Clean Planet公司:量子氫能反應(yīng)器技術(shù)的前景與挑戰(zhàn)
來源:
廣東國能中林投資有限公司 日期:2024-07-31 577 屬于:行業(yè)動(dòng)態(tài)
在全球能源轉(zhuǎn)型和減少碳排放的背景下,氫能被視為未來清潔能源的重要組成部分。日本的Clean Planet公司在這一領(lǐng)域表現(xiàn)突出,主要研究氫氣在金屬納米結(jié)構(gòu)晶格中擴(kuò)散并產(chǎn)生熱能的技術(shù)。他們將其稱為量子氫能(Quantum Hydrogen Energy, QHe)。這種創(chuàng)新技術(shù)利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)高效的氫能轉(zhuǎn)換,為未來的能源結(jié)構(gòu)提供了一種可持續(xù)發(fā)展的解決方案。
一 技術(shù)概述與背景
量子氫能技術(shù)基于“通過加熱鎳基納米復(fù)合金屬材料中吸附的少量氫,觸發(fā)氫的量子擴(kuò)散并發(fā)生放熱反應(yīng)”的原理。盡管這一概念最早在1989年由美國猶他大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)的研究人員提出,但當(dāng)時(shí)的研究結(jié)果未能獲得廣泛認(rèn)可,導(dǎo)致這一領(lǐng)域的研究一度停滯。近年來,Clean Planet與東北大學(xué)合作,重新推進(jìn)了這一技術(shù)的發(fā)展。
圖解:量子氫能是一種利用氫量子擴(kuò)散的發(fā)熱技術(shù)。這種擴(kuò)散是通過加熱納米級(jí)鎳基復(fù)合材料中的少量飽和氫引起的。(Clean Planet官網(wǎng))
自2010年以來,美國、意大利和以色列等國家相繼出現(xiàn)了一些專注于能源利用的初創(chuàng)企業(yè),甚至包括谷歌等IT巨頭也開始涉足這一領(lǐng)域。Clean Planet于2012年成立,并于2015年與日本東北大學(xué)電子光理學(xué)研究中心合作成立了“凝聚態(tài)核反應(yīng)研究部”,在川崎市設(shè)立了實(shí)驗(yàn)室,專注于量子氫能的開發(fā)。由原三菱重工的科學(xué)家、東北大學(xué)教授巖村康弘領(lǐng)導(dǎo),負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究,而川崎實(shí)驗(yàn)室則專注于產(chǎn)品開發(fā)。
2019年,三菱地所和三浦工業(yè)投資了Clean Planet。2022年7月,三菱商事也加入了投資行列,推動(dòng)研究向?qū)嵱没l(fā)展。Clean Planet在全球22個(gè)國家提交了244項(xiàng)專利申請(qǐng),已有9項(xiàng)獲得授權(quán),顯示了其在凝聚態(tài)核反應(yīng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。該公司已開發(fā)出原型機(jī),并計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
二 核心技術(shù)特點(diǎn)
量子氫能技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其高能量密度。理論上,QHe的能量密度可以達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的10000倍。這意味著,在相同質(zhì)量的燃料下,量子氫能可以釋放出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)能源的能量。例如,Clean Planet的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,鎳和銅基納米結(jié)構(gòu)材料在吸附輕氫后,通過加熱實(shí)現(xiàn)了超出輸入能量12倍的熱量輸出,并且這種輸出能夠持續(xù)約120天。盡管量子氫能的能量密度已達(dá)到核聚變理論值的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以下,但相對(duì)于氫燃燒的化學(xué)反應(yīng),量子氫能的能量密度仍達(dá)到了化學(xué)反應(yīng)的萬倍。
2. 無放射性排放
量子氫能的原理與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)類似。兩者都利用氫原子的融合釋放大量能量,然后通過熱交換器提取熱能。然而,熱核聚變和量子氫能的反應(yīng)體系有所不同。QHe主要是通過多體反應(yīng),其中三種以上的氫原子同時(shí)參與。這些反應(yīng)的生成物經(jīng)歷核種轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生多種元素。Clean Planet的QHe技術(shù)相比熱核聚變有幾個(gè)顯著優(yōu)勢:首先,QHe使用普通氫氣而非氘或氚,因此在反應(yīng)過程中不產(chǎn)生中子線或伽馬射線等有害放射性物質(zhì)。這不僅對(duì)環(huán)境更加友好,也大幅降低了對(duì)人類健康的潛在威脅。
