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氫能:新能源的"灰犀牛"?

發(fā)布時間:2019-07-11   來源:中國科學(xué)報

  如果儲氫技術(shù)不變革,效率提不上去,成本降不下來,氫能就很難真正成為“灰犀?!?,因為它太慢了。因此,要找到一個經(jīng)濟、高效、可行的儲運模式,是氫能當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。

  6月26日,我國首部《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》(以下簡稱《白皮書》)正式發(fā)布?!栋灼分赋?,氫能將成為中國能源體系的重要組成部分。

  《白皮書》預(yù)計,到2050年,氫能在中國能源體系中的占比約為10%,氫氣需求量接近6000萬噸,年經(jīng)濟產(chǎn)值超過10萬億元;全國加氫站達到1萬座以上,交通運輸、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)氫能普及應(yīng)用,燃料電池車產(chǎn)量達到每年520萬輛。

  不僅是中國,全球現(xiàn)在都在對氫能產(chǎn)業(yè)加速布局。然而,就在氫能當(dāng)紅時,當(dāng)?shù)貢r間6月10日,位于挪威首都奧斯陸郊外的一座加氫站發(fā)生爆炸,并引發(fā)連鎖反應(yīng),目前,豐田和現(xiàn)代汽車都已宣布停止在挪威銷售氫燃料電池汽車。

  對此,有人將氫能稱為最有可能成為新能源革命的“灰犀牛”。因為灰犀牛雖體型笨重、反應(yīng)遲緩,但一旦它向你狂奔而來,卻會使你猝不及防,直接被撲倒在地。

  那么,面對氫能這頭“灰犀?!?,我們做好準備了嗎?

  危險性是可控的

  不管從哪個角度看,氫能都很“火”。一方面,氫能作為零排放能源,被視作21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗涣硪环矫?,接連爆炸也讓氫燃料電池汽車的安全性再成焦點。

  那么,氫能來了,安全性會成為掣肘嗎?

  “氫氣是可燃性氣體,當(dāng)它與空氣混合在4%~74%,可產(chǎn)生燃燒和爆炸;氫的點火能量極低,僅0.02毫焦。但是,氫在空氣中擴散極快,所以在露天環(huán)境下,氫比汽油、天然氣更安全?!敝袊こ淘涸菏?、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員衣寶廉在接受《中國科學(xué)報》采訪時說,“天然氣與氫有一定相似性,均易燃易爆,密度也均小于空氣,運行模式也是高壓氣態(tài)?,F(xiàn)在中國有近萬座天然氣加氣站,有近650萬輛天然氣汽車,均處在安全可控條件下運行?!?/p>

  對于大眾最擔(dān)憂的氫燃料電池車的安全性,衣寶廉表示,氫儲存在高壓氣瓶內(nèi),這種帶組合閥(包括安全泄壓閥)的碳纖維纏繞氣瓶已經(jīng)過火燒、槍擊實驗,均不產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。在車內(nèi)發(fā)動機室、乘客室、駕駛員室等也均安裝氫氣報警器,確保安全。另外,燃料電池堆的每節(jié)電池的氣室內(nèi)的氫都很少,在幾毫升數(shù)量級,一旦電池的隔膜破碎,只要系統(tǒng)能及時切斷氫源,電池也不會爆炸、起火。

  “韓國現(xiàn)代的NEXO燃料電池車在2018年順利通過歐盟新車安全評鑒協(xié)會碰撞測試,獲得碰撞安全5顆星,這也充分說明燃料電池車是安全的。”衣寶廉進一步舉例稱。

  但他也同時強調(diào),與氫打交道一定嚴防氫氣泄漏,即使在露天環(huán)境下也是如此。在氫氣輸運和充裝過程中,要檢查充裝接口和管道接口,確保密封良好,最好還要安裝氫濃度報警器。除嚴防氫泄漏外,還要控制氫氣流速,避免靜電和火源。對壓力容器,均要安裝安全閥等超壓的泄壓裝置。

  “只要嚴格按規(guī)程操作,氫的儲運與加氫站都是安全的?!币聦毩硎?,“建立規(guī)范標(biāo)準并嚴格執(zhí)行,氫的危險性是可控的,并且小于汽油和天然氣?!?/p>

  儲運是“卡脖子”環(huán)節(jié)

  實際上,氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括了三個環(huán)節(jié)——上游制氫、中游儲氫和運氫、下游用氫,而目前整個產(chǎn)業(yè)鏈最大的弱點并不是安全性問題,而是中間的儲運環(huán)節(jié)。作為氫能大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ),儲氫技術(shù)的發(fā)展將直接影響氫燃料電池汽車的推進進程。

