“低碳氢”。

“蓝色氢”生产依旧靠化石能源

“绿色氢”指的就是以风力、太阳能等可再生能源电力电解水产生氢气,这种方式获得的氢气可以实现绿色零排放。

“蓝色氢”,甚至“绿色氢”,才是今后研究的重点。

阿贡国家实验室的研究人员指出,生产“绿色氢”需要大量淡水和大规模可再生电力才谈得上实用,这种方式制氢可能只有在冰岛等地热能丰富的国家才行得通。

“绿色氢”零排放

美国公司落地垃圾制氢

然而,目前已经有美国公司开始尝试商业化垃圾制氢,以实现“碳中和”排放甚至“负碳”排放。

垃圾制氢,并不是美国**,欧洲氢能组织及日本科学界一直都在研究。

可以说,垃圾制氢是一种比较现实的技术路线。

可制氢的垃圾来源很多

农业残渣、林业残渣、城市固体废弃物等垃圾的主要构成就是有机物,通过大于700℃的生物质气化技术,最后生成氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和灰分(炉渣)。

一氧化碳、甲烷等再进行变换反应,生成二氧化碳和氢气,最后通过吸附剂或其他特殊材质将氢气和二氧化碳分离,就可以得到纯净的氢气。

生物质气化技术

目前,美国Ways2H公司就和日本蓝色能源公司(JBEC)合作,引入了成熟的日本技术,在美国加州建立了垃圾制氢工厂。

Ways2H公司采用的垃圾制氢方法,根据实际情况调整了一些环节。

Ways2H公司的垃圾制氢设备

比如先将垃圾中不含碳和氢的物质(比如玻璃和金属)剔除,然后干燥切成0.5-3厘米的碎片再进行气化,在气化时,温度控制在650℃左右。

最终,装有吸收材料的储罐可以将二氧化碳吸收,剩下的氢气就能过滤出来了。

根据垃圾的不同,每吨进入反应炉的垃圾会产生30-120公斤不等的氢气,一般情况下会稳定在40-50公斤。

Ways2H 公司

目前Ways2H的工厂提供两种制氢方案,一种是移动解决方案,每天只能处理1吨垃圾;另一种是固定解决方案,每天可处理8-50吨垃圾。

Ways2H公司创始人兼CEO金德勒提到,由于原料来源复杂,反应炉温度较难控制,他们还使用了小型陶瓷珠,这些陶瓷珠与垃圾一起进入反应炉,起到稳定炉内温度的作用。

Ways2H公司创始人兼CEO金德勒

另外,金德勒还说,制氢过程中释放的二氧化碳量等于垃圾原料中的二氧化碳量,而通过捕捉和封存释放的二氧化碳,整个过程就能实现“负碳”。

除了Ways2H公司,越来越多的美国公司也看到了其中的商机。

佛罗里达州的Standard Hydrogen公司也加入到了商业制氢领域,他们用的同样是垃圾,但偏向于城市固体废物。

轮胎、塑料、纸张、床垫等固体废物与液态硫混合,其中硫与废物中的氢结合生成硫化氢,同时也会和碳或者其他化合物结合,生成无毒易处置的副产品。

最终,通过回收硫化氢分解出氢气,而剩下的硫则继续回到生产循环中。

目前,Standard Hydrogen公司已经推出了试验版本的反应炉,计划在2021年将工厂投入使用。

加氢站

垃圾制氢的一举两得

从制氢成本看,目前用垃圾制氢还谈不上划算。

金德勒说,目前测算下来,垃圾制氢的成本大约是5美元(35元人民币)/公斤,5年内有望降到3美元(21元人民币)/公斤。

而Standard Hydrogen公司预计,其生产氢气的成本价为4-5美元(28-35元人民币)/公斤。

化石燃料制氢便宜但排放高

“灰色氢”的成本显然更低,以煤炭、天然气制氢,成本不到2美元/公斤。

虽然垃圾制氢显然还有一大段“降成本”的路要走,但若考虑到用风能或太阳能等再生电力电解水制氢,成本高达11-16美元(77-112元人民币)/公斤,垃圾制氢的优势还是非常明显。

况且,垃圾制氢的意义不只在制氢,还能有效处理垃圾。

城市垃圾填埋场,是美国与人类相关的第三大甲烷排放源,约占美国甲烷排放的14%。

比如美国洛杉矶的普恩特山垃圾填埋场,尽管近十年来都没有接收新垃圾,但它依然是全美最大的垃圾场,目前还有1.3亿吨垃圾。

美国普恩特山垃圾填埋场

每隔一分钟,这个垃圾填埋场就会释放出约850立方米的填埋气,主要是微生物作用下产生的二氧化碳和甲烷,大部分填埋气会被管网回收,用于生产电力,但垃圾还是被浪费了。

2016年,美国能源部的报告显示,美国每年会产生大约10亿吨包括垃圾在内的干燥生物质,足够生产5000万吨的氢能源,而这些氢能源如果能够完全生产和使用,将可能替代美国90%的汽油消耗。

金德勒说,他利用垃圾作为原料生产氢,其中一点原因就是希望能够解决垃圾问题,如果可以,今后说不定人类就不需要普恩特山这样的垃圾填埋场了,垃圾将得到妥善处理,能源也将更加清洁,这是帮助地球摆脱现在环境困境的一大机会。

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