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研究氢气作为...的潜在替代品
随着时间的推移，世界各国越来越重视寻找替代能源，以满足全球不断增长的能源需求 (4,5)。为了子孙后代的生存，我们必须迅速从化石燃料转向清洁能源。航空业是全球排放的重要贡献者之一，2018 年美国碳排放量的 2.4% 来自航空业，这是由于燃烧喷气燃料的煤油所致 (6)。与汽车使用的汽油一样，煤油是一种化石燃料，由各种液态碳氢化合物组成，通过精炼石油获得 (7)。为了满足不断增长的全球经济和人口的交通需求，航空业必须克服对煤油的依赖，实现环境可持续。随着氢动力汽车的进步，近年来，氢气已成为一种有前途的潜在飞机燃料来源 (8)。氢气的比能量密度为 120 MJ/kg，几乎是煤油的三倍，是锂离子电池的 100 多倍 (9)。氢气既可以在氧气存在下直接燃烧以驱动内燃机，也可以在燃料电池中与氧气反应产生电流，为电动机提供动力。这两个过程的主要副产品都是水蒸气，这意味着使用氢气发电不会直接产生二氧化碳 (10)。虽然使用氢气不会排放二氧化碳，但生产氢气的各种方法都会排放二氧化碳。目前，美国几乎所有商业生产的氢气都是通过蒸汽甲烷重整 (SMR) 生产的。商业氢气工厂和石油炼油厂在催化剂存在下将高温蒸汽 (700˚C 至 1000˚C) 与甲烷反应生成氢气和一氧化碳 (CO) (11)。由于 CO 是一种致命气体，因此它会与额外的蒸汽反应生成二氧化碳和更多的氢气。纯通过 SMR 生产的氢气被归类为灰色氢气。尽管这是最便宜的方法，但 SMR 会排放大量二氧化碳 (11)。然而，通过碳捕获和储存 (CCS) 技术可以减少 SMR 的大量排放，该技术使用各种化学方法在源头回收二氧化碳并将其储存在地下深处。目前的 CCS 技术可以捕获高达 80% 的释放二氧化碳 (12)。当 SMR 与 CCS 结合时，产生的氢气被归类为蓝色氢气
2 鲁汶天主教大学化学工程系环境与过程技术实验室，2860 Sint-Katelijne-Waver，比利时 *通讯作者：hl_liu
电子燃料和电子化学品主要需要“绿色”电力及其相关的“绿色”氢气生产。具有高光伏和风电潜力的地区是直接的候选地区。电子化学品的潜在国家是北非和南非地区、美国、中国、澳大利亚和南美洲。欧洲。另一方面，欧洲可能成为“绿色”氢气的主要出口国。预计目前交易的化学品中有 25% 到 35% 可以被电子化学品取代。有机（例如甲酸、甲醇等）和无机或矿物工艺（石灰、水泥、磷酸盐和氨）的例子针对的是可再生能源可能至关重要的化学品。图 1 (A) 总结了公认的电子燃料和电子化学品优先合成路线。甲醇、甲烷、氢气和氨是相当直接的路线，而费托合成更为复杂，但可以生产多种液态碳氢化合物。图 1 (B) 显示了当前对燃料和化学品的需求，以目标化学品的高健康值 (HHV) 为单位表示为 TWh。由于主要通过使用电动和混合动力汽车来改变运输需求，对液态碳氢化合物的需求预计将大幅下降。然而，其他产品的需求将会增加。图 1 (C) 显示了电子燃料和电子化学品的估计数量。到 2050 年，电子氢气、电子氨和电子甲醇应该可以满足市场需求。然而，所需的电子甲烷和电子液态碳氢化合物将无法满足约 20% 到 30%。初步经济评估表明，到 2050 年，LCOEC（电子化学品的平准化成本）总体上可以下降 5% 到 10%。在这些新颖的 H 2 生产方法中，主要是生物乙醇、“绿色”甲烷和氨（例如在废水处理的厌氧消化中产生的）的催化重整可以降低生产成本。使用锰铁氧体和 Na 2 CO 3 进行水分解可以以接近 1 美元/千克 H 2 的成本生产 H 2 。H 2 产量取决于所用工艺，煤气化中为 50% 至 60%，PEM 电解或生物质气化中约为 70%，甲烷蒸汽重整中为 70% 至 85%，催化氨或甲烷分解中为 80% 以上，氧化还原循环水分解中为 85% 以上。这些结果如图 1 (D) 所示。
执行摘要
