關(guān)于氫能源、氫經(jīng)濟(jì)、氫冶金的評(píng)論

2019-09-17

周渝生,儲(chǔ)滿生,王國(guó)棟
東北大學(xué)

　　在全球發(fā)展強(qiáng)勁需求的刺激下，國(guó)際市場(chǎng)石油價(jià)格一直居高不下。據(jù)預(yù)測(cè)，在今后20年，預(yù)計(jì)各國(guó)對(duì)能源需求的增長(zhǎng)將達(dá)到50%以上。尤其是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)正成為一個(gè)嚴(yán)重依賴中東石油海上運(yùn)輸線的大國(guó)。能源對(duì)外過度依賴，將嚴(yán)重制約我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和國(guó)際戰(zhàn)略地位。在這種情況下，以氫作為中間媒介的能源系統(tǒng)——氫能源，引起了國(guó)人的廣泛關(guān)注，同時(shí)，今后全社會(huì)的能源主要由氫氣提供的經(jīng)濟(jì)性，用氫氣煉鐵的氫冶金也逐漸引起人們的關(guān)注。本文根據(jù)作者的知識(shí)和目前了解的信息，拋磚引玉，對(duì)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(duì)氫燃料電池的評(píng)價(jià)很高

　　以理想氣體為工作物質(zhì)的可逆卡諾循環(huán),其熱機(jī)額效率僅取決于熱機(jī)高溫及低溫兩端的溫度.以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ),可以將之推廣為適用于任意可逆循環(huán)的普遍結(jié)論,稱為“卡諾定理”，從理論上研究熱機(jī)效率，可以找出提高效率的方向。從“卡諾定理”的熱機(jī)效率計(jì)算公式，可以簡(jiǎn)化為熱機(jī)效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1=(T1-T2)/T1。即熱機(jī)內(nèi)高溫?zé)嵩礈囟扰c低溫?zé)嵩礈囟戎钆c高溫?zé)嵩礈囟戎戎翟酱螅瑹嵝试礁?反之亦然。(圖1)

　　以氫作為燃料的一個(gè)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(jī)8%，汽油內(nèi)燃機(jī)25%，火力發(fā)電33%，柴油內(nèi)燃機(jī)40%或液體燃料火箭48%的熱效率，氫氣在電池進(jìn)出口氣體溫差為0℃-200℃的氫燃料電池中，可以完全轉(zhuǎn)換為電流和水，因此可達(dá)到50%以上的高的能源轉(zhuǎn)換效率。燃料電池FC是一種將儲(chǔ)存在燃料(氫)和氧化劑(氧)中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置(圖2)，其過程不涉及燃燒，無機(jī)械損耗，理論上能量轉(zhuǎn)化率可高達(dá)80%，產(chǎn)物僅為電、熱和水蒸氣;而且FC運(yùn)行平穩(wěn)，無振動(dòng)和噪音，所以被認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色能源?！?】

圖2

　　如果將氫燃料電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在不需以熱為媒介的情況下，可將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功，效率或可高達(dá) 70%-90%。這個(gè)吸引人的能量轉(zhuǎn)換新方法將可能可以取代許多傳統(tǒng)的熱機(jī)。此高效率之優(yōu)點(diǎn)正是發(fā)展氫燃料電池的一個(gè)強(qiáng)大推動(dòng)力。

　　盡管燃料電池的效率較高，在運(yùn)輸熱機(jī)中燃燒氫也能夠提高熱效率。噴射引擎和內(nèi)燃機(jī)僅需做簡(jiǎn)單的修改，便可用氫取代原先的碳?xì)淙剂稀?nèi)燃機(jī)以氫為燃料運(yùn)轉(zhuǎn)的效率可比汽油內(nèi)燃機(jī)高出達(dá)20%，而且不會(huì)產(chǎn)生含碳排放物。

　　不少人堅(jiān)信，在不久的將來，受燃料電池裝置造價(jià)大幅度降低和CO2埋藏或利用技術(shù)獲得重大突破兩大驅(qū)動(dòng)力的推動(dòng)，氫能源將有望被大規(guī)模推廣，氫能經(jīng)濟(jì)將成為現(xiàn)實(shí)。然而，氫能源到底離我們有多遠(yuǎn)?我們還面臨哪些挑戰(zhàn)呢?

　　2 未掌握核心技術(shù)，氫能源的應(yīng)用成本很高

　　目前氫能源的核心質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，材料和技術(shù)全部掌握在西方國(guó)家手中，如果我國(guó)現(xiàn)在推廣氫能源，中國(guó)必須花80%的外匯從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口燃料電池及電堆的構(gòu)件組裝，國(guó)內(nèi)企業(yè)僅僅獲得組裝人工費(fèi)和配套外殼制造的微薄利潤(rùn)，只能為幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家打工。而這些燃料電池、電堆的價(jià)格非常昂貴。組裝出來大多數(shù)老百姓也用不起。

　　據(jù)北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責(zé)任公司、總經(jīng)理總工程師王利生介紹，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本為每千瓦35美元，而目前燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本約為每千瓦3300美元。在我國(guó)，飛馳綠能公司以1-2萬人民幣/千瓦的價(jià)格(2900美元)出售他們組裝的燃料電池。按照這個(gè)價(jià)格，如果購買一輛相當(dāng)于15萬元價(jià)格的桑塔納動(dòng)力轎車(1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)約100千瓦)的燃料電池汽車(FCV)，生產(chǎn)燃料電池的費(fèi)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(jià)格相當(dāng)于燃油桑塔納價(jià)格的十幾倍【1】。目前國(guó)際市場(chǎng)上，那些為批量上市而生產(chǎn)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(jià)的氫燃料電池設(shè)備，氫能源汽車根本無法使用。然而，只有當(dāng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格降到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格的1-2倍時(shí)，燃料電池汽車才會(huì)有市場(chǎng)。目前燃料電池壽命的水平是3000h(國(guó)內(nèi))-5000h(國(guó)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(jù)了解，本田所生產(chǎn)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(guó)家領(lǐng)導(dǎo)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(shù)有關(guān)(圖3、圖4)，為提高燃料電池發(fā)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(zhì)子膜的成本極高，質(zhì)子交換膜大多使用杜邦公司的nafiou膜，這些關(guān)鍵材料和核心技術(shù)材料完全掌握在日本、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、韓國(guó)手里。在中國(guó)國(guó)內(nèi)的企業(yè)完全依賴進(jìn)口材料拼湊組裝的情況下，發(fā)展氫燃料電池汽車百分之八十五的利潤(rùn)帶動(dòng)的完全是日本、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的制造業(yè)，氫能源對(duì)中國(guó)制造業(yè)的帶動(dòng)僅占百分之十。

　　高等級(jí)炭纖維、石墨烯、超高壓輸電設(shè)備等無數(shù)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化歷史已經(jīng)證明，凡是中國(guó)自己能夠創(chuàng)新制造出來的設(shè)備及材料，都可以達(dá)到可推廣應(yīng)用的親民價(jià)格。我國(guó)國(guó)家能源主管部門也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，目前最迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是創(chuàng)新低成本的氫燃料電池技術(shù)。國(guó)家能源局局長(zhǎng)章建華在2019年12月全國(guó)能源工作會(huì)議上指出，要加快突破【氫能燃料電池】等關(guān)鍵核心技術(shù)，著力增強(qiáng)能源發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力【5】。

　　雖然燃料電池汽車頻頻顯現(xiàn)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(guó)際與國(guó)內(nèi)的燃料電池生產(chǎn)商面臨的共同問題。