3. 小型化和模塊化設(shè)計(jì)
Clean Planet利用厚度為14納米的鎳和2納米的銅多層疊加的芯片(放熱元件),在真空環(huán)境下封裝氫氣并加熱到數(shù)百攝氏度。這些芯片能夠持續(xù)長時(shí)間釋放超出投入能量的熱量。例如,在加熱到900攝氏度的條件下,這些芯片可以維持920-930攝氏度的溫度長達(dá)589天,持續(xù)釋放過剩的熱量。根據(jù)迄今為止的驗(yàn)證,這種方法的能效系數(shù)(COP)超過1.2,即輸出的熱能量至少是輸入能量的1.2倍。Clean Planet還在考慮進(jìn)一步增加薄膜的面積或延長模塊的長度,以增加放熱量。
圖解:在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)材料達(dá)到氫飽和的前提下,從2021年5月7日到2022年12月18日的589天內(nèi)都觀測到了余熱。(Clean Planet官網(wǎng))
4. 低溫操作
相比于需要復(fù)雜設(shè)備來維持1億攝氏度的等離子體溫度的熱核聚變,量子氫能技術(shù)只需在不到1000攝氏度的條件下運(yùn)行。這種低溫操作不僅降低了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度,還減少了設(shè)備材料的成本和維護(hù)要求,使得系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)和易于操作。
5. 使用常見材料
量子氫能技術(shù)主要使用鎳和銅等常見且廉價(jià)的金屬復(fù)合材料,以及普通氫氣作為燃料。與一些依賴稀有金屬的能源技術(shù)相比,QHe的材料成本較低,有助于大規(guī)模應(yīng)用和推廣。材料的易得性和低成本使得QHe技術(shù)具有更廣泛的市場適應(yīng)性。
6. 可控性強(qiáng)
量子氫能技術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是其高可控性。通過精確控制氫氣的供應(yīng)量和反應(yīng)溫度,QHe系統(tǒng)可以靈活地調(diào)節(jié)輸出熱量。最近發(fā)現(xiàn)的“熱爆發(fā)”現(xiàn)象使得在特定條件下可以顯著提高熱量的輸出和控制精度,為QHe在不同應(yīng)用場景中的高效應(yīng)用提供了可能性。
三 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)
量子氫能技術(shù)的高能量密度和低溫操作特性使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。Clean Planet希望將QHe技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)和民用領(lǐng)域,包括家庭供暖、無人機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)等應(yīng)用場景。公司計(jì)劃與三浦工業(yè)合作,利用QHe技術(shù)開發(fā)工業(yè)高溫蒸汽鍋爐,通過利用工廠無法使用的廢熱,將出口溫度提升至約500度,大大提高了整體能源效率。此外,Clean Planet計(jì)劃利用QHe產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)。如果氫氣由可再生能源生產(chǎn),量子氫能是零排放的碳中和系統(tǒng)。相比燃料電池系統(tǒng),QHe能在相同量的氫氣下產(chǎn)生更多的電力,整體系統(tǒng)的效率可能顯著超過傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)。
然而,盡管量子氫能展示了巨大的應(yīng)用潛力,但在技術(shù)再現(xiàn)性和規(guī)?;瘧?yīng)用方面仍面臨挑戰(zhàn)。盡管實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100%的定性再現(xiàn)性,但定量再現(xiàn)性仍需進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。此外,凝聚態(tài)核反應(yīng)的原理尚未完全解明?,F(xiàn)有的核物理學(xué)尚無法解釋在數(shù)百攝氏度的環(huán)境下發(fā)生的核轉(zhuǎn)換,以及不伴隨中子或伽馬射線的現(xiàn)象。此外,如何有效管理和控制反應(yīng)條件以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,以及如何降低生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),都是技術(shù)推廣的關(guān)鍵問題。
四 結(jié)論
通過以上研究,我們可以看到,量子氫能技術(shù)代表了清潔能源領(lǐng)域的一次重要突破。其高效能、低環(huán)境影響和廣泛的應(yīng)用潛力,使其有望在未來的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。隨著技術(shù)的不斷完善和市場的逐步開拓,QHe技術(shù)作為一種零排放的清潔能源,具有巨大的市場潛力。Clean Planet公司在量子氫能技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位和持續(xù)的創(chuàng)新,為全球清潔能源的發(fā)展提供了新的方向和可能性。