议程和演示文稿可在此处获取。 [1] 介绍会议——背景介绍 CERT 副主席兼日本能源经济研究所董事会成员 Toshiyuki Sakamoto 和经济产业省自然资源能源局国际事务部主任 Hidechika Koizumi 致欢迎辞。EGRD 副主席兼应用能源研究所研究主任 Atsushi Kurosawa 对主办方的参与表示欢迎，丹麦技术大学 EGRD 主席 Birte Holst Jørgensen 概述了 EGRD 活动。IEA 氢能和替代燃料部门负责人 Uwe Remme 介绍了 IEA《2021 年全球氢能评估》的主要发现。预计 2020 年氢气需求量为 9000 万吨，工业和炼油行业会消耗这些氢气。在零排放承诺下，2030 年氢气需求量可能达到 1.2 亿吨。新的低碳制氢项目正在进行中，到 2030 年，约有 1700 万吨氢气可能来自化石燃料，采用 CCS 和可再生电解技术。欧盟委员会清洁氢能任务主任 Matthijs Soede 介绍了 2021 年 6 月启动的创新任务 (MI) 清洁氢能任务的现状。欧盟已开始从生产到最终使用创建 MI 氢谷，其三大支柱是研究和创新、氢谷示范和创造有利环境。COP26 之后，清洁氢能将讨论潜在的行动计划、实施方案和进展审查。[2] 氢能政策会议日本经济产业省自然资源能源局先进能源系统和结构部氢能和燃料电池战略办公室副主任 Hiroki Yoshida 介绍了日本最新的能源政策和面向氢能经济的行动。日本政府已设定了氢气成本降低目标，到 2030 年降低至 3 美元/千克，到 2050 年降低至 2 美元/千克以下，目标是到 2030 年氢气市场容量达到 300 万吨，到 2050 年达到 2000 万吨。为实现这一目标，政府将重点关注整个氢气系统的政策，包括需求方、生产和运输基础设施。在第六个战略能源计划中，氢/氨在 2030 年发电结构中的份额为 1%。由于日本国内能源资源有限，该计划将从海外大量进口氢气。日本还在促进有关氢技术和燃料的国际对话方面发挥着主导作用。自 2018 年以来，各国政府每年都在日本主办氢能部长会议。在 2021 年 10 月举行的最近一次会议上，30 多个政府分享了扩大氢气生产和使用的政策方向。 Luca Pollizi , 氢能研究与创新政策官员，欧盟委员会概述了欧盟的氢能政策。欧盟委员会从联盟层面、国家和地区以及国际三个维度支持向氢能经济转型。氢能战略提出了欧洲的生产目标，到2024年氢气产量达到100万吨，到2030年氢气产量达到1000万吨。联合承诺中的公私合作伙伴关系支持欧洲和国外的氢能项目，而催化剂基金等混合融资机制则支持欧盟成员国之间的活动。许多欧盟成员国将公布和分发计划，以加强整个欧洲对长期目标的承诺，在区域层面，超过19个地区将采用氢能技术。美国能源部能源效率和可再生能源办公室氢能与燃料电池技术办公室高级顾问Eric Miller总结了美国氢能政策的现状。在美国，联邦目标包括到 2050 年实现净零排放，到 2035 年实现 100% 无碳污染的电力部门。氢能将使各行业脱碳，特别是在重型运输和工业等难以减排的行业。墨西哥湾地区的氢气生产设施通过天然气重整为炼油厂生产氢气。超过 1600 英里的氢气管道主要位于墨西哥湾地区，而世界上最大的储氢洞穴位于美国。氢能地球计划于 2021 年 6 月启动，其标语“111”雄心勃勃的目标是在 10 年内实现每 1 千克清洁氢气 1 美元的成本。氢能计划中的先进途径包括通过太阳能直接分解水、热化学和生物发酵。自然资源和最终用途的区域机会多种多样。从生产到最终用途的运输是利用美国氢气成本的关键。美国能源部的美国氢能计划将涵盖可再生能源、化石能源和碳管理以及核能。美国在氢能相关的国际活动方面非常活跃。美国能源部能源效率与可再生能源办公室总结了美国氢能政策的现状。在美国，联邦目标包括到 2050 年实现净零排放，到 2035 年实现 100% 无碳污染电力部门。氢能将使各行业脱碳，尤其是重型运输和工业等难以减排的行业。墨西哥湾地区的氢气生产设施通过天然气重整为炼油厂生产氢气。超过 1600 英里的氢气管道主要位于墨西哥湾地区，而世界上最大的储氢洞穴位于美国。