中國儲能網(wǎng)訊：近日，本報對龐青年及其水制氫能源汽車刊發(fā)了深度報道。報道刊發(fā)后，引起廣泛關(guān)注。國家能源集團金融中心主任助理袁銳撰寫了相關(guān)文章，從理論來源、模型、市場應(yīng)用等方面闡述了他對這一技術(shù)應(yīng)用于造車的觀點，本報予以刊發(fā)，供讀者參考。
文/袁銳
據(jù)說“迷思”一詞起源于希臘語單詞◇θO（mythos），是英語單詞Myth的音譯，又意譯為神話、幻想、故事、虛構(gòu)的人或事。“南陽水氫發(fā)動機”也許是一種迷思，但如何更好利用氫能源為人類服務(wù)，卻是一段不斷解謎的過程。
如果說指令是計劃經(jīng)濟的信號燈，成本就是市場經(jīng)濟的指揮棒，制氫的成本一直是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的障礙。2009年諾貝爾獎獲得者，前美國能源部長朱棣文，如今雖然是氫能源的支持者，但上任伊始并不看好氫燃料電池。比如他在《麻省理工科技評論》的采訪中就針對燃料電池的發(fā)展提出了懷疑，甚至打趣認為主（lord）需要三個奇跡（miracles），而燃料電池需要四個奇跡（miracles）才能夠產(chǎn)業(yè)化：更好（便宜）的制備、運輸分配、存儲氫氣的技術(shù)，以及氫燃料電池成本和穩(wěn)定性，這是典型的美國政府的預(yù)算績效評價方法論。朱棣文所謂氫燃料電池這四大技術(shù)（奇跡），實際上就是氫燃料電池進入導(dǎo)入階段和商業(yè)階段的四個主要技術(shù)瓶頸，這些技術(shù)全部可以歸因于技術(shù)成本。
一是氫燃料電池的技術(shù)和成本：包括交通領(lǐng)域常用的質(zhì)子交換膜電池（PEM-FC）的電極催化劑合金技術(shù)和成本、燃料電池電堆（MEA）工藝和成本、儲氫罐技術(shù)以及燃料電池生命周期結(jié)束后回收等方面的成本等；
二是氫氣制備這一重要的工業(yè)化技術(shù)環(huán)節(jié)的成本：包括化石能源制氫、電解水制氫、集中和分布式制氫的成本控制，以及尚在實驗室階段的生物制氫、光電制氫等等非主流路線的成本。
三是氫氣運輸和儲存技術(shù)和成本，儲氫和輸氫的本質(zhì)都是最大限度克服能源的時間、空間束縛。儲氫、輸氫的障礙在于如何將儲運耗費的成本降低到足以覆蓋其耗費的人力、資本等機會成本。因為氫氣特殊的化學(xué)性質(zhì)，氫氣本身的制備、生產(chǎn)、運輸、儲存將使現(xiàn)有能源基礎(chǔ)設(shè)施面臨“史詩般”的改造。
“南陽水氫汽車”的聳人聽聞之處在于，它同時解決了氫能源商業(yè)化四個瓶頸中的三個，如果真的如此，氫能源的商業(yè)化將直接從導(dǎo)入期跨越到成熟期。但是事出反常，必有妖，需要從能源本身的規(guī)律著手厘清“南陽神車”背后的氫能源存儲、運輸現(xiàn)狀與存在的問題。
鋁制氫的特征不適宜商業(yè)化儲氫
經(jīng)過十多年的發(fā)展，氫氣的制備已不再是行業(yè)的難題，所以利用金屬鋁制氫，目的在于解決高效存儲和運輸氫氣的難題。這并不是特別的創(chuàng)建，比如美國軍事研究院（the Army Research Laboratory）開發(fā)了一種鋁合金粉末，通過與水反應(yīng)，可以為單兵和戰(zhàn)斗小分隊提供氫氣和熱量，進而為攜帶的燃料電池供能和提供烹飪所需的熱量?！澳详査畾浒l(fā)動機”利用鋁水反應(yīng)制氫，“水＋鋁粉”的制氫過程和裝置（添加了成分依然保密的催化劑），所得氫氣作為燃料，輸入電堆（MEA）產(chǎn)生電流，驅(qū)動電機做功，除了水氫裝置取代了儲氫罐，“水氫發(fā)動機”與普通氫燃料電池車沒什么兩樣。在“南陽水氫”事件中，水作為制氫的介質(zhì)，卻被當(dāng)做一種能源進行重點宣傳，是有極大誤導(dǎo)性的。以鋁制氫，其實是一個化學(xué)能轉(zhuǎn)換釋放的過程，也就是金屬鋁氧化的過程，最終得到的除了氫氣還有大量的氧化鋁和熱能。
水氫汽車引起能源業(yè)界關(guān)注，在于其代表著解決儲、運氫氣難題的一種思路：通過車載更安全、易得的原料水、鋁粉而獲得儲存氫氣的便利。不過我們并不需要“水氫發(fā)動機”的下線來試錯，僅從能源科學(xué)和經(jīng)濟學(xué)角度即可證偽。
