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本文2019年11月11日刊發(fā)于《中國科學(xué)報(bào)》第7版能源化工，作者楊裕生系中國工程院院士楊裕生。

 

今年以來，隨著國家及地方對(duì)氫能源支持力度的加大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景備受期待，“氫能是終極能源”的聲音也在多個(gè)場(chǎng)合聽到。不過，在筆者看來，氫能的獲取，有限度、有難度，并不是那么“輕巧”�？蒲腥藛T應(yīng)該在這方面多做些實(shí)事求是的分析，而不要炒作和鼓噪，以免誤導(dǎo)公眾。

 

1/ 原料氫氣是不少，但不是規(guī)模能源

 

首先，自然界沒有單質(zhì)氫氣可以開采，必須從含氫物質(zhì)中提取。提取氫氣的目的原本是用作化工原料，而用作能源的歷史則很短。我國有些氫能工作者將化工原料氫氣的產(chǎn)能也算進(jìn)能源氫氣的產(chǎn)能，難免有自壯聲勢(shì)之嫌，也容易引起人們的錯(cuò)覺。

 

例如，有人說：“中國煤化工行業(yè)有近千臺(tái)氣化爐在運(yùn)行，合成氣總量超過3000萬方/小時(shí)，廣泛分布于中國各地區(qū)，可以為各地的氫燃料電池新能源汽車的規(guī)�；�示范運(yùn)行提供有力支持。”這就是典型的誤導(dǎo)。且不說合成氣中高含量一氧化碳的分離是否經(jīng)濟(jì)可行，氫燃料電池新能源汽車規(guī)�；�用氫后，煤化工生產(chǎn)還要不要正常運(yùn)行？！

 

原料氫氣和能源氫氣，雖然都是氫氣，但是原料氫氣只有在不影響其原來生產(chǎn)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。更何況，現(xiàn)在工業(yè)產(chǎn)氫消耗的基本是化石能源，排放嚴(yán)重，不是“清潔的氫能”。如果燃料電池用這種氫氣，豈不壞了自己清潔能源的美名？

 

2/ 氫能利用要講究轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)效益

 

氫能不是一次能源，它像電能一樣屬于二次能源，要由一次能源轉(zhuǎn)化而來。這一轉(zhuǎn)化過程是需要消耗能量的，而且同時(shí)必然有一部分能量要變?yōu)?ldquo;廢能”，所以必須講究能量轉(zhuǎn)換效率。能量轉(zhuǎn)換是要花錢的，所以還必須講究經(jīng)濟(jì)效率。

 

從電網(wǎng)上取電通過電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率較高，約達(dá)85%。將氫在燃料電池中發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率約50%，電-氫-電的能量轉(zhuǎn)換總效率稍大于40%。于是有人就說氫能燃料電池電動(dòng)車的能量轉(zhuǎn)換效率“很高”。殊不知，他們有意無意地不談如下的一系列“折扣”：燃料電池自身消耗的電能、氫氣從電解池的低壓狀態(tài)壓縮到輸送的高壓狀態(tài)消耗的能量、輸送高壓氫氣到加氫站所消耗的能量、加氫站給車上儲(chǔ)氫罐充氫所消耗的能量等等。如此七折八扣，電解水制氫所耗的一度電送到車上電動(dòng)機(jī)，粗略算來只剩不到0.3度。

 

如果從電網(wǎng)上取電一度，經(jīng)充電器的AC-DC變換和車上電池的充電—放電，兩環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率都在95%左右，送到電動(dòng)車上電動(dòng)機(jī)的電能將近0.9度。近三倍的能量轉(zhuǎn)換效率差別一目了然，意味著節(jié)能減排效果相差懸殊。能量轉(zhuǎn)換效率既然不高，經(jīng)濟(jì)效率也不會(huì)樂觀。可見，從發(fā)展電動(dòng)車節(jié)能減排的初心考慮，“由電網(wǎng)上取電-電解水制氫-氫能燃料電池”的路線是不可取的。

 

高溫氣冷堆也被說成可用以制氫。其實(shí)，用高昂的進(jìn)口氦氣作為工質(zhì)的高溫氣冷堆發(fā)電，經(jīng)濟(jì)性本來就在推敲之中，現(xiàn)在卻要將千度的高溫?zé)崮苋〕鰜矸纸馑�制氫而不用去發(fā)電，要么是沒事找事，要么就是為建高溫氣冷堆拼湊理由。

 

3/ 我國輸氫遠(yuǎn)不及輸電合理

 

有些人提出，可用“三北”地區(qū)的“棄風(fēng)”“棄光”的電來電解水制氫，而且還舉出德國用風(fēng)能發(fā)電、電解水制氫的例子，證明這條路線可行。

 

