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氫能源儲運的“水氫車”迷思:事出反常必有妖

http://finance.sina.com   2019年06月15日 17:21   中國經營報

  原標題:氫能源儲運的“水氫車”迷思

  袁銳

  編者按/近日,本報對龐青年及其水制氫能源汽車刊發了深度報道。報道刊發後,引起廣泛關注。國家能源集團金融中心主任助理袁銳撰寫了相關文章,從理論來源、模型、市場應用等方面闡述了他對這一技術應用於造車的觀點,本報予以刊發,供讀者參考。

  據說“迷思”一詞起源於希臘語單詞μθο(mythos),是英語單詞Myth的音譯,又意譯爲神話、幻想、故事、虛構的人或事。“南陽水氫發動機”也許是一種迷思,但如何更好利用氫能源爲人類服務,卻是一段不斷解謎的過程。

  如果說指令是計劃經濟的信號燈,成本就是市場經濟的指揮棒,制氫的成本一直是制約氫能大規模應用的障礙。2009年諾貝爾獎獲得者,前美國能源部長朱棣文,如今雖然是氫能源的支持者,但上任伊始並不看好氫燃料電池。比如他在《麻省理工科技評論》的採訪中就針對燃料電池的發展提出了懷疑,甚至打趣認爲主(lord)需要三個奇蹟(miracles),而燃料電池需要四個奇蹟(miracles)才能夠產業化:更好(便宜)的製備、運輸分配、存儲氫氣的技術,以及氫燃料電池成本和穩定性,這是典型的美國政府的預算績效評價方法論。朱棣文所謂氫燃料電池這四大技術(奇蹟),實際上就是氫燃料電池進入導入階段和商業階段的四個主要技術瓶頸,這些技術全部可以歸因於技術成本。

  一是氫燃料電池的技術和成本:包括交通領域常用的質子交換膜電池(PEMFC)的電極催化劑合金技術和成本、燃料電池電堆(MEA)工藝和成本、儲氫罐技術以及燃料電池生命週期結束後回收等方面的成本等;

  二是氫氣製備這一重要的工業化技術環節的成本:包括化石能源制氫、電解水制氫、集中和分佈式制氫的成本控制,以及尚在實驗室階段的生物制氫、光電制氫等等非主流路線的成本。

  三是氫氣運輸和儲存技術和成本,儲氫和輸氫的本質都是最大限度克服能源的時間、空間束縛。儲氫、輸氫的障礙在於如何將儲運耗費的成本降低到足以覆蓋其耗費的人力、資本等機會成本。因爲氫氣特殊的化學性質,氫氣本身的製備、生產、運輸、儲存將使現有能源基礎設施面臨“史詩般”的改造。

  “南陽水氫汽車”的聳人聽聞之處在於,它同時解決了氫能源商業化四個瓶頸中的三個,如果真的如此,氫能源的商業化將直接從導入期跨越到成熟期。但是事出反常,必有妖,需要從能源本身的規律着手釐清“南陽神車”背後的氫能源存儲、運輸現狀與存在的問題。

  鋁製氫的特徵不適宜商業化儲氫

  經過十多年的發展,氫氣的製備已不再是行業的難題,所以利用金屬鋁製氫,目的在於解決高效存儲和運輸氫氣的難題。這並不是特別的創建,比如美國軍事研究院(the Army Research Laboratory)開發了一種鋁合金粉末,通過與水反應,可以爲單兵和戰鬥小分隊提供氫氣和熱量,進而爲攜帶的燃料電池供能和提供烹飪所需的熱量。“南陽水氫發動機”利用鋁水反應制氫,“水+鋁粉”的制氫過程和裝置(添加了成分依然保密的催化劑),所得氫氣作爲燃料,輸入電堆(MEA)產生電流,驅動電機做功,除了水氫裝置取代了儲氫罐,“水氫發動機”與普通氫燃料電池車沒什麼兩樣。在“南陽水氫”事件中,水作爲制氫的介質,卻被當做一種能源進行重點宣傳,是有極大誤導性的。以鋁製氫,其實是一個化學能轉換釋放的過程,也就是金屬鋁氧化的過程,最終得到的除了氫氣還有大量的氧化鋁和熱能。

