我们将如何处理由于目前大量使用化石燃料燃烧和未来氢燃料电池技术而引起的氧气短缺问题?

Question

这个问题正从化学江南电子竞技平台Stack Exchange社区。

当前的冠状病毒大流行造成了这样一种情况:为了拯救生命，世界各地对临床氧气(从环境中获取)的需求非常巨大。现在，氢燃料电池技术被大肆宣传(以及工业迁移)，它可以取代目前污染严重的化石燃料基础设施。这很好，我个人是这一新兴领域的狂热爱好者。

传统碳氢化合物的化学反应为:

碳氢化合物+氧=>二氧化二碳+其他有害残留气体

这肯定会造成污染，并导致气候变化和全球变暖。而氢燃料电池整体(燃料电池阳极和阴极)反应为:

氢+氧=>水(蒸汽)+电

在这里，我们变得轻松，因为我们知道水对环境没有毒性，一些FCEV(燃料电池电动汽车)制造商声称他们的汽车废气中的水适合饮用。

但这两种反应的共同因素是，环境中的氧要么以氧化物的形式存在，要么以水的形式存在，这需要一定的外部能量才能再次以氧分子的形式存在。

问题是，谁会花这些精力呢?氢气的生产、储存和运输已经是一个非常消耗能源和资本的过程，即使是通过大规模电解水产生氢气的企业也会使用/出售副产品氧气来增加他们的整体利润。

植树造林不能弥补这些氧气的损失。

似乎我们实际上并没有解决整个问题，而被忽视的部分本身可能是下一个危机。

Answer 1

什么缺氧?

地球的大气层含氧量20.9%。大气中有大量的氧气，燃烧化石燃料造成的氧气耗竭率一直很小。长期以来，人类一直在工业规模上燃烧化石燃料:燃煤发电站，汽车、卡车、火车机车、飞机和船舶的内燃机，蒸汽机，用于家庭供暖的石油和燃煤锅炉，用于工业目的的煤、石油和天然气作为热源，等等。

大气层的质量约为5.15×10¹⁸Kg，也就是大气中氧气的含量是1.07×10¹⁸公斤。

关于氢燃料电池和其他形式的氢作为能源的使用，所使用的氢将从电解中获得。水分子通过通电而分裂，因此该系统同时产生氢气和氧气。

我所看到的所有关于工业规模电解制氢工厂的建议都打算使用风能或太阳能作为电力来源。大多数提案都打算使用海水。

当从水分解得到的氢被用于燃料电池或以其他方式燃烧作为能量来源时，它会消耗大气中的氧气，但从水分解得到的任何氧气用于医疗目的或其他目的时，意味着大气中的氧气会消耗不被使用。

我对使用氢作为能源的担忧是安全方面和局部湿度的潜在上升，特别是在世界上较温暖的地区。如果高浓度的氢消耗装置产生大量水蒸气，这将影响到当地的温度以及人和动物在需要时出汗和失去体温的能力。

Answer 2

事实上，大气中的氧含量一直在下降。目前的估计表明，该水平正在以每年约百万分之19的速度下降。这意味着，按照目前的消耗速度，需要大约500年的时间，大气中的氧气浓度才会相对于目前的水平下降1%。然而,最佳估计表明如果我们继续以目前的速度燃烧化石燃料，我们将在100年多一点的时间里耗尽已知的煤炭储量，在此之前将耗尽石油和天然气。因此，即使我们继续以今天的速度燃烧化石燃料(这似乎越来越不可能)，我们也无法通过燃烧化石燃料来耗尽大气中的氧气。

至于氢经济中氢的燃烧:让我们做一个最坏的情况分析。

• 当前世界能源消耗是围绕$5.7 \乘以10^{20}$焦耳/年。让我们想象一个未来，它会扩大10倍，或者$5.7 \乘以10^{21}$焦耳/年。让我们进一步想象(这是完全不现实的)，世界上所有的能源供应都通过氢气。
• 一公斤氢气燃烧时释放142兆焦的能量。这意味着这个假设的世界需要$4 \乘以10^{13}$公斤氢气每年。考虑到低效率的损失，让我们将其提高5倍，使世界氢气产量达到$2 \乘以10^{14}$千克/年。
• 每一个$ {H}美元_2 \文本当分子由水形成时，也会产生一个氧原子作为副产品。让我们假设氢气制造商以某种方式吸收了100%的氧气。因为水的重量是8份氧和2份氢，这就意味着$1.6 \乘以10^{15}$每年将有几公斤的氧气从大气中消失。
• 大气中含有(每弗雷德的回答)10美元^ {18}$千克氧气。

把这些数字放在一起，我们发现大约需要600年才能耗尽大气中的氧气供应。所以即使在最坏的情况下，这也不是一个紧迫的问题。

但在这种情况下还有另一个问题:地球上的人类会做什么$1.6 \乘以10^{15}$每年多少公斤氧气?在2018年,全球工业氧气销售大约是3.8亿吨，还是大约$4 \乘以10^{11}$公斤。要相信这种情况，你必须相信会有市场4000次比我们目前消耗的更多的工业和医用氧气。似乎早在我们达到这种程度之前，氧气的价格就会大幅下降，至少一些生产商会发现，将氧气排放到大气中，而不是麻烦地储存和出售，更经济。这将把这个问题的时间框架推到更远的未来。