從水的化學(xué)屬性上看，根本不可以稱其為能源，在熱穩(wěn)定性上，水是自然界中最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，堪比難于處置的溫室氣體——二氧化碳。但水又是氫氧化合物，理論上有足夠的能量作用，跨過氫氧間勢壘并打開氫氧化學(xué)鍵，可以令水分解成氫和氧。氫循環(huán)與碳循環(huán)一般，可以為生物體直接提供能量；地球孕育生命的初期，星球表面和大氣中存在有較多的氫氣，但氫氣密度最小的這一事實，使大量的氫氣逃離了地球引力的束縛漫溢到外太空里。剩下的氫氣則在高壓環(huán)境下自燃生成水，所以即使成分復(fù)雜的常壓空氣中也幾乎不存在單一的氫氣成分（常溫常壓空氣中低于兩百萬分之一），可資利用的氫能源主要以氫氧化合物的形式（如H2O）、碳氫化合物的形式（如甲烷）或有機體內(nèi)的糖、脂肪和醇類等形式存在于自然資源中，需要依賴其他能源提煉、制備純氫，所以純氫與電一樣都屬于二次能源產(chǎn)品。
從現(xiàn)有鋁制氫適用性看，鋁制氫更適宜特殊情況下的一次性儲氫，比如軍事用途儲氫。直接將鋁作為燃料，“加鋁上路”則是另一個故事。能源作為一種商品，開發(fā)、應(yīng)用、排放的處置成本永遠是其大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)，從經(jīng)濟上制約著任何一種能源產(chǎn)品的能源主體地位，決定了某些能源經(jīng)濟意義的枯竭和豐饒?！澳详査畾浒l(fā)動機”之所以抓人眼球，即在于它能一定程度上降低儲存、運輸氫氣的成本。
但是制氫所增加的成本卻使整個燃料系統(tǒng)的能源循環(huán)算不過賬。能源的成本是市場充分條件下，技術(shù)和資源稀缺程度的集中體現(xiàn)，是一種時點上的均衡?！澳详査畾浒l(fā)動機”的使用成本主要集中于鋁金屬成本和氧化鋁等催化劑成本，網(wǎng)上有粗略以鋁價為基礎(chǔ)計算的制氫成本，相對于電解制氫、煤氣化制氫等主流路線成本要高幾個數(shù)量級。實踐上為了得到純氫，同時提高反應(yīng)的速度和穩(wěn)定性，必須使用高純鋁粉和氧化鋁催化劑，達到四個九即99.99%的純度，這一純度的特種鋁制品價格遠遠高于普通鋁價。
鋁的成本曲線，來自于鋁土礦的稀缺性和電解鋁的高能耗，在可見的將來，作為工業(yè)原材料鋁的價格也很難成量級地遞減。氫氣制備這一重要的工業(yè)化技術(shù)環(huán)節(jié)：包括化石能源制氫、電解水制氫等集中和分布式制氫的成本控制，以及尚在實驗室階段的核電站廢熱制氫、生物制氫、光電制氫等等非主流路線，這些制氫技術(shù)在絕大多數(shù)條件下都比“南陽水氫發(fā)動機”鋁粉制氫成本便宜很多。
氫氣存儲運輸?shù)某杀沮厔?/strong>
儲氫和輸氫的本質(zhì)都是最大限度克服能源的時間、空間束縛。儲氫、輸氫的障礙在于如何將儲運耗費的成本降低到足以覆蓋其耗費人力、資本等的機會成本。氫氣存儲是氫氣運輸?shù)那疤岷图夹g(shù)基礎(chǔ)，氫氣運輸為氫氣儲藏提出更多樣的技術(shù)要求。
儲氫技術(shù)與成本
氫氣的相圖極其復(fù)雜，尤其是低溫相圖，一直是基礎(chǔ)理論研究的重點。氫氣只有低于臨界溫度，33k，（-240.2℃），才可能通過加壓變成液態(tài)。在這個臨界點上都可能是氣態(tài)或非液、非氣的超臨界態(tài)。
當(dāng)前氫氣的來源廣泛，所以存儲的技術(shù)方案眾多，主要分作物理和化學(xué)存儲。物理存儲技術(shù)（儲氫罐技術(shù)）相對成熟，而化學(xué)儲氫（包括鋁制氫）技術(shù)雖然氫質(zhì)量含量高，則多在研發(fā)（R&D）階段，實際大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還是缺乏的。超低溫液態(tài)儲氫罐方式，主要難點是效率：維持超低溫耗費的能量至少占氫氣能量的1/3強，這樣不僅浪費巨大，從成本角度也不經(jīng)濟。一般的車載儲氫系統(tǒng)以高壓儲氫為主，依照氫氣本身的化學(xué)特性，將發(fā)展的重點集中于高壓儲氫技術(shù)與材料上。大規(guī)模集中制氫需要大規(guī)模儲氫，當(dāng)前廉價的方法則是基于地下儲氫方法，如鹽洞。
