无化石燃料的交通运输

从长远看，交通运输领域也将采用无化石燃料。目前广泛使用的是电动汽车，未来氢驱动能将作为有效的补充。氢要么直接用于内燃机，要么通过燃料电池转化为电能。与电动汽车相比，氢燃料汽车具有许多优势：在400至750公里范围内，它们的续航里程比目前的电动汽车更远，并且加氢（充能）过程仅需3至5分钟。德国目前已经建成了75个加氢站，还有28个正在建设中。

交通运输发展战略和相应的基础设施

Fraunhofer ISI在»天然气路线图«中为联邦环境部调研了氢如何推动去化石化，其结论是：氢起着关键作用，尤其是在难以直接使用电能的地方。除了钢铁工业和化学工业外，氢能尤其适用于重型运输、航运和空中交通。Fraunhofer ISE代表H₂Mobility进行了一项研究。通过比较电池供电、柴油和氢动力汽车的二氧化碳排放量，得出结论：电池驱动的车辆在短距离和城市内旅行方面具有优势。但如果续航里程超过250至300公里，氢动力汽车则更胜一筹。
 
如果氢动力汽车持续发展，需要建立适当的配套设施。在这方面，Fraunhofer专家也贡献了他们的专业知识。Fraunhofer IPA与戴姆勒股份公司、宝马股份公司和Aral股份公司在九十年代共同开发了一种用于加氢的机器人，可以自动加氢。Fraunhofer ISE解决了如何在没有高压或低温的运输条件下运输氢气的问题。Fraunhofer ISE正在与合作伙伴一起开发工艺，研究如何更轻松、更安全地将氢气以液态形式储存在液态有机氢载体(LOHC)中。

氢气作为直接和间接动力来源

如果将氢气直接用作燃料电池汽车的动力，那么效率、安全性和可靠性就是讨论的重中之重。在Eco-CC项目（由萨克森州资助）中，Fraunhofer IWU和合作伙伴正在开发一种经济可靠的测量和控制方法——可以快速准确地获取参数，实现最佳运行。研究人员优化燃料电池的负载管理，提高系统的经济性、效率和使用寿命。
 
燃料电池汽车的替代方案是从气态氢生产合成液态甲醇作为燃料动力。燃烧排放低，温室气体排放量比化石燃料减少90%。此类甲醛醚(OME)可直接用作柴油燃料中的混合组分，类似于汽油中的乙醇。这种能量转为液体的过程在不能将氢气用于驱动系统的情况下十分有用，例如在船运和空运中。Fraunhofer ISE绘制了OME生产的整个价值链，从必要的工艺技术，系统建立到中试规模都有涉及，在BMBF资助的NAMOSYN项目中与工业合作伙伴一起进行了放大试验。
 
氢气还可用作具有封闭式二氧化碳循环的环保船舶推进系统。Fraunhofer IKTS是欧盟项目HyMethShip的合作伙伴，该项目以创新的方式结合了膜反应器、CO₂捕获系统、CO₂和甲醇存储系统以及氢动力内燃机。
 

云端之上：航空运输中的安全氢气

在航空领域，IANA研究项目显示，氢气不仅仅作为合成煤油的原料，直接使用氢也是可行的。Fraunhofer IMM与Diehl Aerospace GmbH和德国航空航天协会(DLR)一起，在BMBF的资助下，正在以手推车的形式为客机开发一种移动式发电机。它包含一个燃料电池，该电池使用从丙二醇中现产生的氢气为厨房发电。

安全和可靠性：标准、测试、生命周期

氢是一种具有着广阔应用前景的能源。使用过程中的安全问题是重中之重。因此，燃料电池和电解电池的材料和组件的相应测试方法必不可少。使用寿命与安全是密切相关的两个问题，弗劳恩霍夫研究所有许多项目涉及这些方面和相应的测试平台。
 

氢能？安全可靠

氢作为燃料电池汽车的能量来源。弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）致力于研究出确保安全的措施：研究人员检查各自系统中的氢气并将各种可能包括最坏的情况纳入考虑。他们评估可能的错误并利用理论结果将氢气专门引导到空腔中。试验过程中有时整辆汽车会在内部试验场爆炸，该试验场可承受高达3公斤TNT当量的爆炸。弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）还对氢供应站的安全范围以及储存氢能的容器安全进行研究，获取真实的数据。
弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）在能源缓冲»Energiepuffer«项目中致力于住宅区能源供应的安全：在该项目中，模拟被动式节能住宅定居点使用氢气作为固定存储系统，借助智能的预测控制计划，实现能源自给自足。由此，来自光伏系统的能量以氢的形式存储，并在冬季通过燃料电池转换回电力，余热根据需要，通过当地供热网络使用和重新分配。弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）的研究人员对氢气设备大小、系统控制，进行了研究和设计，并通过故障模拟对系统进行压力测试。
 
在储存和运输氢气方面，安全同样是重中之重。氢气可以穿透材料并对其造成损坏，甚至导致组件故障。在研究所氢实验室，弗劳恩霍夫材料力学研究所（Fraunhofer IWM）从宏观尺度到晶体结构和量子效应跟踪氢的扩散和材料的脆化，并对它们进行使用寿命预测和风险评估。这对于未来输送高达20%氢气的储存罐或管道非常重要。在另一个大型项目中，众多合作伙伴正在研究盐穴作为储氢手段的可能性。弗劳恩霍夫材料力学研究所（Fraunhofer IWM）负责所有金属部件及其相关的安全问题。
 
