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                元宇宙 碳中和 区块链 快讯 正文
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                文/,赵学良,中国石化发展规划部,当代石油石化

                1美国氢能能源和燃料电池工业

                自1970年以来,美国能源管理局一直在规划燃料电池的研发,并一直处于世界领先地位。燃料电池备用电源和燃料电池叉车已进入市场竞争,并处于商业推广阶段;燃料电池乘用车处于政府补贴的商业推广阶段;燃料电池公共汽车、大型卡车和商用车正处于驾驶测试验证阶段。2018年,美国被评为国际氢和燃料电池经济伙伴关系(IPHE,一个由18个国家和欧盟于2003年共同发起的国际合作组织)主席。

                美国参议院决定,2018年10月8日是美国国家氢能和燃料电池四周年纪念日。参议院第664号决议给出了以下13个理由:

                1)氢原子质量为1.008,是宇宙中最丰富的化学物质;

                2)美国在燃料电池和氢能技术的开发和部署方面处于世界领先地位;

                3)氢燃料电池它在美国太空计划中发挥了重要作用,帮助美国完成了登月任务;

                4)私营企业、联邦和州政府国家实验室高等教育机构继续改进燃料电池和氢能技术,以解决美国最紧迫的能源、环境和经济问题;

                5)使用氢气和富氢燃料发电的燃料电池是清洁高效的技术,用于固定电源和备用电源,以及零排放轻型车辆、公共汽车、工业车辆和便携式电源;

                6)固定燃料电池投入连续和备用电源,在电网断电时为商业和能源用户提供可靠的电力;

                7)与传统发电技术相比,固定燃料电池有助于减少水的消耗;

                8)使用氢气的燃料电池轻型车辆和公共汽车可以完全复制内燃机经验,包括里程和加油时间;

                9)氢燃料电池工业车辆被部署在美国各地的物流中心和仓库,并出口到欧洲和亚洲;

                10)氢是一种无毒气体,可以从各种国内可用的传统和可再生资源中获得,包括太阳能

                风能甲烷美国的富人呢天然气

                11)氢和燃料电池可以储存能量以帮助提高能量

                电网和最大限度地利用可再生能源的部署机会;

                12)美国每年生产和使用的氢气超过1100万吨;

                13)工程和安全人员以及标准专业人员已就氢气的交付、处理和使用达成共识,并制定了相关协议。

                2美国发展氢能和燃料电池的初衷

                美国参议院通过决议的理由充分表明,从国家层面来看,发展氢能和燃料电池对减少二氧化碳排放和空气污染具有重要意义。同时,它还具有降低燃料消耗、提高可再生能源利用率和电网可靠性、提高能源自给率和确保国家能源安全的优点。2014年在美国发行《全面能源战略》,以“发展低碳技术,奠定清洁能源基础”为长期战略支点,明确提出氢能作为替代能源,将在交通运输业的转型中发挥主导作用。

                2.1减少温室气体排放

                由于氢燃料电池具有效率高、温室气体排放接近零的特点,燃料电池系统在许多应用领域都可以降低温室气体排放。美国能源部研究了燃料电池的温室气体减排潜力。当燃料电池应用于热电联产系统时,与传统的热电联产该系统可减少35%~50%的排放;与燃料汽车相比,燃料电池汽车可减少55%~90%的排放;与柴油叉车或动力电池叉车相比,燃料电池叉车可减少排放35%;燃料电池公共汽车的效率比内燃机公共汽车高40%;燃料电池备用电源柴油发电机它可以减少60%的排放量。

                美国能源部比较并计算了不同能源介质运输车辆的油井到车轮(WTW)温室气体排放。天然气-氢燃料电池制氢路线英里200克二氧化碳排放量,低于美国现有电网-电动汽车路线230g和传统燃料车450g排放标准。配备二氧化碳储存装置的煤气化氢燃料电池路线每英里排放95克二氧化碳,而生物质气化氢燃料电池路线每英里仅排放37克二氧化碳。

                2.2降低燃油消耗

                燃料电池提供了一种几乎不耗油的供电方式,可以覆盖美国的大部分耗油量,如汽车、公共汽车、备用发电机和辅助发电机。美国能源部的研究结果表明,与汽油内燃机车相比,氢燃料电池轻型车的油耗可以降低95%混合的与插电式混合动力汽车相比,该车可降低85%的油耗,可降低80%的油耗。可以看出,与大规模使用生物燃料和提高内燃机效率(icev包括使用混合动力汽车)相比,燃料电池汽车的大规模应用可以在2050年大幅减少该国的石油消耗油耗它将降低到目前水平的40%左右。

