氢能商业应用的关键问题研究.docx

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氢能商业应用的关键问题研究

氢能商业应用的关键问题研究

“氢经济”能够终结人类的能源难题吗？

目前严峻形势下，容不得犯任何重大的政策错误来浪费原本就很珍贵的资源。

在聚变过程可以生产廉价的氢气前，在可靠的长效纳米管燃料电池面世前，在轻量级防泄漏碳纤维聚合物衬层存储罐和输送管道可以低成本地生产前，“氢经济”还是海市蜃楼。

那些高调吹捧“氢经济”论的政客、专家们应该保持头脑的清醒。

过去的十年里，氢能系统（HES）作为不可再生能源（烃能源）耗竭问题的解决之道，在科学、经济和政治领域获得了普遍的重视。

在一些科普文献中，氢能经常与烃能源进行对比。

但是，对众多相关文献进行的分析结果表明，对氢能系统应用的普及性还存在不小的误解——氢能系统的推广还存在很多障碍，氢能经济的实现也不能一蹴而就。

氢的确是一种理想的燃料，在纯氧中燃烧或通过燃料电池发电只生成水，而不排放其他污染物。

氢并非一次能源，其本质是一种传递和分配能量的工具。

氢在运输、处理和使用过程中，不论是在本地电解水制氢、然后输氢到终端用户，还是输电至终端用户，都需考虑能量（氢或电）长距离输送的成本和损失问题。

一、全方位解读氢能经济性

推广氢能发动机或燃料电池需要建立一个氢燃料管道输送网络，还需要有专供氢燃料或其他能源专用运输卡车组成的运输系统，用于从工厂将氢燃料输送到燃料站，这都是耗能过程。

在投入数十亿美元进行氢能项目之前，我们还必须要总体考虑生产周期，从初级能源到氢生产再到最终消费者的整个环节。

效率对比：

为了1美元，先支出10美元

在美国，90%的氢来自于天然气，生产效率为72%，这就意味着为了生产氢气，消耗了天然气中28%的能量。

这还不包括开采天然气并输送到氢生产装置所耗费的能量。

从天然气中生产氢气时，会释放出氮氧化物，因此还需要进行脱硝处理，大大提高了天然气制氢的成本，而且我们也没有足够的天然气来实现氢经济。

所以天然气制氢，不经济也不环保。

通过电解方式从水中产生的氢气只占4%，生产效率为20%。

从水中产生的氢气必须要求纯度极高，电解水生产氢气的成本要比从天然气中生产氢气高出3~6倍。

从水中生产氢气是一种耗能的方法,相当于先支出10美元，然后再获得1美元的回报。

从化石燃料中获得氢能作为原料或能源是荒谬的，因为获得氢能的目的是为了避免使用化石燃料。

如果考虑制氢对用电成本，当前风力涡轮机的发电效率为30%~40%，生产氢的总效率为25%。

现有的最佳的工业级太阳能电池在有太阳光照射的情况下发电效率为10%，生产氢的总效率为7%。

而利用海藻来生产作为副产品的氢气，效率大约为1%。

 存储：

“又冷又重”的氢？

常态下氢气的体积比汽油高出300倍时所产生的能量相同。

为了充分存储氢气，需要加压、液化或通过化学方式转化。

氢气加压是一个多阶段过程，将耗能15%。

氢可以存储在多孔物质中，比如，存储在金属（铂、钛和特殊合金）覆盖的二氧化硅中。

这种“海绵”体可以吸收大量的氢气，以所谓的氢化物化学形式存在，加热时释放能量。

氢存储罐在足够低的温度下才能够保证安全。

如果加上隔离装置，储罐的重量将大大增加。

按照美国国家公路交通安全管理局的说法，减轻汽车重量是提高燃料经济性最有效的方式。

汽车重量每下降10%，其燃料经济性大约提高8%。

据密歇根州特洛伊市能量转换设备公司高级材料研发副总裁物理学家RosaYoung介绍，一个装有5千克氢气的金属氢化物存储系统，包括合金、容器和热交换器在内，重量可达300千克，因此也降低了氢能车辆的经济性。

安全性：

泄漏的风险和“TNT炸药”

燃料电池价格昂贵。

2003年，燃料电池的价格为100万美元以上。

目前，随着新型催化剂技术的发展，成本下降很快，但是要获得氢气燃料电池的真实成本却非常困难。

燃料电池的可靠性非常低，需要使用纯度很高的氢以及成本低廉的催化剂。

如果氢气纯度不高，廉价的催化剂很快就会被消耗掉，从而损失了能量。

燃料电池的使用寿命不超过1000小时，一次性行驶距离不超过100英里，因此无法与电动混合动力汽车（比如丰田普锐斯Prius）相比，后者比预期的燃料电池能效更高，二氧化碳排放水平更低。