但是，第一，我國“三北”地區(qū)的棄風(fēng)、棄光電解出的氫，在“三北”地區(qū)是消耗不了的，必須遠(yuǎn)距離輸送到燃料電池電動(dòng)車盛行的地區(qū)，耗能自不在話下，而高壓純氫對(duì)管道鋼的氫脆更是一個(gè)難關(guān)。第二，我們還要看到，我國“三北”地區(qū)的“棄風(fēng)”“棄光”是不正常、短期的現(xiàn)象，一旦造成這種現(xiàn)象的人為和技術(shù)原因消除了，也就無“棄風(fēng)”“棄光”可用了，因?yàn)檩旊娤啾扔谳敋洌瑹o論是設(shè)備的建設(shè)還是運(yùn)行，都要合理得多。第三，德國為了減少對(duì)進(jìn)口天然氣的依賴，用可再生能源發(fā)電、電解水制氫，將氫氣摻入天然氣中作燃料，濃度不超過10%，不存在高壓純氫對(duì)管道鋼的氫脆問題。而且，德國國土東西寬不過500公里、南北長700余公里，天然氣管道密布，沒有我國“三北”地區(qū)與燃料電池可能盛行地區(qū)間的長距離輸送問題。在德國合理可行，不等于在我國亦然。

 

4/ 利用副產(chǎn)氫難度不小

 

還有人提出，我們可將副產(chǎn)氫用于燃料電池。對(duì)此，原則上我完全贊成，但賬到底怎么算要商榷，因?yàn)椴皇撬�有副產(chǎn)氫都可用于燃料電池。今年7月1日起開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，規(guī)定了質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的雜質(zhì)含量要求，其中最重要的是一氧化碳體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.2×10-6。

 

以焦?fàn)t煉焦行業(yè)為例，要將焦?fàn)t煤氣中的幾項(xiàng)重要雜質(zhì)降到GB/T37244-2018的指標(biāo)，尤其是5%～8%的一氧化碳降低到千萬分之二，不僅要解決一系列技術(shù)難題，還要消耗大量的能量。

 

最現(xiàn)實(shí)的是氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫。據(jù)說，2017年全國放空的氯堿工業(yè)的副產(chǎn)氫為25萬噸。此氣不含一氧化碳，改放空為利用，適合于燃料電池。此外，丙烷脫氫、乙烷裂解等工業(yè)也有數(shù)量相當(dāng)?shù)母碑a(chǎn)氫。如果輸送距離不遠(yuǎn)，在燃料電池電動(dòng)車的演示階段，這些副產(chǎn)氫綽綽有余。遺憾的是，這些副產(chǎn)氫的數(shù)量，遠(yuǎn)不足以擔(dān)當(dāng)未來“終極能源”的重任。

 

5/ “氫能是終極能源”命題不成立

 

“氫能是終極能源”是美國前總統(tǒng)布什當(dāng)政時(shí)首先提出的。在筆者看來，能源發(fā)展是沒有終極的。難道有了氫能之后能源就不發(fā)展了嗎？未來人們的節(jié)能減排意識(shí)將進(jìn)一步加強(qiáng)，更加綠色的能源、更高效的能量轉(zhuǎn)換方法，將是人類不斷的追求。

 

“氫能是終極能源”，還可理解為人類將來用的能源全部是氫能。這顯然是脫離實(shí)際的。即使說汽車完全用氫能，按我國未來50%的人均汽車保有量計(jì)算，7億輛車、年用氫10億噸，既沒有這個(gè)可能，更沒有這個(gè)必要。畢竟對(duì)于大多數(shù)電動(dòng)車而言，直接用電網(wǎng)的電會(huì)更方便、更合算，何況還有其它能源可用，還有燃料電池自身的弱點(diǎn)引起的競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)問題。

 

應(yīng)該相信，隨著氫氣提純技術(shù)的進(jìn)步，其能耗和成本會(huì)不斷下降，可用的副產(chǎn)氫數(shù)量會(huì)有所增加，“天花板”會(huì)有所升高。但是，也應(yīng)該相信，“天花板”肯定是有的，“氫能是終極能源”的命題是不成立的。

 

真正清潔而又經(jīng)濟(jì)可用的氫能并不豐富，與幾億輛汽車所需的能源相比，它只是個(gè)零頭而已。現(xiàn)在有些人已不認(rèn)可“氫能是終極能源”了，但他們?cè)O(shè)想，未來燃料電池電動(dòng)車會(huì)占汽車的20%~30%。而按我上述的分析，樂觀一些的估計(jì)氫能燃料電池電動(dòng)車在未來汽車中的占比不會(huì)超過5%。

 

當(dāng)然，氫能即使是個(gè)零頭，也該用好。為此，科研人員應(yīng)該多做些實(shí)事求是的分析，而不要炒作和鼓噪，以免誤導(dǎo)公眾和官員。