                2.3提高电网可靠性,最大限度地利用可再生能源

                美国能源部估计,光伏和风力发电的建设成本将大幅下降。“2030年太阳能计划”(sunshot2030)设定的目标是,光伏发电厂的成本将在2030年达到3美分/千瓦时,2018年,美国陆上风力发电成本低至2.9美分/千瓦时。光伏和风力发电将迅速普及。预计到2050年,风能装机容量将达到404台,占总容量的35%;光伏装机容量将达到632台吉瓦,占总发电量的19%。

                根据国际能源机构发布的研究报告《GettingWindandSunontotheGrid》,电网中的间歇性可再生能源(主要是风能和光伏)比例超过15%时,必须配置相应的储能设施。此外,由于可再生能源在不同时期和季节的生产水平存在显著差异,例如,欧洲冬季太阳能发电量比夏季低约60%,但电力需求增加了40%。大型和长期储能设施也需要配置高可再生能源利用小时数,减少“弃风”和“弃光”。

                丰田、通用、奔驰林德由氢能等企业组成的氢能委员会的研究表明,氢能是大规模储存电能的重要选择:与超级电容器、压缩空气、电池飞轮储能、抽水蓄能、氢能更适合长期大规模蓄能。当需要大规模储能时,它可以液氢或以氢化物的形式储存在地下盐穴中。据估计,每兆瓦时的成本在50至150美元之间,相当于受地质条件限制的抽水蓄能,大大低于其他储能方法。

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                2.4高能量转换效率

                燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,效率很高,不需要燃烧。氢燃料电池汽车的能量转换效率约为60%,约为汽油内燃机的两倍。

                燃料电池用于固定电源,使用天然气或天然气丙烷发电效率约为45%;如果涡轮机系统与高温燃料电池联合发电效率可达70%,联合热电联产系统效率可达80%。与传统的煤电、天然气发电相比,45%~50%的综合效率提高了35%~40%。

                2.5减少污染物排放

                美国能源部的研究项目表明,燃料电池发电系统的排放量比燃煤和燃气发电系统低75%~90%氮氧化物、颗粒物(PM)的75%~80%。

                二点六H2@Scale计划

                H2@Scale这是美国能源部(DOE)的一项倡议,该倡议将利益相关者聚集在一起,促进廉价的氢气生产、运输、储存和利用,并增加多个能源部门的收入。通过政府资助,国家实验室和工业以项目的形式进行整合和合作,以加速适用氢技术的早期研究、开发和示范。H2@Scale该联盟促进了工业界和学术界之间的合作,利用国家实验室的世界级研发能力,并依靠私营部门进行重要的示范。

                演示将尖端技术集成到现有系统中,验证未来部署的商业可行性,并指导未来的研发计划。目前,美国生产的氢气超过1100万吨,占全球供应量的1/6,主要用于炼油和化肥行业。大型基础设施包括超过1600英里的氢气管道、不断增长的加氢站和数千吨的地下储存洞穴。H2@Scale氢能在该计划中的地位类似于日本的氢能战略。氢能是一种重要的二次能源,氢能和电能可以相互转化。通过在发电超过负荷时使用电解槽生产氢气,可以减少可再生能源的浪费,并有助于电网的稳定。现有基础负荷(如核电)产生的氢气也可以储存、分配和用作各种用途的燃料。这些应用包括运输、固定电力、工艺或建筑供热以及钢铁制造、氨生产和炼油等工业部门。

                3燃料电池商业化推广情况

                截至2017年,全球有70000多个650MW燃料电池投入商业运营,其中移动应用占近70%,非移动应用占30%,相关收入超过20亿美元。

                截至2018年10月,美国已售出或租赁了6200多辆燃料电池乘用车,包括丰田Mirai、本田clarity和现代图森;建设加氢站39座;23000多台燃料电池叉车的商业应用;超过240兆瓦的燃料电池备用电源已在美国40个州商业化;联邦快递(FedEx)和联合包裹(ups)正在试用燃料电池快递车;共有33辆燃料电池巴士由多家公司测试和运营,其中最长里程超过50万公里。

                3.1燃料电池备用电源应用现状

                截至2017年底,根据美国DOE的统计数据,在美国销售了8400套燃料电池备用电源,其中900套由美国DOE基金支持,其余7500套不支持。燃料电池将天然气转化为电能,供大型超市、数据中心、生产企业和其他工业和商业设施使用。能量转换效率由传统发电的30%~40%提高到60%~65%。此外,热能利用率可达到90%,大大减少了污染物排放和二氧化碳排放。与美国一些州电网供电的电费相比,使用燃料电池供电可以节省一些成本。

                布鲁姆能源公司它是美国领先的燃料电池发电企业。2016年第一季度,其燃料电池成本为5086美元/千瓦时,2018年第一季度降至3855美元/千瓦时。其安装成本也从同期的1280美元/千瓦时降至526美元/千瓦时。

