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關于氫能源、氫經濟、氫冶金的評論

作者:1180 發布時間:2019-09-17 文字大小:【大】【中】【小】
 周渝生,儲滿生,王國棟
東北大學

  在全球發展強勁需求的刺激下,國際市場石油價格一直居高不下。據預測,在今后20年,預計各國對能源需求的增長將達到50%以上。尤其是我國經濟的高速發展,我國正成為一個嚴重依賴中東石油海上運輸線的大國。能源對外過度依賴,將嚴重制約我國的經濟發展規劃和國際戰略地位。在這種情況下,以氫作為中間媒介的能源系統——氫能源,引起了國人的廣泛關注,同時,今后全社會的能源主要由氫氣提供的經濟性,用氫氣煉鐵的氫冶金也逐漸引起人們的關注。本文根據作者的知識和目前了解的信息,拋磚引玉,對氫能源、氫冶金提出一些粗淺的看法供大家討論。

  1 為什么人們對氫燃料電池的評價很高

  以理想氣體為工作物質的可逆卡諾循環,其熱機額效率僅取決于熱機高溫及低溫兩端的溫度.以熱力學第二定律為基礎,可以將之推廣為適用于任意可逆循環的普遍結論,稱為“卡諾定理”,從理論上研究熱機效率,可以找出提高效率的方向。從“卡諾定理”的熱機效率計算公式,可以簡化為熱機效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1=(T1-T2)/T1。即熱機內高溫熱源溫度與低溫熱源溫度之差與高溫熱源溫度之比值越大,熱效率越高;反之亦然。(圖1)

  以氫作為燃料的一個最主要吸引力,即是它與燃料電池(FC)的天生相容性。相較于目前蒸汽機8%,汽油內燃機25%,火力發電33%,柴油內燃機40%或液體燃料火箭48%的熱效率,氫氣在電池進出口氣體溫差為0℃-200℃的氫燃料電池中,可以完全轉換為電流和水,因此可達到50%以上的高的能源轉換效率。燃料電池FC是一種將儲存在燃料(氫)和氧化劑(氧)中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的裝置(圖2),其過程不涉及燃燒,無機械損耗,理論上能量轉化率可高達80%,產物僅為電、熱和水蒸氣;而且FC運行平穩,無振動和噪音,所以被認為是21世紀的綠色能源。【1】

 
 圖2

  如果將氫燃料電池驅動電機,在不需以熱為媒介的情況下,可將氫的化學能轉換成機械功,效率或可高達 70%-90%。這個吸引人的能量轉換新方法將可能可以取代許多傳統的熱機。此高效率之優點正是發展氫燃料電池的一個強大推動力。

  盡管燃料電池的效率較高,在運輸熱機中燃燒氫也能夠提高熱效率。噴射引擎和內燃機僅需做簡單的修改,便可用氫取代原先的碳氫燃料。內燃機以氫為燃料運轉的效率可比汽油內燃機高出達20%,而且不會產生含碳排放物。

  不少人堅信,在不久的將來,受燃料電池裝置造價大幅度降低和CO2埋藏或利用技術獲得重大突破兩大驅動力的推動,氫能源將有望被大規模推廣,氫能經濟將成為現實。然而,氫能源到底離我們有多遠?我們還面臨哪些挑戰呢?

  2 未掌握核心技術,氫能源的應用成本很高

  目前氫能源的核心質子交換膜燃料電池(PEMFC),材料和技術全部掌握在西方國家手中,如果我國現在推廣氫能源,中國必須花80%的外匯從發達國家進口燃料電池及電堆的構件組裝,國內企業僅僅獲得組裝人工費和配套外殼制造的微薄利潤,只能為幾個發達國家打工。而這些燃料電池、電堆的價格非常昂貴。組裝出來大多數老百姓也用不起。

  據北京飛馳綠能電源技術有限責任公司、總經理總工程師王利生介紹,汽油發動機的生產成本為每千瓦35美元,而目前燃料電池發動機的生產成本約為每千瓦3300美元。在我國,飛馳綠能公司以1-2萬人民幣/千瓦的價格(2900美元)出售他們組裝的燃料電池。按照這個價格,如果購買一輛相當于15萬元價格的桑塔納動力轎車(1.5L發動機約100千瓦)的燃料電池汽車(FCV),生產燃料電池的費用需要50萬元,再加上其他與燃料電池配套的材料部件,燃料電池汽車的成本總共需要200萬以上人民幣。也就是說,氫燃料電池轎車的價格相當于燃油桑塔納價格的十幾倍【1】。目前國際市場上,那些為批量上市而生產的燃料電池汽車,其成本也是普通汽車成本的十幾倍。如果不安裝這些天價的氫燃料電池設備,氫能源汽車根本無法使用。然而,只有當燃料電池發動機的價格降到汽油發動機價格的1-2倍時,燃料電池汽車才會有市場。目前燃料電池壽命的水平是3000h(國內)-5000h(國際),純氫燃料電池的效率為0.40-0.50。如目前日本本田FCX共有25輛,每輛成本約150萬美元(人民幣1000萬元)。據了解,本田所生產的燃料電池汽車也還沒有作為商品出售,而是以樣品車的方式租給國家領導人象征性的使用,每天的租金約7500美元(約人民幣5萬元)。

  燃料電池汽車成本過高與燃料電池的材料技術有關(圖3、圖4),為提高燃料電池發電效率所使用的鉑碳材料催化劑成本很高。尤其是燃料電池中的氫質子膜的成本極高,質子交換膜大多使用杜邦公司的nafiou膜,這些關鍵材料和核心技術材料完全掌握在日本、美國、德國、加拿大、韓國手里。在中國國內的企業完全依賴進口材料拼湊組裝的情況下,發展氫燃料電池汽車百分之八十五的利潤帶動的完全是日本、美國、德國、加拿大、韓國等發達國家的制造業,氫能源對中國制造業的帶動僅占百分之十。

  高等級炭纖維、石墨烯、超高壓輸電設備等無數產品國產化歷史已經證明,凡是中國自己能夠創新制造出來的設備及材料,都可以達到可推廣應用的親民價格。我國國家能源主管部門也已經認識到,目前最迫切需要解決的關鍵技術是創新低成本的氫燃料電池技術。國家能源局局長章建華在2019年12月全國能源工作會議上指出,要加快突破【氫能燃料電池】等關鍵核心技術,著力增強能源發展的內生動力【5】。

  雖然燃料電池汽車頻頻顯現在我們的視角中,但在這么多輛燃料電池汽車中,至今還沒有一輛是作為商品來銷售的,他們一直是扮演著概念車和樣品車的角色,其原因就是燃料電池成本過高,這是國際與國內的燃料電池生產商面臨的共同問題。

 

  3 氫氣的貯存運輸成本高

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