“地質(zhì)氫能電池”：煤炭在清潔能源轉(zhuǎn)型中的新角色
來源：中國石化網(wǎng) 時(shí)間：2023-11-09 09:02
當(dāng)前，全球都在開發(fā)氫能并將其作為一種清潔能源，以減少對化石燃料的依賴。在層出不窮的氫能源新技術(shù)中，有一個(gè)大家意想不到的領(lǐng)域，那就是煤炭。近期，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，煤炭可能是一種儲存氫氣的潛在方式，就像電池儲存能量供未來使用一樣，這解決了開發(fā)清潔能源供應(yīng)鏈的一個(gè)重要障礙。
“我們發(fā)現(xiàn)煤炭可以成為地質(zhì)氫能電池?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)能源與礦業(yè)工程副教授劉世民說，“我們可以注入和儲存氫能，并在需要時(shí)使用?！?/p>
煤炭可以作為地質(zhì)儲氫的選擇
氫氣是一種清潔燃料，在全球經(jīng)濟(jì)中最耗能的領(lǐng)域——交通、電力生成和制造業(yè)中有很大潛力。但是科學(xué)家們表示，要建立氫能基礎(chǔ)設(shè)施并使其成為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和可靠的能源來源，還有很多工作要做。
科學(xué)家們的研究還包括開發(fā)儲存氫氣的方法，目前的氫能開發(fā)方法成本高昂且效率低下。科學(xué)家們表示，與地質(zhì)構(gòu)造結(jié)合是一個(gè)合適的選擇，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造中可以儲存大量的氫氣，以滿足每天或季節(jié)性變化的能源需求的峰谷起伏。
“我們對煤炭進(jìn)行了深入研究，因?yàn)閺拿禾恐猩虡I(yè)化生產(chǎn)天然氣已有近半個(gè)世紀(jì)的歷程?！眲⑹烂裾f，“我們對這一過程有所了解，并且曾經(jīng)建造過大量基礎(chǔ)設(shè)施。我認(rèn)為，煤炭將是進(jìn)行地質(zhì)氫能儲存的合理選擇?！?/p>
為了驗(yàn)證這一推論，科學(xué)家們分析了來自美國各地的八種煤炭，以更好地了解它們的吸附和擴(kuò)散潛力，亦即它們能夠儲存多少氫氣。
科學(xué)家們在《應(yīng)用能源》雜志上報(bào)告稱，所有八種煤炭都表現(xiàn)出了可觀的吸附特性，來自弗吉尼亞東部的低揮發(fā)分無煙煤和來自賓夕法尼亞東部的無煙煤在測試中表現(xiàn)最好。
“從科學(xué)角度來看，煤炭極有可能是地質(zhì)儲存的首選。我們發(fā)現(xiàn)煤炭優(yōu)于其他地質(zhì)構(gòu)造，并且在全國范圍內(nèi)和人口密集地區(qū)易于獲取?！?/p>
已耗盡煤氣層更適于儲氫
研究發(fā)現(xiàn)，已耗盡的煤氣層儲庫可能是最佳的選擇。這些煤層包含類似甲烷的非常規(guī)天然氣，幾十年來已成為重要的化石燃料能源來源。甲烷會附著在煤炭表面，這個(gè)過程稱為“吸附”。
同樣，將氫氣注入煤炭會使氫氣被吸附或附著在煤炭上。這些構(gòu)造通常在頂部有一層頁巖或泥巖，起到密封作用，使甲烷（或在這種情況下的氫氣）密封存儲，直到需要時(shí)再抽取出來。
“很多人把煤炭定義為一種巖石，但實(shí)際上它是一種聚合物。煤炭具有高碳含量，并有許多小孔，可以儲存更多氣體。因此，煤炭就像一個(gè)海綿，相比其他非碳材料，它可以容納更多的氫分子?！眲⑹烂窠忉尩?。
與其他吸附氣體如甲烷和二氧化碳相比，煤炭與氫氣的親和力較弱，傳統(tǒng)的壓力設(shè)備無法確定吸附特性。因此，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了一種新穎且具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。“我們必須根據(jù)以前對煤炭和頁巖的研究經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。”
根據(jù)科學(xué)家們的研究結(jié)果，無煙煤和半無煙煤是儲存氫氣于已耗盡煤層的良好候選材料，而低揮發(fā)分無煙煤則更適合儲存氫氣于含氣煤層。
采礦區(qū)儲氫將改善當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)狀況
在煤炭采礦社區(qū)開發(fā)氫氣儲存技術(shù)可以為這些地區(qū)帶來新的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇，同時(shí)也有助于建立國家級的儲氫基礎(chǔ)設(shè)施。
“在能源轉(zhuǎn)型過程中，煤炭采礦社區(qū)在經(jīng)濟(jì)上受到的影響最大，將氫氣儲存于煤炭中有助于推動清潔能源的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這無疑是重塑煤炭采礦地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要機(jī)遇?！眲⑹烂裾J(rèn)為，煤炭領(lǐng)域的人才擁有專業(yè)知識和能源工程的專業(yè)技能，通過煤炭領(lǐng)域和采礦地區(qū)既有的基礎(chǔ)設(shè)施增加發(fā)展機(jī)會，將有利于改善當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)狀況。
科學(xué)家們表示，未來該項(xiàng)目研究工作將集中在煤炭的動態(tài)擴(kuò)散性和動態(tài)滲透性上，這些特性決定了氫氣注入和抽取的速度。（吳奇之）
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校對：高慧君
