本文2019年11月11日刊发于《中国科学报》第7版能源化工,作者杨裕生系中国工程院院士杨裕生。
今年以来,随着国家及地方对氢能源支持力度的加大,氢能产业的发展前景备受期待,“氢能是终极能源”的声音也在多个场合听到。不过,在笔者看来,氢能的获取,有限度、有难度,并不是那么“轻巧”。科研人员应该在这方面多做些实事求是的分析,而不要炒作和鼓噪,以免误导公众。
1/ 原料氢气是不少,但不是规模能源
首先,自然界没有单质氢气可以开采,必须从含氢物质中提取。提取氢气的目的原本是用作化工原料,而用作能源的历史则很短。我国有些氢能工作者将化工原料氢气的产能也算进能源氢气的产能,难免有自壮声势之嫌,也容易引起人们的错觉。
例如,有人说:“中国煤化工行业有近千台气化炉在运行,合成气总量超过3000万方/小时,广泛分布于中国各地区,可以为各地的氢燃料
电池新能源汽车的规模化示范运行提供有力支持。”这就是典型的误导。且不说合成气中高含量一氧化碳的分离是否经济可行,氢燃料
电池新能源汽车规模化用氢后,煤化工生产还要不要正常运行?!
原料氢气和能源氢气,虽然都是氢气,但是原料氢气只有在不影响其原来生产使用的前提下,才能拿出一小部分用作能源,其量是十分有限的。更何况,现在工业产氢消耗的基本是化石能源,排放严重,不是“清洁的氢能”。如果燃料电池用这种氢气,岂不坏了自己清洁能源的美名?
2/ 氢能利用要讲究转化效率和经济效益
氢能不是一次能源,它像电能一样属于二次能源,要由一次能源转化而来。这一转化过程是需要消耗能量的,而且同时必然有一部分能量要变为“废能”,所以必须讲究能量转换效率。能量转换是要花钱的,所以还必须讲究经济效率。
从电网上取电通过电解水制氢的能量转换效率较高,约达85%。将氢在燃料电池中发电,能量转换效率约50%,电-氢-电的能量转换总效率稍大于40%。于是有人就说氢能燃料电池
电动车的能量转换效率“很高”。殊不知,他们有意无意地不谈如下的一系列“折扣”:燃料电池自身消耗的电能、氢气从电解池的低压状态压缩到输送的高压状态消耗的能量、输送高压氢气到加氢站所消耗的能量、加氢站给车上储氢罐充氢所消耗的能量等等。如此七折八扣,电解水制氢所耗的一度电送到车上电动机,粗略算来只剩不到0.3度。
如果从电网上取电一度,经充电器的AC-DC变换和车上电池的充电—放电,两环节的能量转换效率都在95%左右,送到电动车上电动机的电能将近0.9度。近三倍的能量转换效率差别一目了然,意味着节能减排效果相差悬殊。能量转换效率既然不高,经济效率也不会乐观。可见,从发展电动车节能减排的初心考虑,“由电网上取电-电解水制氢-氢能燃料电池”的路线是不可取的。
高温气冷堆也被说成可用以制氢。其实,用高昂的进口氦气作为工质的高温气冷堆发电,经济性本来就在推敲之中,现在却要将千度的高温热能取出来分解水制氢而不用去发电,要么是没事找事,要么就是为建高温气冷堆拼凑理由。
3/ 我国输氢远不及输电合理
有些人提出,可用“三北”地区的“弃风”“弃光”的电来电解水制氢,而且还举出德国用风能发电、电解水制氢的例子,证明这条路线可行。
但是,第一,我国“三北”地区的弃风、弃光电解出的氢,在“三北”地区是消耗不了的,必须远距离输送到燃料电池电动车盛行的地区,耗能自不在话下,而高压纯氢对管道钢的氢脆更是一个难关。第二,我们还要看到,我国“三北”地区的“弃风”“弃光”是不正常、短期的现象,一旦造成这种现象的人为和技术原因消除了,也就无“弃风”“弃光”可用了,因为输电相比于输氢,无论是设备的建设还是运行,都要合理得多。第三,德国为了减少对进口天然气的依赖,用可再生能源发电、电解水制氢,将氢气掺入天然气中作燃料,浓度不超过10%,不存在高压纯氢对管道钢的氢脆问题。而且,德国国土东西宽不过500公里、南北长700余公里,天然气管道密布,没有我国“三北”地区与燃料电池可能盛行地区间的长距离输送问题。在德国合理可行,不等于在我国亦然。
4/ 利用副产氢难度不小
还有人提出,我们可将副产氢用于燃料电池。对此,原则上我完全赞成,但账到底怎么算要商榷,因为不是所有副产氢都可用于燃料电池。今年7月1日起开始实施的国家标准GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》,规定了质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气的杂质含量要求,其中最重要的是一氧化碳体积分数应不大于0.2×10-6。
以焦炉炼焦行业为例,要将焦炉煤气中的几项重要杂质降到GB/T37244-2018的指标,尤其是5%~8%的一氧化碳降低到千万分之二,不仅要解决一系列技术难题,还要消耗大量的能量。
最现实的是氯碱工业的副产氢。据说,2017年全国放空的氯碱工业的副产氢为25万吨。此气不含一氧化碳,改放空为利用,适合于燃料电池。此外,丙烷脱氢、乙烷裂解等工业也有数量相当的副产氢。如果输送距离不远,在燃料电池电动车的演示阶段,这些副产氢绰绰有余。遗憾的是,这些副产氢的数量,远不足以担当未来“终极能源”的重任。
5/ “氢能是终极能源”命题不成立
“氢能是终极能源”是美国前总统布什当政时首先提出的。在笔者看来,能源发展是没有终极的。难道有了氢能之后能源就不发展了吗?未来人们的节能减排意识将进一步加强,更加绿色的能源、更高效的能量转换方法,将是人类不断的追求。
“氢能是终极能源”,还可理解为人类将来用的能源全部是氢能。这显然是脱离实际的。即使说汽车完全用氢能,按我国未来50%的人均汽车保有量计算,7亿辆车、年用氢10亿吨,既没有这个可能,更没有这个必要。毕竟对于大多数电动车而言,直接用电网的电会更方便、更合算,何况还有其它能源可用,还有燃料电池自身的弱点引起的竞争力不强问题。
应该相信,随着氢气提纯技术的进步,其能耗和成本会不断下降,可用的副产氢数量会有所增加,“天花板”会有所升高。但是,也应该相信,“天花板”肯定是有的,“氢能是终极能源”的命题是不成立的。
真正清洁而又经济可用的氢能并不丰富,与几亿辆汽车所需的能源相比,它只是个零头而已。现在有些人已不认可“氢能是终极能源”了,但他们设想,未来燃料电池电动车会占汽车的20%~30%。而按我上述的分析,乐观一些的估计氢能燃料电池电动车在未来汽车中的占比不会超过5%。
当然,氢能即使是个零头,也该用好。为此,科研人员应该多做些实事求是的分析,而不要炒作和鼓噪,以免误导公众和官员。
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