                家得宝2014年,加利福尼亚州安装了第一台200千瓦燃料电池备用电源。在验证其经济性后,到2016年底,140家连锁超市已经安装了燃料电池系统,所有170家商店都准备好安装燃料电池备用电源。家得宝首席财务官卡罗尔·托米(Caroltome)曾透露:“使用燃料电池发电比从电网取电节省了15%~20%的成本,并减少了大量二氧化碳。”

                沃尔玛加利福尼亚州和新泽西州的60家超市安装了燃料电池备用电源,耗电规模按其单个门店耗电量的40%~60%确定,以确保冰箱、照明系统和收银机在停电时能继续工作,为了不造成食品腐败,在恶劣天气下继续为客户服务,燃料电池供电的价格低于电网供电的价格。

                2015年,强生公司安装了500千瓦的bloomenergy燃料电池电源。根据他的计算,20年的运行周期每年将总共节省1000万美元,减少130万磅二氧化碳;美敦力的报告显示,安装的400千瓦燃料电池电源每年可节省230万美元,减少100万磅二氧化碳;拉特科维奇的报告称在JuniperNetworks中,安装的500千瓦燃料电池电源每年可节省20万美元;JuniperNetworks的报告显示,安装的1兆瓦燃料电池电源与300千瓦太阳能电池相结合,每年可节省12万美元,并减少270万磅的二氧化碳。

                3.2燃料电池叉车的推广

                根据美国能源部2016年5月的统计数据,2008年美国氢燃料电池叉车的数量约为500台。到2016年,26个州的氢燃料电池叉车数量已超过11000辆,年复合增长率为56%。截至2017年底,统计数据显示,美国已售出21838台燃料电池叉车,其中713台获得了DOE的资助,其他21125台未获得DOE的资助。713台燃料电池叉车从DOE那里获得了总计970万美元的资金。

                美国目前使用燃料电池叉车的公司包括但不限于亚马逊、宜家、宝马可口可乐、梅赛德斯-奔驰、日产联邦快递仅沃尔玛一家就在北美19个配送中心配备了3000台燃料电池叉车。Plugpower、nuverafuelcells、oorjaprotonics、hydrogenics和h2logic提供了绝大多数燃料电池叉车。

                2014年,亚马逊购买了535台氢燃料电池叉车。在证明其成本效益的合理性后,亚马逊于2017年4月收购了美国燃料电池制造商plugpower23%的股份。此外,亚马逊还为其11个大型仓库配备了氢燃料电池叉车。2021年1月,电池巨头SK集团及其天然气子公司ske&s分别投资8000亿韩元(约13亿美元)收购plugpower9.9%的股份。在短短几年内,plugpower的市场价值已经升值了50倍。

                与内燃机叉车相比,氢燃料电池叉车不排放任何污染物,因此受到食品行业的广泛青睐,更多用于室内操作。与电池叉车相比,氢燃料电池叉车可以节省充电时间和空间,并在整个班次内满功率运行。在冷藏库环境下运行时不会出现电压降,提高运行效率,节约成本。

                美国国家实验室(NREL)评估了动力电池叉车和燃料电池叉车的总运营成本,包括电池和燃料电池系统的购置成本、配套基础设施成本、维护成本、仓库空间成本和劳动力成本。考虑到所有这些成本,NREL发现燃料电池叉车的总拥有成本低于类似的动力电池叉车。

                大约有60台燃料电池叉车样品,每天工作2~3班,每周工作6~7天。NREL发现,对于用于多班作业的一级和二级叉车,燃料电池可以将总体拥有成本降低10%,从每台叉车每年19700美元降低到17800美元。三级叉车的拥有成本可降低5%,从每年12400美元降至每年11700美元。NREL的评估仅限于考虑电池和燃料电池叉车的所有权和运营成本,并未评估燃料电池叉车提高生产率的潜在效益。

                通过NRTL的敏感性分析,只要燃料电池叉车车队数量足够大(敏感性分析中的燃料电池叉车数量为30~100辆)且多班工作,燃料电池叉车的总运营成本将低于动力电池叉车。Plugpower估计,对于拥有90台以上二级叉车的客户,预计五年内可节省40多万美元。

                plugpower公司建造的加氢设施主要用于燃料电池叉车。它们建在配送中心、工厂和其他工厂。灌装压力为350kg,工作温度为0~40℃。装填一台叉车需要1分钟,这与美国和日本通常建造的车辆加氢设施不同。

                3.3燃料电池乘用车和加氢站的推广

                美国的加氢站主要集中在加利福尼亚州和加利福尼亚州美国东北部东北地区项目由液化空气集团和丰田公司推动和领导。参与加州加氢站建设的企业包括空气产品公司、壳牌、林德、丰田本田和其他公司。目前,美国已有39座加氢站投入运行。计划到2025年建造200座,到2030年建造1000座。

