本文2019年11月11日刊發(fā)于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第7版能源化工,作者楊裕生系中國(guó)工程院院士楊裕生。
今年以來(lái),隨著國(guó)家及地方對(duì)氫能源支持力度的加大,氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景備受期待,“氫能是終極能源”的聲音也在多個(gè)場(chǎng)合聽(tīng)到。不過(guò),在筆者看來(lái),氫能的獲取,有限度、有難度,并不是那么“輕巧”?蒲腥藛T應(yīng)該在這方面多做些實(shí)事求是的分析,而不要炒作和鼓噪,以免誤導(dǎo)公眾。
1/ 原料氫氣是不少,但不是規(guī)模能源
首先,自然界沒(méi)有單質(zhì)氫氣可以開(kāi)采,必須從含氫物質(zhì)中提取。提取氫氣的目的原本是用作化工原料,而用作能源的歷史則很短。我國(guó)有些氫能工作者將化工原料氫氣的產(chǎn)能也算進(jìn)能源氫氣的產(chǎn)能,難免有自壯聲勢(shì)之嫌,也容易引起人們的錯(cuò)覺(jué)。
例如,有人說(shuō):“中國(guó)煤化工行業(yè)有近千臺(tái)氣化爐在運(yùn)行,合成氣總量超過(guò)3000萬(wàn)方/小時(shí),廣泛分布于中國(guó)各地區(qū),可以為各地的氫燃料
電池新能源汽車的規(guī);痉哆\(yùn)行提供有力支持。”這就是典型的誤導(dǎo)。且不說(shuō)合成氣中高含量一氧化碳的分離是否經(jīng)濟(jì)可行,氫燃料
電池新能源汽車規(guī);脷浜,煤化工生產(chǎn)還要不要正常運(yùn)行?!
原料氫氣和能源氫氣,雖然都是氫氣,但是原料氫氣只有在不影響其原來(lái)生產(chǎn)使用的前提下,才能拿出一小部分用作能源,其量是十分有限的。更何況,現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)氫消耗的基本是化石能源,排放嚴(yán)重,不是“清潔的氫能”。如果燃料電池用這種氫氣,豈不壞了自己清潔能源的美名?
2/ 氫能利用要講究轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)效益
氫能不是一次能源,它像電能一樣屬于二次能源,要由一次能源轉(zhuǎn)化而來(lái)。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程是需要消耗能量的,而且同時(shí)必然有一部分能量要變?yōu)?ldquo;廢能”,所以必須講究能量轉(zhuǎn)換效率。能量轉(zhuǎn)換是要花錢的,所以還必須講究經(jīng)濟(jì)效率。
從電網(wǎng)上取電通過(guò)電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率較高,約達(dá)85%。將氫在燃料電池中發(fā)電,能量轉(zhuǎn)換效率約50%,電-氫-電的能量轉(zhuǎn)換總效率稍大于40%。于是有人就說(shuō)氫能燃料電池
電動(dòng)車的能量轉(zhuǎn)換效率“很高”。殊不知,他們有意無(wú)意地不談如下的一系列“折扣”:燃料電池自身消耗的電能、氫氣從電解池的低壓狀態(tài)壓縮到輸送的高壓狀態(tài)消耗的能量、輸送高壓氫氣到加氫站所消耗的能量、加氫站給車上儲(chǔ)氫罐充氫所消耗的能量等等。如此七折八扣,電解水制氫所耗的一度電送到車上電動(dòng)機(jī),粗略算來(lái)只剩不到0.3度。
如果從電網(wǎng)上取電一度,經(jīng)充電器的AC-DC變換和車上電池的充電—放電,兩環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率都在95%左右,送到電動(dòng)車上電動(dòng)機(jī)的電能將近0.9度。近三倍的能量轉(zhuǎn)換效率差別一目了然,意味著節(jié)能減排效果相差懸殊。能量轉(zhuǎn)換效率既然不高,經(jīng)濟(jì)效率也不會(huì)樂(lè)觀。可見(jiàn),從發(fā)展電動(dòng)車節(jié)能減排的初心考慮,“由電網(wǎng)上取電-電解水制氫-氫能燃料電池”的路線是不可取的。
高溫氣冷堆也被說(shuō)成可用以制氫。其實(shí),用高昂的進(jìn)口氦氣作為工質(zhì)的高溫氣冷堆發(fā)電,經(jīng)濟(jì)性本來(lái)就在推敲之中,現(xiàn)在卻要將千度的高溫?zé)崮苋〕鰜?lái)分解水制氫而不用去發(fā)電,要么是沒(méi)事找事,要么就是為建高溫氣冷堆拼湊理由。
3/ 我國(guó)輸氫遠(yuǎn)不及輸電合理
有些人提出,可用“三北”地區(qū)的“棄風(fēng)”“棄光”的電來(lái)電解水制氫,而且還舉出德國(guó)用風(fēng)能發(fā)電、電解水制氫的例子,證明這條路線可行。
