氫能:新能源的”灰犀牛”?

如果儲氫技術不變革,效率提不上去,成本降不下來,氫能就很難真正成爲“灰犀牛”,因爲它太慢了。因此,要找到一個經濟、高效、可行的儲運模式,是氫能當前發展的關鍵。

6月26日,我國首部《中國氫能源及燃料電池産業白皮書》(以下簡稱《白皮書》)正式發布。《白皮書》指出,氫能將成爲中國能源體系的重要組成部分。

《白皮書》預計,到2050年,氫能在中國能源體系中的占比約爲10%,氫氣需求量接近6000萬噸,年經濟産值超過10萬億元;美女扒B阴加氫站達到1萬座以上,交通運輸、工業等領域將實現氫能普及應用,燃料電池車産量達到每年520萬輛。

不僅是中國,全球現在都在對氫能産業加速布局。然而,就在氫能當紅時,當地時間6月10日,位于挪威首都奧斯陸郊外的一座加氫站發生爆炸,並引發連鎖反應,目前,豐田和現代汽車都已宣布停止在挪威銷售氫燃料電池汽車。

對此,有人將氫能稱爲最有可能成爲新能源革命的“灰犀牛”。因爲灰犀牛雖體型笨重、反應遲緩,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。

那麽,面對氫能這頭“灰犀牛”,我們做好准備了嗎?

危險性是可控的

不管從哪個角度看,氫能都很“火”。一方面,氫能作爲零排放能源,被視作21世紀最具發展潛力的清潔能源;另一方面,接連爆炸也讓氫燃料電池汽車的安全性再成焦點。

那麽,氫能來了,安全性會成爲掣肘嗎?

“氫氣是可燃性氣體,當它與空氣混合在4%~74%,可産生燃燒和爆炸;氫的點火能量極低,僅0.02毫焦。但是,氫在空氣中擴散極快,所以在露天環境下,氫比汽油、天然氣更安全。”中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員衣寶廉在接受《中國科學報》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。現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。”

對于大衆最擔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,這種帶組合閥(包括安全泄壓閥)的碳纖維纏繞氣瓶已經過火燒、槍擊實驗,均不産生爆炸現象。在車內發動機室、乘客室、駕駛員室等也均安裝氫氣報警器,確保安全。另外,燃料電池堆的每節電池的氣室內的氫都很少,在幾毫升數量級,一旦電池的隔膜破碎,只要系統能及時切斷氫源,電池也不會爆炸、起火。

“韓國現代的NEXO燃料電池車在2018年順利通過歐盟新車安全評鑒協會碰撞測試,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,與氫打交道一定嚴防氫氣泄漏,即使在露天環境下也是如此。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。

“只要严格按规程操作,氢的储运与加氢站都是安全的。”衣宝廉表示,“建立规范标准并严格执行,氢的危險性是可控的,并且小于汽油和天然气。”

儲運是“卡脖子”環節

實際上,氫能産業鏈主要包括了三個環節——上遊制氫、中遊儲氫和運氫、下遊用氫,而目前整個産業鏈最大的弱點並不是安全性問題,而是中間的儲運環節。作爲氫能大規模發展的基礎,儲氫技術的發展將直接影響氫燃料電池汽車的推進進程。

《白皮書》給出的一組數據對比就十分明顯:我國氫能制儲、加氫基礎設施、燃料電池及應用三個環節企業占比分別爲48.5%、9.7%、41.8%。

實際上,對于加氫站建設來說,早就出現了“外熱內冷”的現象。截至2018年底,我國已建成的加氫站僅有23座。加氫站審批流程複雜、盈利能力有限、回報周期長都成爲其前行的“攔路虎”。

對此,衣寶廉建議,應通過加強加氫站關鍵材料、核心部件及技術國産化,進一步降低加氫站建設成本。另外,發展有機化合物(含烯烴、炔烴鍵的烴類或雜環化合物)吸氫和脫氫技術,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。

而從儲氫技術的角度,中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高指出:“從儲氫瓶開始到加氫站,氫運輸、儲存等所有的技術還都停留在100年前的工藝水平,能效偏低、成本偏高。”

在欧阳明高看来,氢的储运是氢燃料電池汽车现在最大的难点。如果儲氫技術不變革,效率提不上去,成本降不下來,氫能就很難真正成爲“灰犀牛”,因爲它太慢了。因此,要找到一個經濟、高效、可行的儲運模式,是氫能當前發展的關鍵。

技術仍需大變革

歐陽明高強調,燃料電池比動力電池的發展大概晚十年,氫能又比燃料電池的發展晚,所以當前最重要的是氫能技術、産業和政策全方位發展。

實際上,除了儲氫,制氫技術現在用的也是多年前的工藝。目前國內氫能生産方式主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副産氫,其中工業副産氫追溯其上遊一次能源主要還是煤和天然氣。因此,目前國內氫能生産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。

在中國科學院院士、中國石油勘探開發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的副産氫,同時還可以在解決二氧化碳封存或利用的前提下發展劣質煤制氫。

從長遠角度,《白皮書》預計,2050年左右氫氣年均需求約6000萬噸,中國能源結構從傳統化石能源爲主轉向以可再生能源爲主的多元格局,可再生能源電解水制氫將成爲有效供氫主體,煤制氫配合二氧化碳捕獲和封存技術(CCS)、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術成爲有效補充,整體氫能供給充裕,並可實現千萬噸級綠色氫氣出口。

而對于氫能燃料電池技術來說,近年來雖然取得了長足的發展,但關鍵材料、核心部件的批量生産技術尚未形成,催化劑、隔膜、碳紙、空壓機、氫氣循環泵等仍主要依靠進口,這嚴重制約了我國氫能燃料電池産業的自主可控發展。

衣寶廉表示,首先要實現燃料電池關鍵材料和部件的産業化,如電催化劑、質子交換膜、雙極板和MEA、空壓機、氫氣循環泵、70兆巴氫瓶等,降低燃料電池堆和發動機的成本。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,通過燃料電池生産線的建立和技術進步,降低燃料電池車的成本,2025~2030年可以實現燃料電池車的運行成本與锂離子電池車持平。”衣寶廉說。與此同時,氫能燃料電池技術標准體系也亟待完善,建立完整的材料、部件、系統的有效檢測體系,爲氫能燃料電池的技術發展、美女扒B阴應用提供基礎保障。

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