  《白皮書》給出的一組數(shù)據(jù)對比就十分明顯:我國氫能制儲、加氫基礎(chǔ)設(shè)施、燃料電池及應(yīng)用三個環(huán)節(jié)企業(yè)占比分別為48.5%、9.7%、41.8%。

  實際上,對于加氫站建設(shè)來說,早就出現(xiàn)了“外熱內(nèi)冷”的現(xiàn)象。截至2018年底,我國已建成的加氫站僅有23座。加氫站審批流程復(fù)雜、盈利能力有限、回報周期長都成為其前行的“攔路虎”。

  對此,衣寶廉建議,應(yīng)通過加強加氫站關(guān)鍵材料、核心部件及技術(shù)國產(chǎn)化,進一步降低加氫站建設(shè)成本。另外,發(fā)展有機化合物(含烯烴、炔烴鍵的烴類或雜環(huán)化合物)吸氫和脫氫技術(shù),用于氫的儲運,降低氫的儲運成本和提高儲運的安全性。通過上述措施,要將每公斤氫的售價降到40元以下,使得燃料電池車的運行成本與燃油車相當(dāng)。

  而從儲氫技術(shù)的角度,中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高指出:“從儲氫瓶開始到加氫站,氫運輸、儲存等所有的技術(shù)還都停留在100年前的工藝水平,能效偏低、成本偏高?!?/p>

  在歐陽明高看來,氫的儲運是氫燃料電池汽車現(xiàn)在最大的難點。如果儲氫技術(shù)不變革,效率提不上去,成本降不下來,氫能就很難真正成為“灰犀?!?,因為它太慢了。因此,要找到一個經(jīng)濟、高效、可行的儲運模式,是氫能當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。

  技術(shù)仍需大變革

  歐陽明高強調(diào),燃料電池比動力電池的發(fā)展大概晚十年,氫能又比燃料電池的發(fā)展晚,所以當(dāng)前最重要的是氫能技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和政策全方位發(fā)展。

  實際上,除了儲氫,制氫技術(shù)現(xiàn)在用的也是多年前的工藝。目前國內(nèi)氫能生產(chǎn)方式主要有煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫,其中工業(yè)副產(chǎn)氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此,目前國內(nèi)氫能生產(chǎn)主要還是依靠化石能源,而電解水制氫僅占2%~4%,所占份額十分有限。

  在中國科學(xué)院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長鄒才能看來,太陽能的電解水制氫可能是未來大規(guī)模綠色制氫的最主要方式。衣寶廉則建議最大限度地利用氯堿等工業(yè)的副產(chǎn)氫,同時還可以在解決二氧化碳封存或利用的前提下發(fā)展劣質(zhì)煤制氫。

  從長遠角度,《白皮書》預(yù)計,2050年左右氫氣年均需求約6000萬噸,中國能源結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)化石能源為主轉(zhuǎn)向以可再生能源為主的多元格局,可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體,煤制氫配合二氧化碳捕獲和封存技術(shù)(CCS)、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)成為有效補充,整體氫能供給充裕,并可實現(xiàn)千萬噸級綠色氫氣出口。

  而對于氫能燃料電池技術(shù)來說,近年來雖然取得了長足的發(fā)展,但關(guān)鍵材料、核心部件的批量生產(chǎn)技術(shù)尚未形成,催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環(huán)泵等仍主要依靠進口,這嚴重制約了我國氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展。

  衣寶廉表示,首先要實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料和部件的產(chǎn)業(yè)化,如電催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板和MEA、空壓機、氫氣循環(huán)泵、70兆巴氫瓶等,降低燃料電池堆和發(fā)動機的成本。同時,還要提高燃料電池電堆的體積比功率,達到每立升3~4千瓦,減少電堆用料、達到每千瓦的鉑用量小于0.2克,大幅度降低燃料電池電堆成本。

  “總之,通過燃料電池生產(chǎn)線的建立和技術(shù)進步,降低燃料電池車的成本,2025~2030年可以實現(xiàn)燃料電池車的運行成本與鋰離子電池車持平?!币聦毩f。與此同時,氫能燃料電池技術(shù)標(biāo)準體系也亟待完善,建立完整的材料、部件、系統(tǒng)的有效檢測體系,為氫能燃料電池的技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。

      關(guān)鍵詞: 氫能,新能源

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