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“氢能是终极能源”命题不成立

作者:杨裕生 来源:中国科学报 发布时间:2019-11-13 浏览:
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中国储能网讯: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。

中国工程院院士:杨裕生

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?

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。

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。

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/T 37244-2018《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。

“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。

《中国科学报》 (2019-11-11 第7版 能源化工)

关键字:氢能

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