氢能地球计划于 2021 年 6 月启动，其标语“111”雄心勃勃的目标是在 10 年内实现每 1 公斤清洁氢气 1 美元。氢能计划中的先进途径包括太阳能直接分解水、热化学和生物发酵。自然资源和最终用途的区域机会多种多样。从生产到最终使用的运输是美国降低氢气成本的关键。美国能源部的美国氢能计划将涵盖可再生能源、化石能源和碳管理以及核能。美国在与氢能相关的国际活动中非常活跃。美国能源部能源效率与可再生能源办公室总结了美国氢能政策的现状。在美国，联邦目标包括到 2050 年实现净零排放，到 2035 年实现 100% 无碳污染电力部门。氢能将使各行业脱碳，尤其是重型运输和工业等难以减排的行业。墨西哥湾地区的氢气生产设施通过天然气重整为炼油厂生产氢气。超过 1600 英里的氢气管道主要位于墨西哥湾地区，而世界上最大的储氢洞穴位于美国。氢能地球计划于 2021 年 6 月启动，其标语“111”雄心勃勃的目标是在 10 年内实现每 1 公斤清洁氢气 1 美元。氢能计划中的先进途径包括太阳能直接分解水、热化学和生物发酵。自然资源和最终用途的区域机会多种多样。从生产到最终使用的运输是美国降低氢气成本的关键。美国能源部的美国氢能计划将涵盖可再生能源、化石能源和碳管理以及核能。美国在与氢能相关的国际活动中非常活跃。
绿色氢技术的最新进展
在 20 世纪，全球能源系统主要基于石油、天然气和煤炭等化石燃料的使用。然而，这些燃料的密集使用在可用性和对环境的影响方面产生了严重的问题。由于大量使用化石燃料，以及工业化国家和发展中国家对能源的需求不断增长，这种能源模式显然是不可持续的。同时，化石燃料的密集使用导致二氧化碳排放量大幅增加，而二氧化碳排放量是造成温室效应的原因。在这一框架下，世界上大多数政府都意识到这种能源模式不再可持续，应该开发一种基于无碳燃料的新能源系统。在这里，可再生能源的作用至关重要，因为它们能够生产用于供暖和制冷的电力，避免二氧化碳排放和化石燃料消耗。核电站也可以实现类似的结果，核电站可以生产大量电力而不会排放二氧化碳。然而，核电站受到与运行安全和核废料处置有关的问题的影响。在一些情况下，可再生能源和核电站的结合使用被认为是实现从当前能源系统向完全脱碳能源系统过渡的最具吸引力的战略。根据国际能源署 (IEA) [ 1 ] 的数据，预计未来几年该领域将有大量投资，尤其是可再生能源技术的开发。然而，IEA 还估计，全球二氧化碳排放量预计在未来几年将增长。因此，新技术的开发和应用以及适当的能源政策和法规 [ 2 ] 对于限制温室效应至关重要 [ 3 ]。在此框架下，欧盟 (EU) 计划在 2030 年前将排放量与 1990 年代的水平相比至少减少 40% [ 4 ]，并将可再生能源生产的份额提高到至少 32%，并将能源效率提高至少 32.5%。最终目标是到 2050 年实现完全脱碳的能源系统 [ 5 ]。在这种情况下，使用氢气特别有吸引力，因为氢气的能源利用不会产生任何二氧化碳排放。不幸的是，地球上氢气作为燃料的储量微乎其微，必须通过不同的技术生产。最常见的是蒸汽重整过程，将碳氢化合物转化为二氧化碳和氢气。该技术的缺点是间接产生二氧化碳。然而，也可以通过电力驱动的水电解生产氢气。在这种情况下，当电力由可再生能源提供时，不会产生二氧化碳。因此，通过可再生能源电解生产的氢气也被称为“绿色氢气”，正如下一节所讨论的，这是一种非常有吸引力的解决方案，既可以作为燃料，也可以作为能源存储系统。
组织科学活动的问题