  水氫汽車引起能源業界關注,在於其代表着解決儲、運氫氣難題的一種思路:通過車載更安全、易得的原料水、鋁粉而獲得儲存氫氣的便利。不過我們並不需要“水氫發動機”的下線來試錯,僅從能源科學和經濟學角度即可證僞。

  從水的化學屬性上看,根本不可以稱其爲能源,在熱穩定性上,水是自然界中最穩定的物質之一,堪比難於處置的溫室氣體——二氧化碳。但水又是氫氧化合物,理論上有足夠的能量作用,跨過氫氧間勢壘並打開氫氧化學鍵,可以令水分解成氫和氧。氫循環與碳循環一般,可以爲生物體直接提供能量;地球孕育生命的初期,星球表面和大氣中存在有較多的氫氣,但氫氣密度最小的這一事實,使大量的氫氣逃離了地球引力的束縛漫溢到外太空裏。剩下的氫氣則在高壓環境下自燃生成水,所以即使成分複雜的常壓空氣中也幾乎不存在單一的氫氣成分(常溫常壓空氣中低於兩百萬分之一),可資利用的氫能源主要以氫氧化合物的形式(如H2O)、碳氫化合物的形式(如甲烷)或有機體內的糖、脂肪和醇類等形式存在於自然資源中,需要依賴其他能源提煉、製備純氫,所以純氫與電一樣都屬於二次能源產品。

  從現有鋁製氫適用性看,鋁製氫更適宜特殊情況下的一次性儲氫,比如軍事用途儲氫。直接將鋁作爲燃料,“加鋁上路”則是另一個故事。能源作爲一種商品,開發、應用、排放的處置成本永遠是其大規模應用的基礎,從經濟上制約着任何一種能源產品的能源主體地位,決定了某些能源經濟意義的枯竭和豐饒。“南陽水氫發動機”之所以抓人眼球,即在於它能一定程度上降低儲存、運輸氫氣的成本。

  但是制氫所增加的成本卻使整個燃料系統的能源循環算不過賬。能源的成本是市場充分條件下,技術和資源稀缺程度的集中體現,是一種時點上的均衡。“南陽水氫發動機”的使用成本主要集中於鋁金屬成本和氧化鋁等催化劑成本,網上有粗略以鋁價爲基礎計算的制氫成本,相對於電解制氫、煤氣化制氫等主流路線成本要高几個數量級。實踐上爲了得到純氫,同時提高反應的速度和穩定性,必須使用高純鋁粉和氧化鋁催化劑,達到四個九即99.99%的純度,這一純度的特種鋁製品價格遠遠高於普通鋁價。

  鋁的成本曲線,來自於鋁土礦的稀缺性和電解鋁的高能耗,在可見的將來,作爲工業原材料鋁的價格也很難成量級地遞減。氫氣製備這一重要的工業化技術環節:包括化石能源制氫、電解水制氫等集中和分佈式制氫的成本控制,以及尚在實驗室階段的核電站廢熱制氫、生物制氫、光電制氫等等非主流路線,這些制氫技術在絕大多數條件下都比“南陽水氫發動機”鋁粉制氫成本便宜很多。

  氫氣存儲運輸的成本趨勢

  儲氫和輸氫的本質都是最大限度克服能源的時間、空間束縛。儲氫、輸氫的障礙在於如何將儲運耗費的成本降低到足以覆蓋其耗費人力、資本等的機會成本。氫氣存儲是氫氣運輸的前提和技術基礎,氫氣運輸爲氫氣儲藏提出更多樣的技術要求。

  儲氫技術與成本

  氫氣的相圖極其複雜,尤其是低溫相圖,一直是基礎理論研究的重點。氫氣只有低於臨界溫度,33k,(-240.2℃),才可能通過加壓變成液態。在這個臨界點上都可能是氣態或非液、非氣的超臨界態。

  當前氫氣的來源廣泛,所以存儲的技術方案衆多,主要分作物理和化學存儲。物理存儲技術(儲氫罐技術)相對成熟,而化學儲氫(包括鋁製氫)技術雖然氫質量含量高,則多在研發(R&D)階段, 實際大規模工業應用還是缺乏的。超低溫液態儲氫罐方式,主要難點是效率:維持超低溫耗費的能量至少佔氫氣能量的1/3強,這樣不僅浪費巨大,從成本角度也不經濟。一般的車載儲氫系統以高壓儲氫爲主,依照氫氣本身的化學特性,將發展的重點集中於高壓儲氫技術與材料上。大規模集中制氫需要大規模儲氫,當前廉價的方法則是基於地下儲氫方法,如鹽洞。