                截至2018年底,美国共售出6200辆Mirai、clarity和Tucson燃料电池SUV。除了丰田、本田和现代对现有燃料电池汽车进行商业推广外,梅赛德斯-奔驰最近还推出了GLCF-电池燃料电池汽车,包括宝马、奥迪通货和其他企业也有燃料电池合作研发计划。

                3.4燃料电池客车试验运行结果

                马华腾2012年制定的2016年燃料电池客车预期技术指标和最终目标见表1。在试运行的33辆燃料电池客车中,actransit公司的13辆由utcpower公司提供燃料电池系统,Sunline、UCI、OTCA、MBTA和Salta公司的12辆由Ballard公司提供燃料电池系统。据统计,截至2018年2月28日,最佳车型总运行时间超过27330小时,超过DOE的最终目标;12辆actransit运营车辆的平均运行时间为19000小时,达到2016年的预期目标值。Actransit的车辆从2006年开始逐步投入测试,测试结果基本符合预期;自2015年起,阳光、UCI、OTCA、MBTA、萨尔塔等公司陆续投入车辆试运营。周期短,未达到验证燃料电池使用寿命的时限。

                3.5燃料电池卡车和商用车辆的试验

                2017年,丰田推出了第一代燃料电池卡车alpha,并在长滩和洛杉矶港口进行了近10000英里的测试和牵引作业;第二代燃料电池卡车beta于2018年8月推出,耐久性提高了50%。肯沃斯、斯堪尼亚、阿斯科等传统卡车制造商在DOE和挪威政府的支持下进行了科学研究氢燃料电池车研发。Powercell是一个低温质子交换膜反应器的开发、制造和零售商,开发和生产用于固定和移动应用的世界顶级能量密度燃料电池。开发的100千瓦S3燃料电池被欧洲运输企业用于制造燃料电池卡车。美国电动汽车制造商尼古拉(Nikola)称,其燃料电池卡车将于2020年正式上路测试,2022年正式上市,单价为40万美元;通过其官方推特该公司声称已获得80亿美元的预订单,并计划与挪威的nelhydrogen公司合作,于2018年在美国建设364座加氢站,并在2019年底前陆续向公众开放。到2028年,总数将达到700人。联邦快递和UPS都在DOE的支持下进行了燃料电池快车的运行测试。

                4结论

                1)美国非常重视氢能和燃料电池产业的发展,认为氢能是未来不可或缺的重要能源,仅次于电能二次能源,未来在工业、交通、电网储能、供热、发电等领域将占据相当大的比例。

                2)美国在燃料电池领域开展了长期、深入、全面的技术研发和工业验证实验。美国自20世纪70年代开始在氢能相关领域开展研究工作,在制氢、储氢、氢传输、燃料电池、储能、相关安全环保事项、相关标准等领域拥有雄厚的技术储备。在燃料电池发电、燃料电池叉车、燃料电池商用车、燃料电池客车、燃料电池卡车等领域进行了长期的工业验证试验。

                3)美国对燃料电池商业化的态度是积极的,方式是谨慎的。在拥有足够的技术储备后,美国政府仅使用少量补贴对初始商业验证实验进行市场指导。实践证明,这部分技术具有市场竞争力,预计未来美国将在燃料电池领域取得更大进步,获得越来越广泛的应用。

                4)燃料电池技术是保障国家能源安全的重要技术手段。氢能可以有效整合多种化石能源和可再生能源,增加可再生能源的利用,提高能源自给率,有效降低原油消耗,为社会提供环保高效的能源,这对保障国家能源安全具有重要意义。

                5)氢能可以安全部署和利用。数万辆氢燃料电池叉车十多年的安全运行经验和十几辆氢燃料电池客车数百万公里的运行试验证明,氢气可以安全高效地使用。

                6)固定位置或固定线路、高运行负荷的燃料电池应用场景更适合氢能产业的初步推广。与美国和日本的做法相比,美国的模式是,一个加氢站服务于一个物流中心,数十辆和数百辆燃料电池叉车。制氢销售企业和燃料电池用户初期投资不高,数十台满载运行的燃料电池叉车可平衡一台35兆帕氢气站、制氢销售企业、燃料电池应用企业投资回报合理,产品无补贴快速推广;而日本是本州岛建成了大量的制氢站。由于初期氢燃料电池乘用车销售价格高、数量不足,各站每天仅服务少量车辆,制氢销售企业处于全面亏损状态。同时,由于氢站密度不足,使用不便,用户没有经济效益,一般用户不愿意选择氢燃料电池乘用车替代燃料乘用车。燃料电池乘用车的持续推广,要求制氢和销售企业加强战略导向,等待燃料电池成本的下降和燃料电池乘用车的普及。

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