但是,第一,我國(guó)“三北”地區(qū)的棄風(fēng)、棄光電解出的氫,在“三北”地區(qū)是消耗不了的,必須遠(yuǎn)距離輸送到燃料電池電動(dòng)車盛行的地區(qū),耗能自不在話下,而高壓純氫對(duì)管道鋼的氫脆更是一個(gè)難關(guān)。第二,我們還要看到,我國(guó)“三北”地區(qū)的“棄風(fēng)”“棄光”是不正常、短期的現(xiàn)象,一旦造成這種現(xiàn)象的人為和技術(shù)原因消除了,也就無(wú)“棄風(fēng)”“棄光”可用了,因?yàn)檩旊娤啾扔谳敋,無(wú)論是設(shè)備的建設(shè)還是運(yùn)行,都要合理得多。第三,德國(guó)為了減少對(duì)進(jìn)口天然氣的依賴,用可再生能源發(fā)電、電解水制氫,將氫氣摻入天然氣中作燃料,濃度不超過(guò)10%,不存在高壓純氫對(duì)管道鋼的氫脆問(wèn)題。而且,德國(guó)國(guó)土東西寬不過(guò)500公里、南北長(zhǎng)700余公里,天然氣管道密布,沒(méi)有我國(guó)“三北”地區(qū)與燃料電池可能盛行地區(qū)間的長(zhǎng)距離輸送問(wèn)題。在德國(guó)合理可行,不等于在我國(guó)亦然。
4/ 利用副產(chǎn)氫難度不小
還有人提出,我們可將副產(chǎn)氫用于燃料電池。對(duì)此,原則上我完全贊成,但賬到底怎么算要商榷,因?yàn)椴皇撬懈碑a(chǎn)氫都可用于燃料電池。今年7月1日起開(kāi)始實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》,規(guī)定了質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的雜質(zhì)含量要求,其中最重要的是一氧化碳體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.2×10-6。
以焦?fàn)t煉焦行業(yè)為例,要將焦?fàn)t煤氣中的幾項(xiàng)重要雜質(zhì)降到GB/T37244-2018的指標(biāo),尤其是5%~8%的一氧化碳降低到千萬(wàn)分之二,不僅要解決一系列技術(shù)難題,還要消耗大量的能量。
最現(xiàn)實(shí)的是氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫。據(jù)說(shuō),2017年全國(guó)放空的氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫為25萬(wàn)噸。此氣不含一氧化碳,改放空為利用,適合于燃料電池。此外,丙烷脫氫、乙烷裂解等工業(yè)也有數(shù)量相當(dāng)?shù)母碑a(chǎn)氫。如果輸送距離不遠(yuǎn),在燃料電池電動(dòng)車的演示階段,這些副產(chǎn)氫綽綽有余。遺憾的是,這些副產(chǎn)氫的數(shù)量,遠(yuǎn)不足以擔(dān)當(dāng)未來(lái)“終極能源”的重任。
5/ “氫能是終極能源”命題不成立
“氫能是終極能源”是美國(guó)前總統(tǒng)布什當(dāng)政時(shí)首先提出的。在筆者看來(lái),能源發(fā)展是沒(méi)有終極的。難道有了氫能之后能源就不發(fā)展了嗎?未來(lái)人們的節(jié)能減排意識(shí)將進(jìn)一步加強(qiáng),更加綠色的能源、更高效的能量轉(zhuǎn)換方法,將是人類不斷的追求。
“氫能是終極能源”,還可理解為人類將來(lái)用的能源全部是氫能。這顯然是脫離實(shí)際的。即使說(shuō)汽車完全用氫能,按我國(guó)未來(lái)50%的人均汽車保有量計(jì)算,7億輛車、年用氫10億噸,既沒(méi)有這個(gè)可能,更沒(méi)有這個(gè)必要。畢竟對(duì)于大多數(shù)電動(dòng)車而言,直接用電網(wǎng)的電會(huì)更方便、更合算,何況還有其它能源可用,還有燃料電池自身的弱點(diǎn)引起的競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)問(wèn)題。
應(yīng)該相信,隨著氫氣提純技術(shù)的進(jìn)步,其能耗和成本會(huì)不斷下降,可用的副產(chǎn)氫數(shù)量會(huì)有所增加,“天花板”會(huì)有所升高。但是,也應(yīng)該相信,“天花板”肯定是有的,“氫能是終極能源”的命題是不成立的。
真正清潔而又經(jīng)濟(jì)可用的氫能并不豐富,與幾億輛汽車所需的能源相比,它只是個(gè)零頭而已,F(xiàn)在有些人已不認(rèn)可“氫能是終極能源”了,但他們?cè)O(shè)想,未來(lái)燃料電池電動(dòng)車會(huì)占汽車的20%~30%。而按我上述的分析,樂(lè)觀一些的估計(jì)氫能燃料電池電動(dòng)車在未來(lái)汽車中的占比不會(huì)超過(guò)5%。
當(dāng)然,氫能即使是個(gè)零頭,也該用好。為此,科研人員應(yīng)該多做些實(shí)事求是的分析,而不要炒作和鼓噪,以免誤導(dǎo)公眾和官員。
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