氢能源崛起之困

2022-06-25 07:35:02 太阳能发电网
作者:万连山 来源:格隆汇
请想象一下。

一种新燃料,不仅能加热制冷,还能以不同规模发电,乃至驱动各种发动机,并广泛应用于家庭、工业和运输等几乎所有领域。

另外,尽管听起来不太真实,这种燃料不会产生任何辐射、颗粒物、大气污染物,且来源无处不在,地球的任何角落都储备丰富。

因为它,世界不再有能源困扰,与之衍生出的贪婪、地缘冲突、战争,都将一去不返。

这样的梦想能实现吗?

1869年,在科幻鼻祖儒勒·凡尔纳笔下,《海底两万里》中可怕的“鹦鹉螺号”潜艇用之不竭的燃料,便是氢气。

也是从彼时开始,氢能源作为最友好、最清洁的终极能源,始终活在人类的幻想中。

2H2+O2=2H2O,这个化学方程式就像巴赫的二部创意曲,简洁却蕴含巨大的能量。当氢以游离气体形式存在时,按重量计算的能量密度,让任何化石燃料都自惭形秽。

时过境迁,150年后的今天,当氢能源再次立于能源变革的风口浪尖,能否从绘本中走出,成为真正的英雄?


原画绘本中的“鹦鹉螺号”潜艇

至少,直到现在,氢仍是我们理想中最完美的燃料。

比如,某种程度上说,只有氢能源车,才是真正的新能源车。

以锂电车为例,存在充能时间长、冬季续航衰减严重、受充电设施制约等等问题。更加之,所谓的电动汽车环保,无非是把城区的污染转移到了郊区,电池污染是一个不能回避的问题。

氢能源则能很好解决这些短板:能量密度远高于锂电池、加氢过程只需3-5分钟续航500km,循环寿命4000次以上,排放的只有净水,没有污染。

去年11月的上海进博会上,当丰田Mirai第二代氢燃料电池乘用车首次在中国亮相,最大续航里程达850km,不少车迷都开了眼界。

书中的情节,这一刻似乎走进了现实。

只是,与传统锂电池相比,氢燃料电池似乎拥有无与伦比的优势。为何这么多年过去,仍没有进入商业推广阶段?

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成本之困

上帝虽总以完美诱惑世人,但祂并未创造过完美的事物。

氢能源也一样。

首要原因,当然是成本。

比如,在日本市场,Mirai的售价为723.6万日元(约36万元人民币),另可获得200万日元的补贴,终端售价523.6万日元,而Mirai本身并不是什么高级车型。

高昂的价格劝退了很多人。


实际上,地球是个氢元素严重匮乏的星球,远低于整个宇宙75%的氢占比。

在我们这方世界,氢气单质几乎不存在,只有化合物,最常见的是水或碳氢化合物。而所谓的氢能源,即纯度较高的氢气,必须从化合物中分离、经过繁琐的制取过程才能获得。所以,在地球上,氢只能作为二次能源。

这便是第一个逻辑陷阱:所谓取之不尽用之不竭,但对其他燃料的依赖性太强。

由此可引申到第二个逻辑陷阱:氢能源是最清洁的能源,但其所依赖的上一级,却不一定清洁。

目前制氢常见技术有三种,煤制氢,天然气制氢,电解水制氢。按照生产来源划分,分别叫“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。


如今,消耗的氢气95%,来自两种最常见的方法:煤炭和蒸汽甲烷(天然气)气化,重整生产。

前者耗能小,但制备1公斤氢气会排放约10公斤二氧化碳。如果我们要大力发展氢能源,肯定不是朝这个方向。

后者相对环保一些,但每制取1公斤氢气需耗电约11度。最关键的,碳捕集技术目前并没有完全克服。

而如果用电解水制氢,每制取一公斤氢则要耗电约48度,能耗之高让人不禁发出疑问,氢能产业真的有美好未来?


目前我国,虽然决心大力发展氢能源,但在现阶段,因为富煤的能源结构,仍以煤炭制氢为主。


除了上游制氢难、贵,中游的运输也是个大问题。

没错,除去核燃料,等质量氢的发热值是所有燃料中最高的,约为煤炭的6倍,乙醇的4倍,汽油的3倍。

但作为质量最轻的元素,氢气的密度太低。常温下,氢气的能量密度仅为天然气的三分之一。所以,氢气基本可以从任何容器中逸出,如何封装、储存,就成了老大难。最常见的方法有两种。

一是低温储氢,当将氢气放在-253摄氏度时,气氢变身成功,成为液氢。除了降温,要维持储氢罐体内的温度,这样就需要巨大能耗,也就是说相当于用直升飞机运输一筐廉价水果,根本得不偿失。

二种储氢方式是高压气态储氢,目前其质量储氢密度大约为4.0~5.7%。从技术成熟方面来看,高压气态储氢最成熟、成本最低,也是现阶段主要应用的储氢技术,基本能与传统加油方式相媲美。尽管这种储氢方式比较稳妥,但是对于更高的车载储氢要求如储氢量、安全性等问题,尚未有合适的解决方案。

目前国内在储氢瓶布局的企业并不多,毕竟技术难、成本高就算了,更关键的是在上下游都难有话语权,属于典型的脏活累活。

此外,目前在氢燃料电池的生产中还有一个很大的资源限制:铂。

当然,也不仅是氢燃料电池,其他燃料电池的催化剂也用铂。

铂矿在全世界的分布却极不均衡,南非占世界铂的总储量的90%,产量也是遥遥领先。中国的铂资源只占0.58%,也就是说,我们想大规模发展氢燃料电池,就需要大量进口金属铂。




如果制氢催化剂技术不变革,可以想象得到,我们原来依赖石油,以后换成了铂,那氢燃料汽车可以说就是移动的“奢侈品”。

最后,氢能源车全面普及的另一个必要条件,要大量兴建加氢站。

加氢站有三个类型,分别是外供氢高压氢加氢站、外供氢液氢加氢站、站内水电解制氢加氢站。

我国加氢站以高压氢气加氢站为主。比如,去年11月18日,全国首座高速服务区加氢站正式落户山东,占地1640平米,耗资1160万元。

由于氢的物理特性,储运困难,氢能的基建设施尤其昂贵。设备成本在当中占百分之80左右,其中绝大多数又是花在了氢气的压缩、储存和冷却、加注系统上。

这种高投入,最终落到消费者身上,就是一笔沉重的负担。

有人测算过,将产能到耗能的全过程纳入成本测量后,氢能的消费价格远高于电能。也就是说,仅基建等方面导致的非能源成本,氢能消费者就需要比电能支付2倍以上的价钱。


总而言之,氢能产业如今的现状就是制氢贵、储氢贵、加氢贵、用氢也贵。归根结底,在于“贵”字。

甚至,贵也不是全部。




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