氢也容易让金属变脆弱，也存在产生泄漏的风险。

氢气会造成管道裂缝或开裂，导致潜在的灾难性事故，所以对材料进行耐氢腐蚀处理会增加氢的输送成本和储氢罐的重量。

氢的燃点非常低，比汽油的燃点低20倍。

所以一旦泄漏，很容易就被手机、几英里之外的雷电或车座上的静电点燃。

与空气混合后，会形成极容易爆炸的爆炸气体。

因此，即使在不行驶的情况下发生泄漏，一辆车的储氢罐发生爆炸也会造成数平方公里范围内的破坏。

目前，还没有消除氢泄漏和避免爆炸或起火的方法，千万不能低估这种风险，如果落入邪恶之手就会很容易变成一个威力巨大的炸弹，能量相当于数百千克的TNT炸药。

运输成本：

40吨罐车运送400千克氢？

储氢罐车（每辆价值25万美元）可以装载供60辆轿车使用的燃料。

这些罐车重达40吨，但是只能运送400千克氢。

当运输距离为250千米时，能耗达到20%；如果运输距离为500千米，能耗达到40%。

而同样大小的汽油罐车如果运送汽油燃料足以供800辆轿车使用。

另外一种运输方案是通过管道运输。

但却无法利用原有的天然气管道来输送氢气，一方面输送氢气的管道需要特殊防腐材料，另一方面其管道直径也不适合实现氢气的最大量输送，而再建造同样的输氢管道，耗资将达到200万亿美元。

氢气输送管道的主要运营成本是压缩机功率和维护成本。

输送距离达到1000千米后，输送能耗将达8%。

二、氢能的利用方式

燃料电池是一种电化学装置，具有非常高的能源转化效率。

燃料电池的运行是通过加入用于维持电化学反应的燃料和氧化剂来得到支持，从而实现动力源的及时更新。

根据燃料电池的类型不同，也可以采用氢气、天然气（甲烷）和液态烃燃料（如甲基醇）作为燃料。

因此燃料电池非常环保，它的基本反应产物是水，可以大大减少废物产生量。

燃料电池车的应用

长期来看，汽车的氢能动力装置（一个压缩氢气瓶+燃料电池+电动机）在价格和运行性能方面具有优势，它还能够降低温室气体排放。

必须要注意的是，燃料电池可以采用其他燃料，如甲醇。

如果忽略运输费用和氢气零售价格（这些费用数额巨大），可以认为氢能汽车行驶的费用将达到最低——每英里2.5美分（每千米1.55美分），当前经济型汽油汽车的行驶费用为每英里10美分（每千米6.21美分）。

因此促使几乎所有的大型汽车制造企业都竞相进行氢能汽车试制和试用。

 2005年，投入使用的新型燃料电池氢能车辆约为100辆（轿车、公共汽车、摩托车等）。

2007年，全世界保有的燃料电池车辆达到620~650辆。

燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，质子交换膜电池（简称PEM燃料电池）功率密度已大大提高。