轉(zhuǎn)載自國際清潔能源論壇
鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/YZKW_PIZo1tiTH9D1cF8AA
一 技術(shù)概述與背景
量子氫能技術(shù)基于“通過加熱鎳基納米復(fù)合金屬材料中吸附的少量氫,觸發(fā)氫的量子擴(kuò)散并發(fā)生放熱反應(yīng)”的原理。盡管這一概念最早在1989年由美國猶他大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)的研究人員提出,但當(dāng)時(shí)的研究結(jié)果未能獲得廣泛認(rèn)可,導(dǎo)致這一領(lǐng)域的研究一度停滯。近年來,Clean Planet與東北大學(xué)合作,重新推進(jìn)了這一技術(shù)的發(fā)展。
圖解:量子氫能是一種利用氫量子擴(kuò)散的發(fā)熱技術(shù)。這種擴(kuò)散是通過加熱納米級(jí)鎳基復(fù)合材料中的少量飽和氫引起的。(Clean Planet官網(wǎng))
自2010年以來,美國、意大利和以色列等國家相繼出現(xiàn)了一些專注于能源利用的初創(chuàng)企業(yè),甚至包括谷歌等IT巨頭也開始涉足這一領(lǐng)域。Clean Planet于2012年成立,并于2015年與日本東北大學(xué)電子光理學(xué)研究中心合作成立了“凝聚態(tài)核反應(yīng)研究部”,在川崎市設(shè)立了實(shí)驗(yàn)室,專注于量子氫能的開發(fā)。由原三菱重工的科學(xué)家、東北大學(xué)教授巖村康弘領(lǐng)導(dǎo),負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究,而川崎實(shí)驗(yàn)室則專注于產(chǎn)品開發(fā)。
2019年,三菱地所和三浦工業(yè)投資了Clean Planet。2022年7月,三菱商事也加入了投資行列,推動(dòng)研究向?qū)嵱没l(fā)展。Clean Planet在全球22個(gè)國家提交了244項(xiàng)專利申請(qǐng),已有9項(xiàng)獲得授權(quán),顯示了其在凝聚態(tài)核反應(yīng)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。該公司已開發(fā)出原型機(jī),并計(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
二 核心技術(shù)特點(diǎn)
- 高能量密度
量子氫能技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其高能量密度。理論上,QHe的能量密度可以達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的10000倍。這意味著,在相同質(zhì)量的燃料下,量子氫能可以釋放出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)能源的能量。例如,Clean Planet的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,鎳和銅基納米結(jié)構(gòu)材料在吸附輕氫后,通過加熱實(shí)現(xiàn)了超出輸入能量12倍的熱量輸出,并且這種輸出能夠持續(xù)約120天。盡管量子氫能的能量密度已達(dá)到核聚變理論值的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以下,但相對(duì)于氫燃燒的化學(xué)反應(yīng),量子氫能的能量密度仍達(dá)到了化學(xué)反應(yīng)的萬倍。
2. 無放射性排放
量子氫能的原理與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)類似。兩者都利用氫原子的融合釋放大量能量,然后通過熱交換器提取熱能。然而,熱核聚變和量子氫能的反應(yīng)體系有所不同。QHe主要是通過多體反應(yīng),其中三種以上的氫原子同時(shí)參與。這些反應(yīng)的生成物經(jīng)歷核種轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生多種元素。Clean Planet的QHe技術(shù)相比熱核聚變有幾個(gè)顯著優(yōu)勢:首先,QHe使用普通氫氣而非氘或氚,因此在反應(yīng)過程中不產(chǎn)生中子線或伽馬射線等有害放射性物質(zhì)。這不僅對(duì)環(huán)境更加友好,也大幅降低了對(duì)人類健康的潛在威脅。
3. 小型化和模塊化設(shè)計(jì)
Clean Planet利用厚度為14納米的鎳和2納米的銅多層疊加的芯片(放熱元件),在真空環(huán)境下封裝氫氣并加熱到數(shù)百攝氏度。這些芯片能夠持續(xù)長時(shí)間釋放超出投入能量的熱量。例如,在加熱到900攝氏度的條件下,這些芯片可以維持920-930攝氏度的溫度長達(dá)589天,持續(xù)釋放過剩的熱量。根據(jù)迄今為止的驗(yàn)證,這種方法的能效系數(shù)(COP)超過1.2,即輸出的熱能量至少是輸入能量的1.2倍。Clean Planet還在考慮進(jìn)一步增加薄膜的面積或延長模塊的長度,以增加放熱量。
