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数据解读碳达峰碳中和误区及其现实路径-3

2021-09-13 , 3211 , 101 , 174

03

为什么氢能汽车还没有产业化?

氢能一点也不新,早在上个世纪六十年代,阿波罗登月的时候就是带着液氢液氧上天,氢能发的电供仪器用,产生的水宇航员喝。
我曾经在美国联合技术(UTC)-壳牌合资公司工作,很多年美国所有宇宙飞船的燃料电池就是联合技术公司(UTC)生产的。上世纪90年代一直到2005、2006左右,这个期间美国花了上百亿美元在燃料电池上的研发。我记得2003年小布什总统在他的国情咨文演讲时说,他会宣布一个计划,美国能源部花12亿美元开发氢燃料电池汽车,15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。
  然而到现在,全世界的燃料电池(车)可能加起来也就是3万多辆,美国不到1万辆。去年全世界氢能源车只卖了1900多辆,丰田也没卖多少辆。小布什总统用还没有真正意义上突破的技术去制定国家战略,耗费大量投资,尽管在这期间培养了的大量的科学家和研发人员,但是对于产业的推动和环境的改变是微乎其微的。
 
燃料电池汽车,也就是我们说的氢能汽车,为什么没有产业化?

最根本的原因是氢气不适合于作为你我大众共有的能源载体。很多人在这块有一个误区,甚至有媒体渲染说   “氢是人类的终极能源”,这句话是不严谨的。
  氢不是一次能源,而是一种二次能源,或者更确切地说是能源的载体。

这个世界有煤田、油田、天然气田,但没有氢田。

氢和电以及甲醇一样,是通过别的能源制造的,但是作为载体,氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。
  

氢气不适合于做大众能源载体,主要的原因在于有几个方面人们无法通过研发改变。

第一,氢气是体积能量密度最小的物质,我们要求是体积能量密度越大越好。好多人犯了一个概念性的误解,说氢是能量密度最大的,这句话又是对了一半。
  如果论公斤(质量能量密度),氢的能量密度是最大的。但是对于汽车压重和轮船有压舱水来说,重一点问题不大,但油箱体积不能太大,应该论每立方米,论公斤意义不大。

如果转成同样的能源概念,它的体积能量密度是最小的(如图3)。
  为了增加体积能量密度,只好增加压力。   目前看到所有的氢燃料电池车里的储氢罐,都是350和700公斤大气压。储氢罐如果拿不锈钢设计必须做得非常厚,因为压力太高。
  学过理工的人都知道,700公斤压力的高压设备,不是那么容易生产制造的。

能量密度比
图3:各类能源的能量密度

第二,氢气高压会有一个问题,氢气是元素周期表中最小的分子,最小的分子就意味着最容易泄露,长期储存是问题。

第三,氢气在露天没有问题,我们在20多年前在美国做过这个实验,一个氢燃料电池车,它的储氢罐为了安全一般都放在最后,普通步枪一枪是打不透的,用超强的步枪打穿,因为氢气很轻,就像氢气球一样,一条火龙冲上天,驾驶室的温度一下子升不了那么高,人有足够时间逃逸。

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但是,在封闭的空间里,氢气就会有巨大的问题。氢气是爆炸范围最宽的气体,可以从4%到74%。小于4%是安全的,大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内,遇火星就爆。

现在北上广深这些城市,尤其在深圳,90%以上的车是停到地下车库这一封闭空间里的。当大量氢能汽车进到地下车库,若有一辆车泄露,就会产生巨大的危险。尽管这个是小概率事件,但是使用量众多的时候,总有部件老化等问题发生,哪怕储氢罐是安全的,阀门、管路等也有一定小概率老化,或者开车不注意发生了撞击。
  一旦泄露遇到火星、电火花就会爆炸,引起其他车爆炸,一个大楼都有可能毁掉。所以在封闭的空间里,使用氢气要非常注意。
因为氢气的爆炸性,现在都不让运输氢超过一定的范围的车辆过隧道,如果把隧道炸掉了怎么办?当然,将来是不是能够建氢管道是另外一个问题。

同样因为氢气的爆炸性,建设加氢站要特别小心,周围需一定的安全距离。现在的北上广深到处都是加油站,但地价这么贵,到哪找能那么多地重新建加氢站呢?
因为这些问题,尽管氢能现在很热,但是要谨慎。氢气的这些性质决定了它不适合做能源载体。所以,当人们说   “氢是人类能源的终极”时,很多的东西是似是而非的。

