氫有可能成為一種氣候友好型燃料，因?yàn)樗谧鳛槟茉词褂脮r(shí)不會(huì)釋放二氧化碳。然而，目前大多數(shù)生產(chǎn)氫的方法都涉及化石燃料，這使得氫在其整個(gè)生命周期中都無(wú)法稱(chēng)之為“綠色”。
麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們開(kāi)發(fā)了一種新工藝，可以顯著減少與制造氫有關(guān)的碳足跡。
去年，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，他們可以通過(guò)結(jié)合海水、回收的汽水罐和***來(lái)生產(chǎn)氫氣。當(dāng)時(shí)的問(wèn)題是，桌面工藝能否在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用，以及環(huán)境成本是多少。
現(xiàn)在，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)“從搖籃到墳?zāi)埂钡纳芷谠u(píng)估，以工業(yè)規(guī)�？紤]了這一過(guò)程的每一步。例如，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了與獲取和加工鋁、與海水反應(yīng)產(chǎn)生氫以及將燃料運(yùn)送到加氫站相關(guān)的碳排放量。在加氫站，司機(jī)可以將氫氣罐插入發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池汽車(chē)。他們發(fā)現(xiàn)，從端到端，新工藝產(chǎn)生的碳排放量只相當(dāng)于傳統(tǒng)制氫工藝的一小部分。
在今天發(fā)表在《Cell Reports Sustainability》上的一項(xiàng)研究中，研究小組報(bào)告說(shuō)，每產(chǎn)生一公斤氫，在整個(gè)生命周期內(nèi)，該過(guò)程將產(chǎn)生1.45公斤二氧化碳。相比之下，以化石燃料為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程每生產(chǎn)一公斤氫氣會(huì)排放11公斤二氧化碳。低碳足跡與其他提出的“綠色氫”技術(shù)（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）相當(dāng)。
主要作者Aly Kombargi博士今年春天從麻省理工學(xué)院畢業(yè)，獲得了機(jī)械工程博士學(xué)位，他說(shuō)：“我們?cè)诰G色氫的大致范圍內(nèi)。這項(xiàng)工作突出了鋁作為清潔能源的潛力，并為運(yùn)輸和遠(yuǎn)程能源系統(tǒng)中的低排放氫部署提供了可擴(kuò)展的途徑�！�
這項(xiàng)研究的共同作者是麻省理工學(xué)院的布魯克·鮑、伊諾克·埃利斯和機(jī)械工程教授道格拉斯·哈特。
氣泡
將鋁罐放入水中通常不會(huì)引起太大的化學(xué)反應(yīng)。這是因?yàn)楫?dāng)鋁暴露于氧氣中時(shí)，它會(huì)立即形成一層屏蔽層。如果沒(méi)有這個(gè)屏蔽層，鋁以純凈的形式存在，當(dāng)與水混合時(shí)很容易發(fā)生反應(yīng)。發(fā)生的反應(yīng)涉及到鋁原子，它有效地分解水分子，產(chǎn)生氧化鋁和純氫。不需要太多的金屬就能產(chǎn)生大量的氣體。
Kombargi表示：“使用鋁的主要好處之一是單位體積的能量密度。用非常少量的鋁燃料，就可以為氫燃料汽車(chē)提供大部分動(dòng)力�！�
去年，他和哈特開(kāi)發(fā)了一種鋁基制氫的配方。他們發(fā)現(xiàn)，用少量鎵銦處理鋁可以刺穿鋁的天然保護(hù)層，鎵銦是一種稀有金屬合金，可以有效地將鋁磨成純凈的形式。然后，研究人員將純鋁顆粒與海水混合，觀察到反應(yīng)產(chǎn)生了純氫。更重要的是，水中的鹽有助于沉淀鎵銦，該團(tuán)隊(duì)隨后可以回收并再利用以產(chǎn)生更多的氫，從而節(jié)省成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)循環(huán)。
Kombargi表示：“我們?cè)跁?huì)議上解釋這個(gè)過(guò)程的科學(xué)原理，我們得到的問(wèn)題是，'這要花多少錢(qián)？'以及'它的碳足跡是多少？所以我們想以一種全面的方式來(lái)看待這個(gè)過(guò)程。”
