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氢能源储运的“水氢车”迷思

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国经营报 发布时间:2019-06-17 浏览:
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中国储能网讯:近日,本报对庞青年及其水制氢能源汽车刊发了深度报道。报道刊发后,引起广泛关注。国家能源集团金融中心主任助理袁锐撰写了相关文章,从理论来源、模型、市场应用等方面阐述了他对这一技术应用于造车的观点,本报予以刊发,供读者参考。

文/袁锐

据说“迷思”一词起源于希腊语单词◇θO(mythos),是英语单词Myth的音译,又意译为神话、幻想、故事、虚构的人或事。“南阳水氢发动机”也许是一种迷思,但如何更好利用氢能源为人类服务,却是一段不断解谜的过程。

如果说指令是计划经济的信号灯,成本就是市场经济的指挥棒,制氢的成本一直是制约氢能大规模应用的障碍。2009年诺贝尔奖获得者,前美国能源部长朱棣文,如今虽然是氢能源的支持者,但上任伊始并不看好氢燃料电池。比如他在《麻省理工科技评论》的采访中就针对燃料电池的发展提出了怀疑,甚至打趣认为主(lord)需要三个奇迹(miracles),而燃料电池需要四个奇迹(miracles)才能够产业化:更好(便宜)的制备、运输分配、存储氢气的技术,以及氢燃料电池成本和稳定性,这是典型的美国政府的预算绩效评价方法论。朱棣文所谓氢燃料电池这四大技术(奇迹),实际上就是氢燃料电池进入导入阶段和商业阶段的四个主要技术瓶颈,这些技术全部可以归因于技术成本。

一是氢燃料电池的技术和成本:包括交通领域常用的质子交换膜电池(PEM-FC)的电极催化剂合金技术和成本、燃料电池电堆(MEA)工艺和成本、储氢罐技术以及燃料电池生命周期结束后回收等方面的成本等;

二是氢气制备这一重要的工业化技术环节的成本:包括化石能源制氢、电解水制氢、集中和分布式制氢的成本控制,以及尚在实验室阶段的生物制氢、光电制氢等等非主流路线的成本。

三是氢气运输和储存技术和成本,储氢和输氢的本质都是最大限度克服能源的时间、空间束缚。储氢、输氢的障碍在于如何将储运耗费的成本降低到足以覆盖其耗费的人力、资本等机会成本。因为氢气特殊的化学性质,氢气本身的制备、生产、运输、储存将使现有能源基础设施面临“史诗般”的改造。

“南阳水氢汽车”的耸人听闻之处在于,它同时解决了氢能源商业化四个瓶颈中的三个,如果真的如此,氢能源的商业化将直接从导入期跨越到成熟期。但是事出反常,必有妖,需要从能源本身的规律着手厘清“南阳神车”背后的氢能源存储、运输现状与存在的问题。

铝制氢的特征不适宜商业化储氢

经过十多年的发展,氢气的制备已不再是行业的难题,所以利用金属铝制氢,目的在于解决高效存储和运输氢气的难题。这并不是特别的创建,比如美国军事研究院(the Army Research Laboratory)开发了一种铝合金粉末,通过与水反应,可以为单兵和战斗小分队提供氢气和热量,进而为携带的燃料电池供能和提供烹饪所需的热量。“南阳水氢发动机”利用铝水反应制氢,“水+铝粉”的制氢过程和装置(添加了成分依然保密的催化剂),所得氢气作为燃料,输入电堆(MEA)产生电流,驱动电机做功,除了水氢装置取代了储氢罐,“水氢发动机”与普通氢燃料电池车没什么两样。在“南阳水氢”事件中,水作为制氢的介质,却被当做一种能源进行重点宣传,是有极大误导性的。以铝制氢,其实是一个化学能转换释放的过程,也就是金属铝氧化的过程,最终得到的除了氢气还有大量的氧化铝和热能。

