凡尔纳1874年《神秘岛》预言：氢能为太平洋巨轮供能

如何为横渡太平洋的巨轮提供能量?

1874年,儒勒·凡尔纳的科幻小说《神秘岛》里有个人物预言:水经电解后,总有一天会成为未来的燃料。一个半世纪过去,这幅遥远的图景已经在商业工厂里变成现实。不过,还有两个问题待解。

第一,每投入五份能量,就有近两份在过程中损耗掉。第二,制出的氢气分子极小,很容易泄漏。这正是科学、研究与开发要发力的地方。

这和城市有什么关系?

麦德林迎来了"气候周生物多样性"(Climate Week Biodiversity)活动。这是一场关于气候行动的国际会议,首次来到拉丁美洲,Ruta N是分会场之一。

聊到能源转型,总是那几幅熟悉的画面:屋顶的太阳能板,山坡上的风力涡轮机,插着电源的电动车。但有些事,电缆够不着:横渡太平洋的货轮,从波哥大飞往马德里的航班,给咖啡园施肥用的尿素。

针对这些场景,科学界和产业界在找另一条路。他们不再用电缆输送能量,而是把能量储存在分子里。

为什么光靠电缆不够?

如果一项任务能直接用可再生电力完成,这通常是效率最高的选择,浪费也最少。比如,电动机和热泵利用电力的效率,就比任何用电制成的燃料都高。

但有些工作,插头做不了。集装箱船若靠电池驱动,电池会重得装不下货物。跨洋飞机则会缩短航程,或减少载运量。炼钢和生产化肥也不能只靠能量,还需要能与其他物质发生反应的原料。目前,这个角色主要由煤炭和天然气承担。

这就好比给手机充电和给汽车加油的区别。手机插上电线就行。连续航行数周的轮船需要一个油箱,而这个油箱可以装进由太阳和风的能量转化而来的分子燃料。

氢并不与电力竞争。它是把电力送到电缆到不了的地方。

如何把太阳"存"进分子里?

一切从电解槽开始。这种设备用电把水分解成氢气和氧气。这正是凡尔纳设想的过程,如今已有两种技术实现了商业化运行。

不过,未来仍在建设中。这个过程会损失能量,主要以热的形式散失,而这也正是改进的空间。材料则是另一个攻关方向:有些电解槽要用稀有金属,比如铱和铂。

如今全世界用的氢,几乎都来自化石燃料。为了区分制氢方式,人们用"颜色"来分类:灰氢、蓝氢、绿松石氢(青绿氢)和绿氢。真正的区别在于,从生产到使用,每条路线排放了多少温室气体。

怎样减少能量损耗?

多个国家的实验室和中试工厂都在努力,让这个过程少浪费一些。

澳大利亚公司Hysata设计了一种电解池,可以减少气泡造成的损失。德国的Sunfire采用高温电解槽,并利用钢厂的余热。两家公司都报告说,设备能利用每100份能量中的80至84份。目前商用设备约为60份。

还有团队在研发新材料,用少得多的铱就能加速反应。也有团队用镍和铁制造隔膜,这两种金属更丰富,也更便宜。

不过,这些结果由企业根据商业试验自行报告。这些技术能否在大规模应用中证明成本、耐久性和性能,仍有待检验。

国际能源署认为,到2030年前后,技术创新和批量制造有可能让电解槽变得更便宜。但它也说明,这些预测只是情景推演,不是承诺。

从氢到化肥、轮船和飞机

氢气体积大,又难以储存。因此,它的不少用途,是先与其他物质结合,得到更易处理的燃料和材料。

在田间。氢与空气中的氮结合,生成氨。氨是尿素和其他化肥的基础。这个过程叫哈伯-博施法,目前主要依靠化石燃料。它对粮食供应至关重要。研究者瓦茨拉夫·斯米尔(Vaclav Smil)估算,如果没有这种合成氮,地球养不活大约五分之二的人口。

如今的灰氢来自天然气。如果换成低排放的氢,化肥还是原来的化肥,变的是生产时的排放量。

在海上。航运业产生的温室气体,约占全球的百分之三。要减排,主要有两种燃料。

一种是电子甲醇(e-methanol),也就是用低排放氢制成的甲醇。它在常温下是液体,便于处理。马士基(Maersk)已经在运营可使用它的船舶。

另一种是绿氨,用可再生氢制成,不含碳。在制造商瓦锡兰(Wärtsilä)的测试中,一台几乎完全用氨运行的发动机,与同类柴油机相比,温室气体排放最多减少了90%。

在空中。电动飞机目前只适合小型飞机和短途航线。长途飞行的选择是可持续航空燃料。它们用氢和捕集的二氧化碳制成,与现有飞机和机场兼容。

欧盟已经规定了逐步提高的最低掺混比例。这推动企业扩大产量,也让成本不断下降。

在公路上。氢能卡车和区域列车已在真实条件下运行。它们几分钟就能加满,续航里程也长。它们与电池车辆并存。哪种更合适,取决于路线、载重和现有基础设施。

难以捉摸的分子

氢是世界上最小的分子,所以很容易逸出。它无色无味,与空气混合到一定比例时会燃烧,火焰几乎看不见。

因此,安全的第一道防线是传感器。有的探测器能察觉极微量的气体。还有光纤,可以通过光的变化,监测长距离的管道。

储存氢有几种方式。压缩适合车辆和短途。液化可以运送大量氢气,但要冷却到零下约253摄氏度,耗能很大。

从这里出发,能做什么?

Ruta N认为,麦德林和安蒂奥基亚的机会,在于知识、零部件和专业服务。项目要与本地区的能源、水、基础设施和需求相匹配。

接下来有三个问题可以作为方向。

第一,以安蒂奥基亚的资源来看,哪些氢能项目是合理的?

第二,在这条产业链上,传感器、电解槽材料或软件,哪一环可以在麦德林设计?

回到太平洋

科学和产业界用分子来回答这个问题。轮船不能插电,但可以靠储存在绿色甲醇或氨里的太阳能和风能航行。

电缆够得着的地方,它依然是首选。比如,Ruta N的大楼靠水、空气和绿墙降温,而不用机械空调。这帮助节省了40%以上的电力。