可持續(xù)的循環(huán)
在他們的新研究中，Kombargi和他的同事們進(jìn)行了一個(gè)生命周期評(píng)估，以估計(jì)鋁基制氫的環(huán)境影響，從采購(gòu)鋁到生產(chǎn)后運(yùn)輸氫的每一步。他們開(kāi)始計(jì)算與產(chǎn)生1公斤氫相關(guān)的碳排量——他們選擇這個(gè)量作為實(shí)際的、消費(fèi)者層面的例證。
Kombargi，指出：“一輛氫燃料電池汽車(chē)使用一公斤氫，你可以行駛60到100公里，這取決于燃料電池的效率�！�
他們使用Earthster進(jìn)行了分析。Earthster是一個(gè)在線(xiàn)生命周期評(píng)估工具，它從產(chǎn)品和工藝及其相關(guān)碳排放的大型存儲(chǔ)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)考慮了多種使用鋁生產(chǎn)氫的方案，從地球開(kāi)采的“原”鋁開(kāi)始，到從汽水罐和其他產(chǎn)品中回收的“二次”鋁，并使用各種方法運(yùn)輸鋁和氫。
在對(duì)大約十幾個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行生命周期評(píng)估后，該團(tuán)隊(duì)確定了一個(gè)碳足跡最低的場(chǎng)景。這一設(shè)想以再生鋁和海水為核心。再生鋁和海水是一種自然資源，回收鎵銦可以節(jié)省大量的排放。他們發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，從開(kāi)始到結(jié)束，每產(chǎn)生一公斤氫，就會(huì)產(chǎn)生大約1.45公斤的二氧化碳。據(jù)他們計(jì)算，生產(chǎn)這種燃料的成本約為每公斤9美元，與風(fēng)能和太陽(yáng)能等其他綠色技術(shù)產(chǎn)生的氫的價(jià)格相當(dāng)。
研究人員設(shè)想，如果低碳工藝擴(kuò)大到商業(yè)規(guī)模，它將是這樣的：生產(chǎn)鏈將從回收中心的廢鋁開(kāi)始。鋁將被粉碎成顆粒，然后用鎵銦處理。然后，司機(jī)可以將預(yù)處理過(guò)的顆粒作為鋁“燃料”運(yùn)輸，而不是直接運(yùn)輸可能揮發(fā)的氫。這些顆粒將被運(yùn)送到一個(gè)理想的靠近海水來(lái)源的燃料站，然后可以根據(jù)需要將海水與鋁混合，產(chǎn)生氫氣。然后，消費(fèi)者可以直接將氫氣注入內(nèi)燃機(jī)或使用燃料電池的汽車(chē)中。
整個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一種以鋁為基礎(chǔ)的副產(chǎn)品勃姆石（boehmite），這種礦物通常用于制造半導(dǎo)體、電子元件和許多工業(yè)產(chǎn)品。Kombargi說(shuō)，如果這種副產(chǎn)品在制氫后被回收，它可以賣(mài)給制造商，進(jìn)一步降低整個(gè)過(guò)程的成本。
Kombargi表示：“有很多事情需要考慮。但這個(gè)過(guò)程是有效的，這是最令人興奮的部分。我們證明了它在環(huán)境上是可持續(xù)的�！�
該組織正在繼續(xù)發(fā)展這一進(jìn)程。他們最近設(shè)計(jì)了一個(gè)小型反應(yīng)堆，大約一個(gè)水瓶大小，用鋁球和海水產(chǎn)生氫氣，足以為一輛電動(dòng)自行車(chē)提供幾個(gè)小時(shí)的動(dòng)力。他們之前證明了這個(gè)過(guò)程可以產(chǎn)生足夠的氫來(lái)為一輛小型汽車(chē)提供燃料。該團(tuán)隊(duì)還在探索水下應(yīng)用，并正在設(shè)計(jì)一個(gè)氫反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆可以吸收周?chē)暮Ｋ�，為小船或水下航行器提供�?dòng)力。
這項(xiàng)研究得到了麻省理工學(xué)院葡萄牙項(xiàng)目的部分支持。
（素材來(lái)自：MIT 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）
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