當(dāng)前氫能存儲發(fā)展和應(yīng)用的中心問題是燃料電動車車載氫氣儲能。成本控制問題則集中于高壓儲罐成本，近年來鋁內(nèi)膽外纏碳纖維樹脂成本下降較快，一旦中國上下游企業(yè)進入上述領(lǐng)域，成本下降的速度將成為一個工程學(xué)問題。700bar常溫的存儲密度（體積密度）是低溫液體氫氣的60%左右，700個大氣壓常溫儲氫密度是42g/l，1大氣壓的-253度液氫儲存是70g/l，所以高壓常溫儲氫相對成本和耗能其儲存的實際效果是可以接受的。如果未來常溫化學(xué)高密度儲氫技術(shù)發(fā)展，燃料電池電動車的里程可以到一次充氣10Kg，續(xù)航可達到1000公里以上。
氫運輸?shù)募夹g(shù)與成本
由于物質(zhì)本身的比能（specific energy）無法被改變，所以任何燃料在物質(zhì)三態(tài)間轉(zhuǎn)換的目的，都是為了增加其能量密度。通過公路運輸氫氣方式，是常見的中短途運輸方式，大多基于成熟常溫/低溫壓縮氣體和液體氫氣，公路運輸?shù)耐緩接虚L管拖車（Tube Trailer）（常溫200-250bar），集裝箱式拖車（Container Trailer）（常溫，500bar）和液態(tài)拖車（LiquidTrailer）（1-4bar，超低溫），大規(guī)模運輸同樣可以通過水路運輸和鐵路運輸。當(dāng)前成熟輸氫技術(shù)中，管道輸氫技術(shù)是最便宜的，由于需要減少氫脆對鋼管的影響，大部分輸氫管都是碳纖維復(fù)合材料，因此前期投入高。由于氫脆有腐蝕性，氫氣不能單獨直接用天然氣管道輸送，必須和天然氣混合。當(dāng)前可以混合的最高比例是20%，比如英國在約克郡等地嘗試混輸氫氣，直接進入最終家庭民用終端。荷蘭利用其現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，改造為運輸氫能，實現(xiàn)“氫能替代天然氣”的能源戰(zhàn)略。國家電網(wǎng)公司（ChinaGrid）2018年也開始試點利用棄風(fēng)、光、水電解氫，之后混輸進入天然氣管道。
看得見的手也要遵循能源經(jīng)濟的規(guī)律
對于政府來說，全面還原能源的商品屬性，就是支持氫能源這樣處于襁褓中的新能源。近些年電網(wǎng)、天然氣主干網(wǎng)絡(luò)改革依然滯后，碳稅征收強度較低，各級公共機構(gòu)對于環(huán)境污染的外部性沒有很好規(guī)制等問題突出，導(dǎo)致我國的能源價格扭曲，能源行業(yè)綠色創(chuàng)新動力不足，制約了氫能產(chǎn)業(yè)的培育和發(fā)展。比如作為新能源的氫能源技術(shù)標準，檢測體系都已不適宜商業(yè)化的具體實踐，氫能源產(chǎn)業(yè)鏈重要一環(huán)的加氫站的審批就要涉及消防、土地證、環(huán)評、人防等，前置條件非常多，很復(fù)雜。
隨著經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革進入深水區(qū)，更多有利于理順能源商品屬性的行業(yè)機制將落到實處。無論是電網(wǎng)電力市場改革，還是天然氣主干網(wǎng)社會化，抑或新能源消納有關(guān)政策，其頂層設(shè)計都集中在價格要真實反映一、二次能源資源的稀缺性、來源的穩(wěn)定性和生產(chǎn)排放以及回收的外部性。
政府和社會都要看到，氫能源全產(chǎn)業(yè)鏈對于我國能源革命以及后續(xù)零排放能源社會的意義非凡。和量子計算機一樣，燃料電池的概念提出，也超一個世紀的歷史了。氫燃料電池全世界公認的翹楚——加拿大的巴拉德公司（Bal-lard）從建立到現(xiàn)在已經(jīng)40多年，這是加拿大政府在國家層面上長期扶持才有的局面，從19世紀70年代阿波羅登月計劃第一次將氫燃料電池用在航天行業(yè)，再到小布什（George W.Bush）總統(tǒng)將氫能作為美國能源獨立戰(zhàn)略的一項內(nèi)容，這個時間跨度，我們的國家在制度、資金和風(fēng)險上是否能接受，在中美交鋒的背景下尤其應(yīng)反思。我們的體制如何更好創(chuàng)造底層技術(shù)漸次提升的商業(yè)環(huán)境，因為從來爬科技樹，往產(chǎn)業(yè)鏈高度提升都不能靠小道超車，而是要靠我們自己的科學(xué)家和工程師以商業(yè)化為前提的大膽嘗試，在失敗中前進。
作者系國家能源集團金融中心主任助理
