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给“氢能经济”和“氢燃料电池汽车”泼点干净的凉水

已有 2222 次阅读 2019-5-25 23:12 |系统分类:观点评述

氢能经济氢燃料电池汽车泼点干净的凉水

 

蹭个热点。

据报道,青年水氢燃料车喝水就能跑上千公里(http://news.sina.com.cn/o/2019-05-24/doc-ihvhiews4216674.shtmlhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1634376713153977004&wfr=spider&for=pc)。

汽车,喝水能跑吗?我的回答是,如果汽车已装备了一个化学反应器,里面也放好了合适的燃料(见下文),加水就可以产生氢气。使用氢燃料电池把氢气变成电,就可以开电动汽车了;如果有一种烧氢气的内燃机,也可以开动汽车。但如果没有前面这一大堆条件,汽车肯定跑不动(从上向下往水底沉算不?不算!!)。

近年来,国家对新能源技术的应用给予了非常有力度的支持。这一方面大力促进了新能源技术的发展,另一方面也使一些善于投机取巧的人铤而走险,使用各种花式的骗补手段,挖国家的墙角,损公肥私,大捞一笔。因此,相关行政领导人员必须熟悉相应的科学知识。常收到来自各方的咨询,询问有关氢能源的各种技术,因此觉得有必要厘清一些事实,为氢能经济的健康发展,为国家有限的资金发挥更大的作用做点贡献。

氢气的制造技术:技术可行性和经济可行性

技术上讲,加水就能产生氢气的化学反应还真不少。中学生就知道,金属钠扔到水里就能产生氢气。这个水可以是任何含有水(化学式为H2O)的物质,它甚至可以不是液体。因此,干净的或肮脏的、淡水、咸水或海水当然都不成问题(请对照青年汽车有关人士的解释)。不过,一个负责任的技术开发者必须对其技术产生的所有后果负责。为了使产氢后形成的副产物必须可以被利用,负责任的技术开发者就应该坚持使用干净的水(即使是口头上),因为这可以保证副产物能很好地资源化,否则就会污染环境。

金属钠性质太活泼,制造成本也高,估计没人愿意使用它,不过金属铝就好多了,储存、使用都不成问题。它在碱水里常温下可以很平稳地产生氢气:

2 Al+ 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2

根据化学原理很容易算出来,消耗9公斤的纯铝可以得到1公斤氢气。如果汽车具有丰田Mirai目前的性能,1公斤氢气可以跑100 公里(https://ssl.toyota.com/mirai/assets/modules/carpageallfeatures/docs/MY19_Mirai_Lifestyle.pdf),则90 公斤铝(还需要180 公斤水),就可能跑1000 公里了(我的已开了7年的车在高速上以120公里时速运行时,耗油不到7/100公里。因此,1000公里需油70升,也就是大概50公斤。看起来,用金属生产氢的技术不咋样啊!!)

金属氢化物与水在常温常压下反应也可以产生氢气。例如MgH2

MgH2 + 2 H2O = Mg(OH)2 + 2 H2

因此,产生10公斤氢气需要65公斤MgH290公斤水。

有机物也可以与水反应产生氢气。例如,甲烷与水的反应:

CH4 + H2O = CO + 3 H2

有机物还可以直接热分解产生氢气。例如,环己烷脱氢生产苯的反应:

C6H12 = C6H6 + 3 H2

不过,与上面的金属与水的反应相比,它们需要在数百度的高温下进行。后一个反应尤其有吸引力,因为它含氢量大(7.7%),生成的苯还可以再加氢生成环己烷,工艺成熟。这样仍按丰田Mirai的性能计算,跑1000公里需要的环己烷为130公斤。它仍然不如汽油车。

电解水可以很方便而且大量地产生氢气。目前,生产1公斤氢气需要45~ 55度电。不过,氢气是难以压缩的,必须使用耐压容器。丰田Mirai使用120升耐压70 MPa以上的容器,才能装5公斤氢气(按该公司宣称的储氢量5.7%计算,储罐总重约80公斤)。这是人们探索前面的几种原位产生氢气技术(即在汽车上产氢)的主要原因。