  當前氫能存儲發展和應用的中心問題是燃料電動車車載氫氣儲能。成本控制問題則集中於高壓儲罐成本,近年來鋁內膽外纏碳纖維樹脂成本下降較快,一旦中國上下游企業進入上述領域,成本下降的速度將成爲一個工程學問題。700bar常溫的存儲密度(體積密度)是低溫液體氫氣的60%左右,700個大氣壓常溫儲氫密度是42g/l, 1大氣壓的 -253度液氫儲存是70g/l,所以高壓常溫儲氫相對成本和耗能其儲存的實際效果是可以接受的。如果未來常溫化學高密度儲氫技術發展,燃料電池電動車的里程可以到一次充氣10Kg,續航可達到1000公里以上。

  氫運輸的技術與成本

  由於物質本身的比能(specific energy)無法被改變,所以任何燃料在物質三態間轉換的目的,都是爲了增加其能量密度。通過公路運輸氫氣方式,是常見的中短途運輸方式,大多基於成熟常溫/低溫壓縮氣體和液體氫氣,公路運輸的途徑有長管拖車(Tube Trailer)(常溫200-250bar),集裝箱式拖車(Container Trailer) (常溫,500bar)和液態拖車(Liquid Trailer)(1-4bar, 超低溫),大規模運輸同樣可以通過水路運輸和鐵路運輸。當前成熟輸氫技術中,管道輸氫技術是最便宜的,由於需要減少氫脆對鋼管的影響,大部分輸氫管都是碳纖維複合材料,因此前期投入高。由於氫脆有腐蝕性,氫氣不能單獨直接用天然氣管道輸送,必須和天然氣混合。當前可以混合的最高比例是20% ,比如英國在約克郡等地嘗試混輸氫氣,直接進入最終家庭民用終端。荷蘭利用其現有的天然氣管網等基礎設施,改造爲運輸氫能,實現“氫能替代天然氣” 的能源戰略。國家電網公司(ChinaGrid)2018年也開始試點利用棄風、光、水電解氫,之後混輸進入天然氣管道。

  看得見的手也要遵循能源經濟的規律

  對於政府來說,全面還原能源的商品屬性,就是支持氫能源這樣處於襁褓中的新能源。近些年電網、天然氣主幹網絡改革依然滯後,碳稅徵收強度較低,各級公共機構對於環境污染的外部性沒有很好規制等問題突出,導致我國的能源價格扭曲,能源行業綠色創新動力不足,制約了氫能產業的培育和發展。比如作爲新能源的氫能源技術標準,檢測體系都已不適宜商業化的具體實踐,氫能源產業鏈重要一環的加氫站的審批就要涉及消防、土地證、環評、人防等,前置條件非常多,很複雜。

  隨着經濟發展方式的轉變,供給側結構性改革進入深水區,更多有利於理順能源商品屬性的行業機制將落到實處。無論是電網電力市場改革,還是天然氣主幹網社會化,抑或新能源消納有關政策,其頂層設計都集中在價格要真實反映一、二次能源資源的稀缺性、來源的穩定性和生產排放以及回收的外部性。

  政府和社會都要看到,氫能源全產業鏈對於我國能源革命以及後續零排放能源社會的意義非凡。和量子計算機一樣,燃料電池的概念提出,也超一個世紀的歷史了。氫燃料電池全世界公認的翹楚——加拿大的巴拉德公司(Ballard)從建立到現在已經40多年,這是加拿大政府在國家層面上長期扶持才有的局面,從19世紀70年代阿波羅登月計劃第一次將氫燃料電池用在航天行業,再到小布什(George W.Bush)總統將氫能作爲美國能源獨立戰略的一項內容,這個時間跨度,我們的國家在制度、資金和風險上是否能接受,在中美交鋒的背景下尤其應反思。我們的體制如何更好創造底層技術漸次提升的商業環境,因爲從來爬科技樹,往產業鏈高度提升都不能靠小道超車,而是要靠我們自己的科學家和工程師以商業化爲前提的大膽嘗試,在失敗中前進。

  作者系國家能源集團金融中心主任助理

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