中國儲能網(wǎng)訊：近日，本報(bào)對龐青年及其水制氫能源汽車刊發(fā)了深度報(bào)道。報(bào)道刊發(fā)后，引起廣泛關(guān)注。國家能源集團(tuán)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(diǎn)，本報(bào)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?！澳详査畾浒l(fā)動機(jī)”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(jì)劃經(jīng)濟(jì)的信號燈，成本就是市場經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(yùn)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(shí)際上就是氫燃料電池進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)耗費(fèi)的成本降低到足以覆蓋其耗費(fèi)的人力、資本等機(jī)會成本。因?yàn)闅錃馓厥獾幕瘜W(xué)性質(zhì)，氫氣本身的制備、生產(chǎn)、運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(duì)提供氫氣和熱量，進(jìn)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(jī)”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(jī)做功，除了水氫裝置取代了儲氫罐，“水氫發(fā)動機(jī)”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(jìn)行重點(diǎn)宣傳，是有極大誤導(dǎo)性的。以鋁制氫，其實(shí)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(yùn)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(jī)”的下線來試錯，僅從能源科學(xué)和經(jīng)濟(jì)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(shí)，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?xì)浠衔锏男问剑ㄈ缂淄椋┗蛴袡C(jī)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(yuǎn)是其大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)，從經(jīng)濟(jì)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(jì)意義的枯竭和豐饒。“南陽水氫發(fā)動機(jī)”之所以抓人眼球，即在于它能一定程度上降低儲存、運(yùn)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(diǎn)上的均衡?！澳详査畾浒l(fā)動機(jī)”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(jì)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(shí)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(dá)到四個九即99.99%的純度，這一純度的特種鋁制品價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(jī)”鋁粉制氫成本便宜很多。
氫氣存儲運(yùn)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(yùn)耗費(fèi)的成本降低到足以覆蓋其耗費(fèi)人力、資本等的機(jī)會成本。氫氣存儲是氫氣運(yùn)輸?shù)那疤岷图夹g(shù)基礎(chǔ)，氫氣運(yùn)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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)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(diǎn)是效率：維持超低溫耗費(fèi)的能量至少占?xì)錃饽芰康?/3強(qiáng)，這樣不僅浪費(fèi)巨大，從成本角度也不經(jīng)濟(jì)。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(diǎn)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(jìn)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(shí)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(dá)到1000公里以上。
氫運(yùn)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(yùn)輸氫氣方式，是常見的中短途運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸同樣可以通過水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)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(dú)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(jìn)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(yùn)輸氫能，實(shí)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(diǎn)利用棄風(fēng)、光、水電解氫，之后混輸進(jìn)入天然氣管道。
看得見的手也要遵循能源經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度較低，各級公共機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，檢測體系都已不適宜商業(yè)化的具體實(shí)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(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革進(jìn)入深水區(qū)，更多有利于理順能源商品屬性的行業(yè)機(jī)制將落到實(shí)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(jì)都集中在價格要真實(shí)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(jì)算機(jī)一樣，燃料電池的概念提出，也超一個世紀(jì)的歷史了。氫燃料電池全世界公認(rèn)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(jì)70年代阿波羅登月計(jì)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(dú)立戰(zhàn)略的一項(xiàng)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?yàn)閺膩砼揽萍紭?，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(jìn)。
作者系國家能源集團(tuán)金融中心主任助理