氢气制造技术指标对比(按1公斤氢气计算)

技术名称

化学反应

原材料及其价格

反应条件及能耗

原材料
 
储氢量

C + H2O   + 1/2 O2

= CO2   + H2

煤:6 x 0.6 = 3.6

水:9 x 0.01 = 0.1

高温,耗能可以由煤燃烧供给

6.7%

天然气

CH4 +   H2O + 1/2 O2

= CO2   + 3 H2

天然气:2.7 x 3.7 = 9.9

水:3 x 0.01= 0.03

高温,耗能可以由天然气燃烧供给

17.6%

环己烷

C6H12   = C6H6 + 3 H2

环己烷:14 x 8 = 112

苯:-13 x 6 = -78

高温,需要热源

7.1%

2 Al + 6 H2O

= 2 Al(OH)3   + 3 H2

铝:9 x14 = 126

水:18 x 0.01 = 0.18

常温下即可反应

3.7%

Mg +   2 H2O

= Mg(OH)2   + H2

镁:12 x 16.7 = 200.4

水:18 x 0.01 = 0.18

常温下即可反应

3.3%

Si + (2+x) H2O

= SiO2×xH2O + 2 H2

硅:7 x 11.8 = 82.6

水:9 x 0.01 = 0.09

常温下即可反应

8.7%

(x=0)

氢化镁

MgH2  + 2 H2O

= Mg(OH)2   + 2 H2

氢化镁:6.5公斤

水:9公斤

常温下即可反应

6.4%

四氢硼钠

NaBH4   + 4 H2O

= NaB(OH)4   + 4 H2

四氢硼钠:4.75公斤

水:9公斤

常温下即可反应

7.3%

电解水

2 H2O   = O2 + 2 H2

水:9 x 0.01 = 0.09

电费:20 ~ 50

电耗:50

11.1%

1给出了可能的氢气生产技术的原材料价格、反应条件、储氢量等的理论数据。从表中可以看出,煤制氢成本最低,每公斤氢气需要不到4元;天然气次之,需要约10元;电解水再次,要20 ~ 50元(峰谷电价)。但是,前两种技术都不适合原位制氢,因为产能太小时能耗增大,而且有碳排放,与发展新能源车的初衷不符。环己烷制氢因为需要容器保存产物苯,也不适合原位制氢。

金属制氢在常温下进行,过程安全性好,可以应用于原位制氢。但是,因为金属价格高,经济性差,基本上没有竞争力。相对而言,硅制氢技术成本较低,只有83元;其储氢量也比较高,达到8.7%(比丰田Mirai储氢罐的储氢量5.7%高)。如果使用废旧电子产品产生的废硅粉,成本会大大下降。这也可以作为废旧电子产品资源化的一个方向。因此,如果处于风口浪尖的水氢发动机汽车使用的是废硅粉制氢技术,倒也有一定的可行性;但它应该不会成为未来的主流技术,除非硅的制造成本大大下降。

毫无疑问,如果使用氢燃料电池汽车,必须首先解决氢气的生产和储存问题。使用煤制氢、天然气制氢、电解水制氢,以及工业副产氢作为氢气的来源,必须解决氢气储存和运输的问题。这方面,高压容器是必需的;而且因为氢气难以压缩,容器的轻量化是必需的。目前,可能是做得最好的丰田Mirai70 MPa(最高87.5 MPa)储氢罐储氢量只有5.7%,使我们觉得还得花力气发现更好的技术。

原位制氢,如果使用硅粉,特别是废硅粉与碱水反应,具有一定的可行性。因为其储氢量高,达到8.7%,而且反应条件温和。但是这个技术大面积推广,必定受限于硅粉的价格。只有硅粉的价格低于20元,才有可能得到应用。

二次电池驱动,氢燃料电池驱动,还是(氢)内燃机驱动?