最高统帅对俄军的发展方向表示乐观，指出要倍增现代和新一代装备的供给，形成先进的科技储备，开发和掌握先进的装备。开发生产有竞争力的军事产品的关键技术。与此同时，军队重整的重点是俄罗斯军工综合体和科学基础（普京，2012）。科学活动组织的社会性质，包括军事领域的活动，是毋庸置疑的，因此，军事科学组织的原则和军事科学家的社会地位成为现代军事发展的重要因素；技术和科学研究。在学科方法的框架内，军事科学被认为是关于战争的战略性质和规律、武装部队和国家的战争建设和准备以及进行武装斗争的方法的知识体系。军事科学的传统组成部分是：战争理论；军事艺术理论——战略、作战艺术和战术；军事发展理论；武装部队指挥与控制理论；武装部队类型理论；民防理论；军事经济与后勤理论；军事训练和教育理论以及军事史。武器和军事装备发展理论占有特殊的、在某些情况下可预测的地位（Military...，2004）。军事科学作为一种社会制度，是在军事主题框架内从事科学知识生产的社会主体的社会角色、关系和行为定型的系统。军事科学社会研究所的主体可以是在国防部的部门科学机构和大学以及处理军事安全问题的其他科学组织中开展科学活动的个体科学家、科学团队和科学团体。俄罗斯军事科学的制度化始于18世纪末至19世纪初。俄罗斯军事科学机构出现的先决条件随着 1763 年俄罗斯军队总参谋部的成立而出现——一个能够对国家武装部队实行统一、集中控制的军事机构。在他的领导下，第一个军事图书馆和档案馆出现了。它们包含历史文献 - 战斗过程的描述、计划和地图以及部队的部署。根据这些材料，制定了用于训练部队在战场上行动的指示和文章。1812年，军事科学委员会（MSC）在我国军事史上首次在陆军部成立。它包括六个常任理事国，以及来自俄罗斯和其他国家的名誉会员和通讯会员（军事科学...，2013）。随后，组织科学活动的职能由其他机构承担，并在19世纪末出现了第一个军事科学家公共协会——军事知识倡导者协会，该协会开展研究和教育工作功能。目前，国防部的军事科学管理机构是俄罗斯联邦武装力量军事科学委员会（以下简称VNK），成立于1999年。VNK 包括国防部研究机构和高等教育机构研究单位
CO2 捕获过程模拟与实验研究
二氧化碳是目前最主要的温室气体 (GHG)，全球每年向大气中的排放量已达到约 360 亿吨（1950 年排放量为 60 亿吨）。[1] 为履行《巴黎协定》并将全球变暖控制在远低于工业化前水平 1.5-2 ◦ C 的水平，到 2050 年后，温室气体净排放量必须变为零甚至为负值 [2]。在降低工业过程的能源强度和碳足迹方面已经取得了重大进展，但这一努力必须伴随着二氧化碳捕获和永久储存 (CCS) 的明确部署。CCS 是一个从二氧化碳捕获到运输和长期储存的流程链，其中二氧化碳捕获是最昂贵和耗能最高的步骤 [1]。 CCS 仍需要大规模部署才能实现减缓气候变化的目标，因为目前被捕获并最终封存的二氧化碳不到 4000 万吨 [3]。已确定的三种二氧化碳捕获策略是：燃烧后、燃烧前和富氧燃烧。燃烧后技术在相对较低的二氧化碳分压下（通常含有 10% 到 15% 的二氧化碳）从烟气中去除二氧化碳。燃烧后被认为是一种末端解决方案，可以集成到现有工艺中，只需对工厂布局进行合理的少量改动。然而，其效率在具有多个二氧化碳排放点（锅炉、熔炉等）的行业中受到限制，例如钢铁制造厂和石油炼制行业（两者的碳排放量约占全球的 12%）[4]。在预燃烧系统中，碳以 CO 和 CO 2 的形式存在，这些物质是先前的蒸汽重整或气化过程的产物。然后，这些碳被完全转化为 CO 2，并在高压下与氢气分离。近年来，低碳氢气的生产引起了人们的极大兴趣，它可以用作清洁能源或作为生产氨、甲醇或合成燃料（主要通过费托合成）的原料，是一种持续减少这些行业碳足迹的方法 [5]。最后，在富氧燃烧系统中，燃料的燃烧是在纯氧而不是空气中进行的，由于进入的助燃气体中不含氮，因此可以产生几乎纯净的 CO 2 气流。然而，为了保持 CO 2 的纯度，必须避免系统中任何潜在的空气渗入，这意味着需要严格且昂贵的安全程序。本期特刊汇编了来自不同学科的杰出研究人员所开展的创新研究的成功论文，这些研究将为二氧化碳捕获和储存技术领域的先进技术提供实质性进展。以下总结了本期特刊中主要研究方向和研究结果的相关特征。迄今为止，绝大多数大型试点和商业化二氧化碳捕获、运输和封存工厂都是在发达国家启动的。这是因为，旨在实施推广 CCS 的政策和监管框架的主要努力已在发达国家实施 [ 6 ]。然而，预计未来几十年发展中国家的能源需求将强劲增长，因此，大约 70% 的 CCS 开发应在这些地区进行，以满足长期需求。