关于氢能源、氢经济、氢冶金的评论

2019-09-17 13:43:35 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

关于氢能源、氢经济、氢冶金的评论
 周渝生,储满生,王国栋
东北大学

  在全球发展强劲需求的刺激下,国际市场石油价格一直居高不下。据预测,在今后20年,预计各国对能源需求的增长将达到50%以上。尤其是我国经济的高速发展,我国正成为一个严重依赖中东石油海上运输线的大国。能源对外过度依赖,将严重制约我国的经济发展规划和国际战略地位。在这种情况下,以氢作为中间媒介的能源系统——氢能源,引起了国人的广泛关注,同时,今后全社会的能源主要由氢气提供的经济性,用氢气炼铁的氢冶金也逐渐引起人们的关注。本文根据作者的知识和目前了解的信息,抛砖引玉,对氢能源、氢冶金提出一些粗浅的看法供大家讨论。

  1 为什么人们对氢燃料电池的评价很高

  以理想气体为工作物质的可逆卡诺循环,其热机额效率仅取决于热机高温及低温两端的温度.以热力学第二定律为基础,可以将之推广为适用于任意可逆循环的普遍结论,称为“卡诺定理”,从理论上研究热机效率,可以找出提高效率的方向。从“卡诺定理”的热机效率计算公式,可以简化为热机效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1=(T1-T2)/T1。即热机内高温热源温度与低温热源温度之差与高温热源温度之比值越大,热效率越高;反之亦然。(图1)

  以氢作为燃料的一个最主要吸引力,即是它与燃料电池(FC)的天生相容性。相较于目前蒸汽机8%,汽油內燃机25%,火力发电33%,柴油內燃机40%或液体燃料火箭48%的热效率,氢气在电池进出口气体温差为0℃-200℃的氢燃料电池中,可以完全转换为电流和水,因此可达到50%以上的高的能源转换效率。燃料电池FC是一种将储存在燃料(氢)和氧化剂(氧)中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置(图2),其过程不涉及燃烧,无机械损耗,理论上能量转化率可高达80%,产物仅为电、热和水蒸气;而且FC运行平稳,无振动和噪音,所以被认为是21世纪的绿色能源。【1】

 
 图2

  如果将氢燃料电池驱动电机,在不需以热为媒介的情況下,可將氢的化学能转换成机械功,效率或可高达 70%-90%。這个吸引人的能量转换新方法將可能可以取代许多传統的热机。此高效率之优點正是发展氢燃料电池的一个強大推动力。

  尽管燃料电池的效率较高,在运输热机中燃烧氢也能够提高热效率。喷射引擎和內燃机僅需做簡单的修改,便可用氢取代原先的碳氢燃料。內燃机以氢为燃料运转的效率可比汽油內燃机高出达20%,而且不会产生含碳排放物。

  不少人坚信,在不久的将来,受燃料电池装置造价大幅度降低和CO2埋藏或利用技术获得重大突破两大驱动力的推动,氢能源将有望被大规模推广,氢能经济将成为现实。然而,氢能源到底离我们有多远?我们还面临哪些挑战呢?

  2 未掌握核心技术,氢能源的应用成本很高

  目前氢能源的核心质子交换膜燃料电池(PEMFC),材料和技术全部掌握在西方国家手中,如果我国现在推广氢能源,中国必须花80%的外汇从发达国家进口燃料电池及电堆的构件组装,国内企业仅仅获得组装人工费和配套外壳制造的微薄利润,只能为几个发达国家打工。而这些燃料电池、电堆的价格非常昂贵。组装出来大多数老百姓也用不起。

  据北京飞驰绿能电源技术有限责任公司、总经理总工程师王利生介绍,汽油发动机的生产成本为每千瓦35美元,而目前燃料电池发动机的生产成本约为每千瓦3300美元。在我国,飞驰绿能公司以1-2万人民币/千瓦的价格(2900美元)出售他们组装的燃料电池。按照这个价格,如果购买一辆相当于15万元价格的桑塔纳动力轿车(1.5L发动机约100千瓦)的燃料电池汽车(FCV),生产燃料电池的费用需要50万元,再加上其他与燃料电池配套的材料部件,燃料电池汽车的成本总共需要200万以上人民币。也就是说,氢燃料电池轿车的价格相当于燃油桑塔纳价格的十几倍【1】。目前国际市场上,那些为批量上市而生产的燃料电池汽车,其成本也是普通汽车成本的十几倍。如果不安装这些天价的氢燃料电池设备,氢能源汽车根本无法使用。然而,只有当燃料电池发动机的价格降到汽油发动机价格的1-2倍时,燃料电池汽车才会有市场。目前燃料电池寿命的水平是3000h(国内)-5000h(国际),纯氢燃料电池的效率为0.40-0.50。如目前日本本田FCX共有25辆,每辆成本约150万美元(人民币1000万元)。据了解,本田所生产的燃料电池汽车也还没有作为商品出售,而是以样品车的方式租给国家领导人象征性的使用,每天的租金约7500美元(约人民币5万元)。

  燃料电池汽车成本过高与燃料电池的材料技术有关(图3、图4),为提高燃料电池发电效率所使用的铂碳材料催化剂成本很高。尤其是燃料电池中的氢质子膜的成本极高,质子交换膜大多使用杜邦公司的nafiou膜,这些关键材料和核心技术材料完全掌握在日本、美国、德国、加拿大、韩国手里。在中国国内的企业完全依赖进口材料拼凑组装的情况下,发展氢燃料电池汽车百分之八十五的利润带动的完全是日本、美国、德国、加拿大、韩国等发达国家的制造业,氢能源对中国制造业的带动仅占百分之十。

  高等级炭纤维、石墨烯、超高压输电设备等无数产品国产化历史已经证明,凡是中国自己能够创新制造出来的设备及材料,都可以达到可推广应用的亲民价格。我国国家能源主管部门也已经认识到,目前最迫切需要解决的关键技术是创新低成本的氢燃料电池技术。国家能源局局长章建华在2019年12月全国能源工作会议上指出,要加快突破【氢能燃料电池】等关键核心技术,着力增强能源发展的内生动力【5】。

  虽然燃料电池汽车频频显现在我们的视角中,但在这么多辆燃料电池汽车中,至今还没有一辆是作为商品来销售的,他们一直是扮演着概念车和样品车的角色,其原因就是燃料电池成本过高,这是国际与国内的燃料电池生产商面临的共同问题。

 

  3 氢气的贮存运输成本高

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