弗劳恩霍夫材料和系统微结构研究所对高达兆瓦级的系统进行材料测试。测试台上的测量与微观结构和分析方法相结合，以追踪到单个组件的老化和损坏，例如双极板、电极或膜，并为系统的设计和生产提供指导。随着氢能的普及，许多弗劳恩霍夫研究所贡献了他们在安全和使用寿命方面的专业知识。例如生产和系统可靠性研究所从事系统可靠性方面研究，瞬时动态研究所在碰撞测试和爆炸性气体方面提供专业知识、物理测量技术研究所和微电子电路和系统研究所开发相关的传感器，无损检测研究所基于无损检测技术、开发识别传感器用于整个产品生命周期的测量。

最长的使用寿命

安全是首要因素。除此之外，系统应尽可能长时间地保持运行。弗劳恩霍夫化学技术研究所ICT致力研究催化剂的稳定性并检查所用载体材料的耐用性，降解过程的腐蚀和对温度依赖性及杂质的影响作为其研究的重点。
 
一个愈发重要的主题是生命周期分析——即记录能量和材料在产品的整个生命周期内变动，为公司和公共决策者提供建议。例如，弗劳恩霍夫太阳能研究所ISE比较了柴油和氢气分别做燃料汽车的二氧化碳排放，并首次将上游链考虑在内。弗劳恩霍夫生产技术和自动化研究所IPA反过来评估个别与氢相关产品的材料循环：哪些原材料可能在未来市场上供应不足？ 如果制造商早点知道这一点，他们可以尝试提早找到解决方案。

从材料到系统：技术基础

氢作为能源载体和化工原料，将为实现气候目标做出决定性贡献。但这只有在氢气制造、储存、运输和使用得到系统优化的情况下才能成功。换句话说，氢与其他能源相比需要变得更节约、更稳定、更安全和更经济。弗劳恩霍夫的研究可以为之做出重要的贡献。

电解：从电到氢

为了获取氢气，水通过电解被分离成氢气和氧气。各种类型的电解都有其优势，可以根据应用场景选择合适的技术。Fraunhofer研究人员拥有丰富的专业知识，可针对电解的类型提供不同的技术，为推进电解研究做出贡献。虽然碱性电解（AEL）以及很大程度上的酸性膜电解PEM电解在技术上已经相当成熟，但碱性膜电解和高温电解这两项技术中仍有待攻关的技术问题。
 
用于碱性电解AEL的坚固电解槽以前用于发电厂和化工厂，其中负载始终保持不变。然而，对技术变革的要求迫在眉睫：可再生能源导致强烈的负载波动，需要新的技术对策解决这一问题。生产技术和应用材料研究所IFAM在中试规模上研究与动态相关的问题：在输出为30千瓦的系统中。该研究所为合作伙伴提供服务，用于分析AEL电解槽的实际应用表现。
 
PEM电解与碱性电解AEL相比是一项更年轻的技术。后者的技术成熟度为八到九级，而PEM电解的技术成熟度为七到八级。它具有多种优势：应用的电流密度可以非常高，设计紧凑并且可以动态运行。然而，酸性介质要求材料必须非常坚固。ISE太阳能研究所的研究人员正在开发新的膜材料，通过防腐涂层延长电池的保质期，进行耐久性测试并希望将该技术推广。所有的措施都有助于降低成本。在五到十年后，PEM电解槽的价格应该可以与碱性电解槽相媲美。
 
更集合紧凑的电解装置和廉价的催化剂材料也可以通过碱性电解槽来实现。基础流程基本得到了澄清，重点是应用问题。在REVAL项目中，生产技术和应用材料研究所IFAM和材料与系统微结构研究所IMWS正在与工业合作伙伴合作，优化电极的长期稳定性。该项目在BMBF资助的德东氢能储能和解决方案（HYPOS)，旨在开发一个长期稳定、高效的原型机并为规模化生产做好准备。
 
高温电解发生在800°C以上。在可以利用余热的地方可以发挥优势：用贵金属来催化反应；此外，相同的系统可用于电解和燃料电池模式。最后，它可以实现共电解，其中水被转化为氢气和氧气，二氧化碳被分解为氧气和一氧化碳（CO）。CO可以与氢气合成，是制造众多化学产品的基础原料。陶瓷技术和系统研究所IKTS致力于电解槽的长期稳定性、效率和成本。团队优化材料、制造电池并将它们组装成电池堆栈，进行材料测试或将其集成到系统中。陶瓷技术和系统研究所（Fraunhofer IKTS）建成了世界上第一个融合了高温电解和费托合成的一千瓦输出耦合的设备。在HYPOS倡议项目Colyssy中，研究人员正在提高功率至10千瓦以备工业用途（参见章节»气候中性工业过程«，第7页）。

 
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如对此技术感兴趣，可联系德国弗劳恩霍夫北京代表处张洪波先生。
电话：010-65906135转16
邮箱：hongbo.zhang@fraunhofer.cn