水氢汽车引起能源业界关注,在于其代表着解决储、运氢气难题的一种思路:通过车载更安全、易得的原料水、铝粉而获得储存氢气的便利。不过我们并不需要“水氢发动机”的下线来试错,仅从能源科学和经济学角度即可证伪。

从水的化学属性上看,根本不可以称其为能源,在热稳定性上,水是自然界中最稳定的物质之一,堪比难于处置的温室气体——二氧化碳。但水又是氢氧化合物,理论上有足够的能量作用,跨过氢氧间势垒并打开氢氧化学键,可以令水分解成氢和氧。氢循环与碳循环一般,可以为生物体直接提供能量;地球孕育生命的初期,星球表面和大气中存在有较多的氢气,但氢气密度最小的这一事实,使大量的氢气逃离了地球引力的束缚漫溢到外太空里。剩下的氢气则在高压环境下自燃生成水,所以即使成分复杂的常压空气中也几乎不存在单一的氢气成分(常温常压空气中低于两百万分之一),可资利用的氢能源主要以氢氧化合物的形式(如H2O)、碳氢化合物的形式(如甲烷)或有机体内的糖、脂肪和醇类等形式存在于自然资源中,需要依赖其他能源提炼、制备纯氢,所以纯氢与电一样都属于二次能源产品。

从现有铝制氢适用性看,铝制氢更适宜特殊情况下的一次性储氢,比如军事用途储氢。直接将铝作为燃料,“加铝上路”则是另一个故事。能源作为一种商品,开发、应用、排放的处置成本永远是其大规模应用的基础,从经济上制约着任何一种能源产品的能源主体地位,决定了某些能源经济意义的枯竭和丰饶。“南阳水氢发动机”之所以抓人眼球,即在于它能一定程度上降低储存、运输氢气的成本。

但是制氢所增加的成本却使整个燃料系统的能源循环算不过账。能源的成本是市场充分条件下,技术和资源稀缺程度的集中体现,是一种时点上的均衡。“南阳水氢发动机”的使用成本主要集中于铝金属成本和氧化铝等催化剂成本,网上有粗略以铝价为基础计算的制氢成本,相对于电解制氢、煤气化制氢等主流路线成本要高几个数量级。实践上为了得到纯氢,同时提高反应的速度和稳定性,必须使用高纯铝粉和氧化铝催化剂,达到四个九即99.99%的纯度,这一纯度的特种铝制品价格远远高于普通铝价。

铝的成本曲线,来自于铝土矿的稀缺性和电解铝的高能耗,在可见的将来,作为工业原材料铝的价格也很难成量级地递减。氢气制备这一重要的工业化技术环节:包括化石能源制氢、电解水制氢等集中和分布式制氢的成本控制,以及尚在实验室阶段的核电站废热制氢、生物制氢、光电制氢等等非主流路线,这些制氢技术在绝大多数条件下都比“南阳水氢发动机”铝粉制氢成本便宜很多。

氢气存储运输的成本趋势

储氢和输氢的本质都是最大限度克服能源的时间、空间束缚。储氢、输氢的障碍在于如何将储运耗费的成本降低到足以覆盖其耗费人力、资本等的机会成本。氢气存储是氢气运输的前提和技术基础,氢气运输为氢气储藏提出更多样的技术要求。

储氢技术与成本

氢气的相图极其复杂,尤其是低温相图,一直是基础理论研究的重点。氢气只有低于临界温度,33k,(-240.2℃),才可能通过加压变成液态。在这个临界点上都可能是气态或非液、非气的超临界态。

当前氢气的来源广泛,所以存储的技术方案众多,主要分作物理和化学存储。物理存储技术(储氢罐技术)相对成熟,而化学储氢(包括铝制氢)技术虽然氢质量含量高,则多在研发(R&D)阶段,实际大规模工业应用还是缺乏的。超低温液态储氢罐方式,主要难点是效率:维持超低温耗费的能量至少占氢气能量的1/3强,这样不仅浪费巨大,从成本角度也不经济。一般的车载储氢系统以高压储氢为主,依照氢气本身的化学特性,将发展的重点集中于高压储氢技术与材料上。大规模集中制氢需要大规模储氢,当前廉价的方法则是基于地下储氢方法,如盐洞。