疫情前,科技部几位同志可能听说我做过几届全美氢能与燃料电池峰会主席并且二十多年来一直是国际氢能协会的理事,带了几个专家到深圳来调研,我们谈了一下午,之后我把氢能的一些现状、问题以及解决途径写了一个简单的报告,后来他们就把它放进《科技日报》的头版头条里。

UfqiLong

制氢容易,但储氢、运氢有难度。世界上其实氢气的使用很广泛,中国的氢气产能已经达到3000多万吨/年了,今天我们用的每一克的化肥都是氢造的。

世界上有这么多的化肥厂、炼油厂都要大量的氢气,但是目前没有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥。
  什么原因?   太贵,要是便宜的话,这些化肥厂,炼油厂早就改了用太阳能、风能制氢了。
现在全世界每年已有数千万吨的氢市场,而且供给到炼油厂氢是最贵的,每个炼油厂边上都有个大的气体公司。用风能、太阳能制氢不是不可以做,只是目前没有足够的经济吸引力。如果说这是赚钱的,相信很多企业家早就开始拿风能和太阳能制氢去了。

氢也不是没有优势,也可以做,怎么做?跟我们的碳中和有关系。


04

为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体?

如果今后真正想实现碳中和,并且太阳能、风能可以卖碳税的时候,可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇,通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成,这就比直接燃烧的发动机效率高。这条路线未来是有可能的。我只能说有可能,不能保证,主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了,这条线路就有经济性。

1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氢也就72克,而1L甲醇和水反应的产氢量是1L液氢的2倍。


为什么这个技术有可能这样做?二十年前,全世界第一辆汽油在线转化制氢的燃料电池汽车,是我领着尼桑和壳牌的一些工程师造出来的。
这有一个小故事,那时丰田、本田、GM的高压氢燃料电池已经造出来了,尼桑发现落后了,于是找到壳牌,又找到我们,说能不能造一辆车,加的是汽油,汽油在车上和水、和空气反应造氢,然后推动燃料电池,这样燃料电池的效率高,同时也可以不用加氢站。

当时为什么没有做甲醇?因为页岩气革命还没发生,天然气当时很贵,国外的天然气制甲醇成本太高。2005年,如果我们预测到会发生页岩气革命,就不会花28亿美元建零污染火电厂。
  但技术是不可预测的。   页岩气革命让世界上突然发现了上百年用不完的天然气,也使得天然气从17美元/百万英热单位狂降到1.5美元,而后平盘到3美元左右

在天然气价格那么高的时候,甲醇没有经济性。所以,当时我们公司考虑用油,说能不能在车上汽油制氢。老板找我的时候,我说这个项目肯定不挣钱。但是他跟我说,我做阿波罗登月的时候根本没有想到挣钱,但事实上我们阿波罗登月开发的技术后来在各个领域用上了,现在有尼桑给我们钱,只要把技术做到极限,最后也能在其他领域有用。

我说,只要别拿挣钱衡量我,我们把技术做到极限那是好事。后来,几年之内我们就把第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车造出来了。  


有了这个技术做积累,甲醇制氢比汽油转化容易很多,因为一方面甲醇干净得多,没有硫;另一方面汽油转化需要850度以上,甲醇和水反应200多度就可以了。

为什么我提甲醇这条线路?

甲醇可以从煤、天然气来制,未来可以用太阳能制氢与CO2反应制,或太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。

中国科学院大连化物所的李灿院士以及我们南方科技大学都在做绿色甲醇的研发,中科院在兰州已经建设了1000吨的论证示范工厂。
  现在中国甲醇产能全世界最高,大概8000多万吨。另外,页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气,就有100多年用不完的甲醇。
  未来如果碳税真正上去了,我们也可以用风能和太阳能制氢,这样生产的甲醇就完全是绿色甲醇了。

但是这个世界不需要追求绝对的零碳,国际上常提的零碳排放通常是   “近零(Near Zero)”和“净零(Net Zero)”。讲碳中和的时候一定要强调,就是这个世界碳太多不好,但是任何人追求绝对的零碳是不科学的,因为我们吃的食品、植物生长和光合作用都需要二氧化碳。如果把中国的经济从煤经济转到天然气经济或者是甲醇经济就可以减碳67%,那么基本上就可以做到碳平衡了。
  因此中国讲的是“碳中和”,国外讲的是“净零排放”,也就是要排放碳的同时,有别的技术或者措施实现排放平衡到一定水平。


