“地质氢能电池”：煤炭在清洁能源转型中的新角色

来源：中国石化网 时间：2023-11-09 09:02

　　当前，全球都在开发氢能并将其作为一种清洁能源，以减少对化石燃料的依赖。在层出不穷的氢能源新技术中，有一个大家意想不到的领域，那就是煤炭。近期，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家团队发现，煤炭可能是一种储存氢气的潜在方式，就像电池储存能量供未来使用一样，这解决了开发清洁能源供应链的一个重要障碍。

　　“我们发现煤炭可以成为地质氢能电池。”宾夕法尼亚州立大学能源与矿业工程副教授刘世民说，“我们可以注入和储存氢能，并在需要时使用。”

煤炭可以作为地质储氢的选择

　　氢气是一种清洁燃料，在全球经济中最耗能的领域——交通、电力生成和制造业中有很大潜力。但是科学家们表示，要建立氢能基础设施并使其成为一种经济实惠和可靠的能源来源，还有很多工作要做。

　　科学家们的研究还包括开发储存氢气的方法，目前的氢能开发方法成本高昂且效率低下。科学家们表示，与地质构造结合是一个合适的选择，因为地质构造中可以储存大量的氢气，以满足每天或季节性变化的能源需求的峰谷起伏。

　　“我们对煤炭进行了深入研究，因为从煤炭中商业化生产天然气已有近半个世纪的历程。”刘世民说，“我们对这一过程有所了解，并且曾经建造过大量基础设施。我认为，煤炭将是进行地质氢能储存的合理选择。”

　　为了验证这一推论，科学家们分析了来自美国各地的八种煤炭，以更好地了解它们的吸附和扩散潜力，亦即它们能够储存多少氢气。

　　科学家们在《应用能源》杂志上报告称，所有八种煤炭都表现出了可观的吸附特性，来自弗吉尼亚东部的低挥发分无烟煤和来自宾夕法尼亚东部的无烟煤在测试中表现最好。

　　“从科学角度来看，煤炭极有可能是地质储存的首选。我们发现煤炭优于其他地质构造，并且在全国范围内和人口密集地区易于获取。”

已耗尽煤气层更适于储氢

　　研究发现，已耗尽的煤气层储库可能是最佳的选择。这些煤层包含类似甲烷的非常规天然气，几十年来已成为重要的化石燃料能源来源。甲烷会附着在煤炭表面，这个过程称为“吸附”。

　　同样，将氢气注入煤炭会使氢气被吸附或附着在煤炭上。这些构造通常在顶部有一层页岩或泥岩，起到密封作用，使甲烷（或在这种情况下的氢气）密封存储，直到需要时再抽取出来。

　　“很多人把煤炭定义为一种岩石，但实际上它是一种聚合物。煤炭具有高碳含量，并有许多小孔，可以储存更多气体。因此，煤炭就像一个海绵，相比其他非碳材料，它可以容纳更多的氢分子。”刘世民解释道。

　　与其他吸附气体如甲烷和二氧化碳相比，煤炭与氢气的亲和力较弱，传统的压力设备无法确定吸附特性。因此，科学家们设计了一种新颖且具有挑战性的实验设备。“我们必须根据以前对煤炭和页岩的研究经验，合理设计实验系统并进行试验。”

　　根据科学家们的研究结果，无烟煤和半无烟煤是储存氢气于已耗尽煤层的良好候选材料，而低挥发分无烟煤则更适合储存氢气于含气煤层。

采矿区储氢将改善当地经济状况

　　在煤炭采矿社区开发氢气储存技术可以为这些地区带来新的经济机遇，同时也有助于建立国家级的储氢基础设施。

　　“在能源转型过程中，煤炭采矿社区在经济上受到的影响最大，将氢气储存于煤炭中有助于推动清洁能源的经济发展，这无疑是重塑煤炭采矿地区经济发展的重要机遇。”刘世民认为，煤炭领域的人才拥有专业知识和能源工程的专业技能，通过煤炭领域和采矿地区既有的基础设施增加发展机会，将有利于改善当地经济状况。

　　科学家们表示，未来该项目研究工作将集中在煤炭的动态扩散性和动态渗透性上，这些特性决定了氢气注入和抽取的速度。（吴奇之）

　　责任编辑：张栋钧

　　校对：高慧君