当前氢能存储发展和应用的中心问题是燃料电动车车载氢气储能。成本控制问题则集中于高压储罐成本,近年来铝内胆外缠碳纤维树脂成本下降较快,一旦中国上下游企业进入上述领域,成本下降的速度将成为一个工程学问题。700bar常温的存储密度(体积密度)是低温液体氢气的60%左右,700个大气压常温储氢密度是42g/l,1大气压的-253度液氢储存是70g/l,所以高压常温储氢相对成本和耗能其储存的实际效果是可以接受的。如果未来常温化学高密度储氢技术发展,燃料电池电动车的里程可以到一次充气10Kg,续航可达到1000公里以上。

氢运输的技术与成本

由于物质本身的比能(specific energy)无法被改变,所以任何燃料在物质三态间转换的目的,都是为了增加其能量密度。通过公路运输氢气方式,是常见的中短途运输方式,大多基于成熟常温/低温压缩气体和液体氢气,公路运输的途径有长管拖车(Tube Trailer)(常温200-250bar),集装箱式拖车(Container Trailer)(常温,500bar)和液态拖车(LiquidTrailer)(1-4bar,超低温),大规模运输同样可以通过水路运输和铁路运输。当前成熟输氢技术中,管道输氢技术是最便宜的,由于需要减少氢脆对钢管的影响,大部分输氢管都是碳纤维复合材料,因此前期投入高。由于氢脆有腐蚀性,氢气不能单独直接用天然气管道输送,必须和天然气混合。当前可以混合的最高比例是20%,比如英国在约克郡等地尝试混输氢气,直接进入最终家庭民用终端。荷兰利用其现有的天然气管网等基础设施,改造为运输氢能,实现“氢能替代天然气”的能源战略。国家电网公司(ChinaGrid)2018年也开始试点利用弃风、光、水电解氢,之后混输进入天然气管道。

看得见的手也要遵循能源经济的规律

对于政府来说,全面还原能源的商品属性,就是支持氢能源这样处于襁褓中的新能源。近些年电网、天然气主干网络改革依然滞后,碳税征收强度较低,各级公共机构对于环境污染的外部性没有很好规制等问题突出,导致我国的能源价格扭曲,能源行业绿色创新动力不足,制约了氢能产业的培育和发展。比如作为新能源的氢能源技术标准,检测体系都已不适宜商业化的具体实践,氢能源产业链重要一环的加氢站的审批就要涉及消防、土地证、环评、人防等,前置条件非常多,很复杂。

随着经济发展方式的转变,供给侧结构性改革进入深水区,更多有利于理顺能源商品属性的行业机制将落到实处。无论是电网电力市场改革,还是天然气主干网社会化,抑或新能源消纳有关政策,其顶层设计都集中在价格要真实反映一、二次能源资源的稀缺性、来源的稳定性和生产排放以及回收的外部性。

政府和社会都要看到,氢能源全产业链对于我国能源革命以及后续零排放能源社会的意义非凡。和量子计算机一样,燃料电池的概念提出,也超一个世纪的历史了。氢燃料电池全世界公认的翘楚——加拿大的巴拉德公司(Bal-lard)从建立到现在已经40多年,这是加拿大政府在国家层面上长期扶持才有的局面,从19世纪70年代阿波罗登月计划第一次将氢燃料电池用在航天行业,再到小布什(George W.Bush)总统将氢能作为美国能源独立战略的一项内容,这个时间跨度,我们的国家在制度、资金和风险上是否能接受,在中美交锋的背景下尤其应反思。我们的体制如何更好创造底层技术渐次提升的商业环境,因为从来爬科技树,往产业链高度提升都不能靠小道超车,而是要靠我们自己的科学家和工程师以商业化为前提的大胆尝试,在失败中前进。

作者系国家能源集团金融中心主任助理

关键字:氢能

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