我个人觉得,从中国的天然能源禀赋和工业基础来看,中国有很成熟的煤制甲醇技术,只是要产生很多的二氧化碳,因为要补氢以达到甲醇合成所需要的碳氢比,然而通过水煤气变换将一氧化碳转化成氢气的同时会排放二氧化碳。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制,同时副产氧气供煤气化用,能够解决很多排放问题;煤制甲醇的工厂里,空气深冷分离制氧气的空分装置是投资最大的,这块投资未来省下来可以做太阳能电解水装置生产氧气和氢气供煤制甲醇用,这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作为能源的载体就可以做到减碳60%以上,这可能是未来比较现实的一条碳中和路线。
  说穿了是利用现有的基础设施把太阳能以甲醇液体的形式储存下来;这是未来风能,太阳能储能的另外一条途径。

这样风能、太阳能虽然贵一点,但煤很便宜,这两个一中和,成本就可控了。氢气和二氧化碳做绿色甲醇目前还有一定的成本障碍,如今直接用现有的煤甚至劣质煤制甲醇就可以了。

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UfqiLong

甲醇是一个载体,液体的载体比气和电载体科学多了。因为,电虽然好输送但是不好存储,氢既不好输送,也不好存储,只有液体比较方便。

今天氢气制造很便宜,可一旦压缩到几百公斤大气压的时候成本就上去了。张家口冬奥会做氢能示范,国家补贴了大量资金,并且目标在未来几年达到30元/kg的氢气价格。但是如果在车上用甲醇,就按今天的市场价格买甲醇,每公斤氢气的成本只有15元。


所以一方面是甲醇制氢的成本低了;另一方面,甲醇常温常压下是液体,甲醇站可以用已有的液体加油站改装。对于一般的加油站,近年可能是6个罐,前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐,再过十年,替换成2个甲醇罐,4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。
简单估算一下布局成本,按照加油站450辆车/天的加注能力,充电站24辆车/天充电能力,小型氢气加注30辆车/天的能力来测算,假设都建一万座,甲醇大约需要20亿美元,充电站大约需要830亿美元,加氢站大约1.4万亿美元,而且这个1.4万亿还没有考虑地价的因素。

我不认为我们会把花了几万亿建起来的液体燃料基础设施毁掉再重新建加氢站和充电桩,没有必要。石油如果排碳太高,可以用绿色的液体取代,而且我们可以把太阳能和风能转成液体储存下来,这就改变了储能的概念,原来大家多少年花了多少万亿就是研究储电,但是储电干了一百年都干不过一个抽水储电,这条线上再给十亿的研发经费,成功的概率也就是万分之十、千分之一。
电池对小型设备比如说手机非常重要,但是靠电池做大型的储能要非常谨慎。最近国家也非常注意,把梯级利用的大电站停下来了,因为安全性是一个问题。

电动车和燃料电池最大的问题在于基础设施的土地成本问题和冬天续航问题。

现在我们城市里土地很贵,好多人为了拿国家补贴就在郊外搞一个充电站,但是买一辆车如果开车来回一个小时才能到充电站或加氢站,你会买吗?现在,我国已建成的公共充电桩利用率平均只有4%左右,其中充电桩铺设最多的北京、上海,使用率仅为1.8%、1.5%。
  电动车存在里程焦虑且冬天无法满足供暖,到冬天一遇冷可能会趴窝,要知道全世界80%主要发达城市位于北纬25度以上,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京、多伦多,这些城市都是有冬天的地方,如果一辆汽车只能夏天开冬天开不了,你会买吗?

原来我在北京,为了研究这个,专门找电动出租车坐,上车后我发现司机大冬天穿着军大衣、棉靴子,不敢开暖气。我说把暖气打开,司机说他不敢。因为不开暖气,只能跑100多公里,如果开了暖气,马上就没电了,他根本赚不了钱。


如果风能、太阳能和煤炭结合转成甲醇,我车上永远装50升的甲醇就好办了。今天,在深圳买一个电动车,连广州都不敢跑一趟。跑到那里没电了不知道到哪充,即使能找到充电桩,可能也要等一个小时,而快充对电池的破坏很大。
  怎么办?   我们现在想办法给电动车赋能。   反正晚上回家停车,你在停车位边安一个比较小的慢充装置,几百块钱就行了。
  你把它充满,但是车上永远装50L的甲醇,就相当于你晚上睡觉把手机充满,同时还带了一个充电宝。没电的时候,就可以用车上的甲醇和水制氢,用氢发电。这样根本不需要再建那么多充电站和加氢站,而且甲醇和水反应只需要200多度,它的余热就可以把电池维持在最佳的温度,也解决电动车冬天的续航里程问题。
 

+氢气 +燃料电池 +氢能 +制氢 +储氢

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