目前,推动汽车前进的技术可以是电动的,也可以是普通内燃机驱动的。在两种方式都可以正常使用时,决定哪种方式更容易销售的肯定是其购置成本和使用成本。

氢燃料电池汽车的成本来源于燃料电池和氢气两方面。目前,燃料电池因为使用贵金属,必须通过减少贵金属(也是稀有金属)的用量或者使用便宜的电催化剂来降低成本。氢气的成本,如果使用煤制氢技术,就必须解决氢气的长距离输运和高压气瓶的轻量化问题;如果使用原位制氢技术,则需要解决原材料(如硅粉)的生产成本问题。这两项任务可以说都是任重道远。

目前,已经可以工业化生产的氢气生产成本在8~ 50/公斤之间。最便宜的是煤制氢,最贵的是电解水制氢。金属制氢技术,最便宜的硅制氢,成本要达到80元以上(但使用废硅粉时,成本可以大大下降)

电解水制氢,因为可以大规模地进行,而且因为可用于消纳弃风弃光电力而被看好。但是从能耗的角度上看,电解水制氢,然后通过燃料电池发电,远远不如二次电池。因为它的总能量转换效率低于50%(因为电解水输入电压1.7 ~ 2 V,电池输出电压只有0.7 ~ 0.9 V左右),而二次电池的能量转换效率在90%左右。

因此,如果仅仅从使用成本考虑,只有氢气的价格低于50/公斤时,才可能与汽油车相比(汽油车油耗按7/百公里,每升汽油7元计算)。但是,如果考虑汽车购置成本,什么时候燃料电池电动车才能像汽油车一样便宜呢?我们只能翘首以待。

氢燃料电池还有一个强有力的竞争者,就是二次电池电动汽车。目前,二次电池汽车受制于电池价格。因为若按100公里耗电14度,500公里续航里程,需要的电池储电量70度。按目前电池销售价,铅酸电池至少需要4.2万,锂电需要12万以上;未来锂电成本降到铅酸电池目前的价格,电动汽车就会因为使用成本低而能与汽油车竞争。对于理性的消费者,他们还会要求降低电池使用量来减少购置成本,使二次电池电动车的竞争力进一步提高。

按目前两个标杆车,使用锂离子电池的特斯拉和使用氢燃料电池的丰田Mirai,它们售价差不多,但特斯拉耗电只有14 ~ 20度电/百公里。如果电费为1/度,则使用成本只有14 ~ 20/百公里;如果使用0.5/度的谷电,则使用成本还要减半。很显然,氢燃料电池除非使用煤制氢,才有可能与之竞争,但是储运成本的增加会大大限制其使用的地域范围;如果使用电解水制氢,氢燃料车只能在快速满血复活方面还可以说说,但是如果二次电池使用可以与之比拟的换电技术呢?因此,氢燃料车的经济性不如二次电池车。

另外一个很少有人指出的,就是氢燃料电池并不是零排放的,只能说是零碳排放的。它有排放,虽然很干净,就是水。所排放水在炎热潮湿的夏秋季,会增湿;在炎寒的冬季,可能会导致路面结冰。毫无疑问,二次电池驱动才是真正零排放的技术。因此,除非它的造价比二次电池车低,而且氢气的价格也能降到目前煤制氢技术的价格,甚至更低,氢燃料电池驱动的汽车难以与二次电池驱动的电动汽车竞争。

氢内燃机车呢?估计也不行。因为我们知道受热机效率的影响,内燃机的作功能力肯定不如电池。

因此,我们可以说,氢燃料电池技术在经济性上不能与二次电池技术竞争。除了它不排放二氧化碳外,与汽油内燃机技术也难以竞争。

氢能经济的出路

那么,氢能经济是不是没有意义了?作者认为,也不是。

为什么?因为电网的普及,电解水装置可以随时随地大功率消纳电能,特别是弃风弃光电能,因此一个体积不太大的装置可以随时消耗不限量的电能,产生不限量的氢气(仅受限于氢气管道和储存罐的容量);因为氢气的高度流动性,固体的煤可以转变成氢气而通过管线方便地输送到需要能量的地方。相对而言,二次电池虽然也可以大规模的储存电能,但它储存的电能受限于其容量。

除了在燃料电池中发电,氢气可以被掺入天然气,直接燃烧而获取热能。氢气当然也可以作为化工原料直接使用。

氢能经济必须着眼于未来。那个时候,电力直接来自于太阳能,极其便宜,对成本的贡献几乎被忽略。




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