开发商们将汽车氢能燃料电池的成本从2002年的275美元/千米降低到2005年的110美元/千米。

美国能源部计划到2020年将该成本降低到30美元/千米。

2006年3月，德国公司HyWays公布了氢能汽车在欧洲市场的渗透率预测。

2007年初，全球总共有140多座氢能汽车加油站。

2004年~2005年期间建设的所有加油站中只有8%采用液态氢，其他的加油站都采用氢气。

2008年，柏林开始了14辆氢能公交车的试运行。

并联合国际著名汽车制造商和能源公司与德国柏林市公共交通公司（BVG）合作实施“清洁能源合作伙伴”项目（CEP），在德国柏林测试氢能轿车、公交车和加油站的运行。

氢能源基础设施的缺乏是氢能汽车普及的一个主要障碍。

利用现代化技术建造一个大范围的氢能自动加油基础设施成本非常高（如果要覆盖美国10%的汽车，成本大约为50亿美元），而且在技术、经济和安全方面还尚未得到解决。

事实上，大范围的使用压缩氢气情况下，氢气逃逸造成的爆炸风险非常高。

安全的氢气存储方法不仅成本高昂，有些方法在技术上也不可行。

然而，这一领域的研究工作正在全面深入进行，理论上可以实现车载安全氢气存储方式。

航空、铁路和水运领域的氢能燃料电池

波音公司预计燃料电池会逐渐取代飞机中的辅助动力装置。

它们可以在飞机着陆后产生电能，成为飞行过程中不间断的电源。

2008年后，燃料电池将逐渐应用到波音7E7新一代飞机中。

日本铁路交通研究院计划在2010年将氢能燃料电池列车投入运营。

这种列车时速120千米/小时，一次性运行300~400千米无需中途加油。

列车的原型已经在2005年进行了测试。

机车重量为109吨并且氢能燃料电池容量为1兆瓦的列车于2003年在美国开始研发。

德国建造了采用两个功率为120千瓦燃料电池（均为德国西门子公司制造）的U-209级潜水艇。

在水下，潜艇以氢能为动力源，而且几乎不产生噪音。

美国2006年开始为潜水艇装配SOFC燃料电池。

FuelCellEnergy公司开发了用于军用船舶的容量为625千瓦的燃料电池。

采用三菱重工制造的PEM燃料电池的日本潜水艇Urashima号于2003年投入试运行。

固定发电站

2005年，全球有3800座固定电站采用了燃料电池。

其中美国占到45%的份额，日本占到30%，西欧的份额为25%。

其他地区的份额很少。

其中88%的电站采用的是PEM燃料电池，基本上用于居民生活和小企业供电，虽然发电量不大，但可供家庭每天24小时生产温水和热水。

由于不需要建设能源输送基础设施，而且也足够安全，所以小型发电站逐渐成为燃料电池应用的最有效的领域之一。

但是与汽车氢能发动机以及便携式消费电子产品的燃料电池相比，这种小型固定电站并不为大多数人所知，但数量呈增长趋势。

2006年底，全世界超过800个固定电站使用了氢能燃料电池，总发电能力约为100兆瓦。

大型固定电站（超过10kW发电能力）的主流燃料电池技术为熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和磷酸燃料电池（PAFC）技术。

三、氢能经济仍然是海市蜃楼

目前，所有发达国家都在积极进行氢能的研究，但是行业相关的成果并不多，商业前景尚不明确。

目前，工业低温氢能燃料电池的效率不超过40%~50%，考虑氢生产的能量损失，还不足以说明其能源使用效率与传统内燃机或柴油发动机相比所具有的核心优势。

那么使用燃料电池还有何意义？

美国自2004年以来一直都在实施氢燃料发展计划，2008年，在近1000亿美元的和平（非军用）项目的投入中，氢能源发展项目的投入达到了12亿美元。

这些投入足以激发科学界对氢能的兴趣，但是对于重大的技术革新来说显然还不够。

中国也正在积极地将氢能燃料电池和采用燃料电池的电站和动力装置引入到国家电力系统中。

中国拥有世界注册燃料电池领域中约25%的专利，这一事实表明中国在氢能领域的竞争力，其中一个项目与汽车行业的氢能燃料电池应用有关。

在过去的5年时间里，政府已经投入了3200万美元用于实施氢能公交车发展项目。

自2008年以来，中国制造的燃料电池机动车已经投入试运行。

离开了包括氢的储存、运输和加注等环节在内的氢基础设施，燃料电池技术的推广和氢能经济的实现都只能是空中楼阁。

如何解决氢的独特物理性能给氢基础设施建设带来的一系列技术问题，如何根据燃料电池技术的发展阶段来确定适当的氢基础设施规模，以至最终以氢基础设施代替现有的整个能源输配系统而实现氢能经济，这些都需要资金和人力的巨大投入。

将燃料投入氢经济发展势必会减少用于其他方面的能源使用，比如食物的种植、收割、运输和烹调、家庭取暖以及其他基本的生产生活活动。

当聚变过程可以生产廉价的氢气时，当可靠的长效纳米管燃料电池面世时，当轻量级防泄漏碳纤维聚合物衬层存储罐和输送管道可以低成本地生产时，我们再考虑建造氢能经济的基础设施。

在此之前，氢能经济仍然是海市蜃楼。

 按照该领域的专家以及美国能源部的文件所述，“氢能源”只是一个研究计划。

一些发达国家仅仅建立了几十个试用的氢燃料加油站并不能表明这种能源的大规模开发和应用。

当然，由于需求时期巨大的短期能源利益和其他特殊的因素，在航空等领域，尤其是军事、航天、造船等领域，氢能已经找到了用武之地。

这些技术上的决策很可能会进一步采用。

当然前提是其他类型的蓄电池研发方面实现技术上的突破。

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