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新技术可以将废热转化为氢燃料

发布日期:2019/11/19



       今年6月,国际能源署(International Energy Agency)证实了大多数专家已经知道的一个事实:世界应该更加努力地推动氢作为一种零排放能源的使用。


       然而,制造氢的挑战之一是它需要大量的能量。国际能源署表示,仅使用电力生产当今所有的氢气将需要3600TWh,这比欧盟每年的发电量还多。


       但如果你可以利用现有的能源浪费来帮助氢的生产呢?挪威科技大学的研究人员开发了一种新方法,利用其他工业过程产生的废热来达到这个目的。


       Kjersti Wergeland Krakhella说:“我们发现了一种利用热量的方法,之前它只是被白白浪费掉。”她是这篇论文的第一作者,该论文发表在学术期刊《MDPI能源》上。“这些是低品位、低温的热能——但它们可以用来制造氢。”


       挪威七分之一的水电产出

 
       废热和它听起来的意思一模一样——工业过程中产生的副产品。从工业锅炉到垃圾发电厂,许多工业过程都会产生废热。


       更多的时候,这些多余的热量会被释放到环境中。能源专家表示,每年挪威工商业产生的废热相当于20TWh的能量。


       从这个角度来看,挪威整个水电系统每年的发电量为140TWh。这意味着有很多废热可以拿来利用。


       膜和盐


       研究人员使用了一种叫做反向电渗析(RED)的技术,它依赖于盐溶液和两种离子交换膜。


       要了解研究人员的实际工作,首先要了解RED技术是如何工作的。






       在RED中,有一种膜叫做阴离子交换膜,或者AEM,它允许带负电荷的电子(阴离子)通过膜,而另一种膜叫做阳离子交换膜,或者CEM,它允许带正电荷的电子(阳离子)通过膜。


      这些膜把稀盐水和浓盐水分开。离子从浓溶液迁移到稀溶液,由于两种不同类型的膜交替出现,迫使阴离子和阳离子向相反的方向迁移。


      当这些交替的水柱被夹在两个电极之间时,电堆就可以产生足够的能量将水分解成氢(在阴极一侧)和氧(在阳极一侧)。


      这种方法是在20世纪50年代发展起来的,首次使用了盐水和河水。


     然而,Krakhella和她的同事所做的是使用一种叫做硝酸钾的盐。这种盐的使用使他们能够利用废热作为过程的一部分。


     利用废热重复利用这些盐


      如果运行上面描述的RED电堆,在某一时刻,浓缩盐溶液和稀释盐溶液浓度会变得越来越接近,因此它们必须被更新。


      这意味着你需要找到一种方法来增加浓溶液中的盐的浓度,并从稀溶液中除去盐。这就是废热可以发挥作用的地方。


     研究人员测试了两种系统。


      第一种是利用废热蒸发浓缩溶液中的水分,使之浓度提高。


      第二种系统利用废热使盐从稀释的溶液中沉淀出来(这样盐就会少一些)。


      Krakhella说:“如果你找到了去除水或盐的方法,你就完成了任务。”


      各有所长


     当研究人员查看他们的结果时,他们发现使用现有的膜技术,利用废热来蒸发系统中的水,单位膜面积产生的氢比沉淀法多。


     从成本的角度来看,这使它成为更好的选择。


     然而,研究人员发现,就能量需求而言,沉淀过程更好。例如,用沉淀法生产一立方米氢气所需的能量仅为8.2kWh,而蒸发法则为55kWh。


      有很多可能性的新系统


       虽然Krakhella的工作证明了这个概念是可行的,但她主要是使用实验室的实验模型和大量的计算机运算。还有很多工作要做,尤其是在选择生产过程中所使用的盐的种类上。


       研究人员目前选择了硝酸钾作为他们的盐系统,但是其他的盐也可以起作用,她说。


    “这是一个全新的系统,”她说。“我们需要对其他浓度的盐做更多的测试。”


       薄膜价格是限制因素


       另一个限制大规模产氢的因素是,膜本身仍然非常昂贵。


       Krakhella希望,随着社会寻求摆脱化石燃料,需求的增加将推动薄膜的价格下降,同时可以改善薄膜本身的特性。


    “膜是我们系统中最昂贵的部分,”Krakhella说。“但每个人都知道,我们需要为环境做点什么,如果我们不开发无污染的能源,付出的代价可能要高得多。”



来源:燃料电池工程 中国新能源网

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