圖解:在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)材料達(dá)到氫飽和的前提下,從2021年5月7日到2022年12月18日的589天內(nèi)都觀測到了余熱。(Clean Planet官網(wǎng))
4. 低溫操作
相比于需要復(fù)雜設(shè)備來維持1億攝氏度的等離子體溫度的熱核聚變,量子氫能技術(shù)只需在不到1000攝氏度的條件下運(yùn)行。這種低溫操作不僅降低了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度,還減少了設(shè)備材料的成本和維護(hù)要求,使得系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)和易于操作。
5. 使用常見材料
量子氫能技術(shù)主要使用鎳和銅等常見且廉價(jià)的金屬復(fù)合材料,以及普通氫氣作為燃料。與一些依賴稀有金屬的能源技術(shù)相比,QHe的材料成本較低,有助于大規(guī)模應(yīng)用和推廣。材料的易得性和低成本使得QHe技術(shù)具有更廣泛的市場適應(yīng)性。
6. 可控性強(qiáng)
量子氫能技術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是其高可控性。通過精確控制氫氣的供應(yīng)量和反應(yīng)溫度,QHe系統(tǒng)可以靈活地調(diào)節(jié)輸出熱量。最近發(fā)現(xiàn)的“熱爆發(fā)”現(xiàn)象使得在特定條件下可以顯著提高熱量的輸出和控制精度,為QHe在不同應(yīng)用場景中的高效應(yīng)用提供了可能性。
三 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)
量子氫能技術(shù)的高能量密度和低溫操作特性使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。Clean Planet希望將QHe技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)和民用領(lǐng)域,包括家庭供暖、無人機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)等應(yīng)用場景。公司計(jì)劃與三浦工業(yè)合作,利用QHe技術(shù)開發(fā)工業(yè)高溫蒸汽鍋爐,通過利用工廠無法使用的廢熱,將出口溫度提升至約500度,大大提高了整體能源效率。此外,Clean Planet計(jì)劃利用QHe產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)。如果氫氣由可再生能源生產(chǎn),量子氫能是零排放的碳中和系統(tǒng)。相比燃料電池系統(tǒng),QHe能在相同量的氫氣下產(chǎn)生更多的電力,整體系統(tǒng)的效率可能顯著超過傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)。
然而,盡管量子氫能展示了巨大的應(yīng)用潛力,但在技術(shù)再現(xiàn)性和規(guī)?;瘧?yīng)用方面仍面臨挑戰(zhàn)。盡管實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100%的定性再現(xiàn)性,但定量再現(xiàn)性仍需進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。此外,凝聚態(tài)核反應(yīng)的原理尚未完全解明?,F(xiàn)有的核物理學(xué)尚無法解釋在數(shù)百攝氏度的環(huán)境下發(fā)生的核轉(zhuǎn)換,以及不伴隨中子或伽馬射線的現(xiàn)象。此外,如何有效管理和控制反應(yīng)條件以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,以及如何降低生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),都是技術(shù)推廣的關(guān)鍵問題。
四 結(jié)論
通過以上研究,我們可以看到,量子氫能技術(shù)代表了清潔能源領(lǐng)域的一次重要突破。其高效能、低環(huán)境影響和廣泛的應(yīng)用潛力,使其有望在未來的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。隨著技術(shù)的不斷完善和市場的逐步開拓,QHe技術(shù)作為一種零排放的清潔能源,具有巨大的市場潛力。Clean Planet公司在量子氫能技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位和持續(xù)的創(chuàng)新,為全球清潔能源的發(fā)展提供了新的方向和可能性。
轉(zhuǎn)載自國際清潔能源論壇
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