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氢能时代开启了吗

来源:中国科学报 更新:2019-03-13 15:51:22 作者: 浏览:85次

氢能将成为传统能源的核心,产业链已经显现,有助于实现规模化的愿景。预计2050年我们将会迎接氢能时代的到来,到时将形成10万亿元的产业规模。

 

十年前的电动汽车“十城千辆”计划,大大调动了地方政府以及车企的积极性,整个电动汽车行业得到重要的发展推力。

 

从2019年年初开始,关于计划在今年推广“十城千辆”氢燃料汽车的消息不胫而走。虽然目前仍未有官方的确切消息给出,但并不影响各界对于氢能发展的广泛看好,关于氢能产业布局及行业发展的讨论与思考愈发深入。

 

未来之氢

 

开发可持续、无污染的清洁能源是全球各国对于解决能源问题长期以来的共同愿望。氢能作为清洁的二次能源,被广为看好。美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。2016年国家发展和改革委员会、国家能源局等联合发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》,提出了能源技术革命重点创新行动路线图,部署了15项具体任务,“氢能与燃料电池技术创新”位列其中。

 

在去年召开的中国电动汽车百人会年会上,中国工程院院士干勇表示,氢能将成为传统能源的核心,产业链已经显现,有助于实现规模化的愿景。他作出预测:“2050年我们将会迎接氢能时代的到来,到时将形成10万亿元的产业规模。”

 

中国科学院大连化学物理研究所研究员邓德会在接受《中国科学报》采访时将氢能源称为“21世纪最具发展潜力的清洁能源”。他介绍说,近年来氢—氧燃料电池发展快速,并在一些领域初步实现了商业化。我国也明显加大了对氢能和燃料电池研究的投入力度,开始布局氢气的廉价制备、储运,以及燃料电池零部件、加氢站等产业链各个环节,并发展了一批燃料电池,出现了一批拥有核心技术的燃料电池汽车生产企业。

 

此外,北京氢璞创能科技董事长欧阳洵认为,今天的氢燃料电池发展所处的阶段相当于2013年的锂电池,已经迎来风口。

 

氢从何而来

 

化石燃料时代之后的人类能源要从何而来?干勇指出,化石燃料时代向绿色能源时代的转变主要有两种转变方式:一种是化石能源消耗向绿色能源再生转变,另一种则是从高碳燃料向低碳燃料转变。

 

干勇提出,这两种转变方式本质上都是燃料的减碳加氢过程。“古代烧木材能量密度只有每公斤0.13兆焦,现在标准煤、天然气直到氢气,能量密度最高达到了140兆焦,应该说氢能源是非常理想的清洁能源,但属于二次能源。所以关键是要降低成本,而且技术路径要重新设定。”

 

邓德会向《中国科学报》介绍说,目前工业上制氢的方法主要有三种:一是以煤、石油和天然气为原料得到CO,再通过水汽变换制氢;二是甲醇重整制氢;三是电解水制氢。“水汽变换反应是大规模制氢的主要方法。该方法的优点是技术成熟、适用范围广、规模大。缺点是反应条件苛刻,需要180~450摄氏度的高温,1~6兆帕高压、产物成分复杂、分离困难、耗能高。”

 

《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2018)》数据显示,2016年中国氢气产量约为2100万吨,其中煤制氢占比62%,为主要的氢气来源;天然气制氢其次,占比19%。

 

中国工程院院士杜祥琬强调,自然界并不天然存在氢,因此即便氢是高效的能量载体,它也不能与一次能源相提并论。“要利用氢能,首先要制氢。如用电解水的方法制氢,就需要以消耗电力为代价——如果是煤电,意味着还是要烧煤;如果是可再生能源发电,就等于利用了可再生能源。所以即便是使用氢能,也是由‘用什么来制氢’影响着能源结构。这也是多年来人人皆知氢是好的能量载体,但始终没有得到大规模利用的原因。”

 

中科院宁波材料技术与工程研究所研究员陈亮向《中国科学报》解释说,目前工业上主要采用化石燃料重整制氢,化石燃料可以是天然气、石油、煤。采用该种方法制备的氢气所含的能量,因为热损失会低于原始的化石燃料所含的能量。此外,采用这种方法制备氢气并不会降低二氧化碳的排放,因为在重整制氢的过程中排放的二氧化碳与直接燃烧化石燃料所排放的二氧化碳是一样的。

 

氢之未来

 

科学家们尝试从不同路径解决这个问题,邓德会团队提出了制备新概念——室温条件下的电化学水汽变换(EWGS)反应,降低能耗。也有很多科学家尝试研究替代化石燃料重整制氢的方法,包括生物法制氢、电解水制氢、光电化学制氢和光电催化制氢。

 

“其中,电解水制氢技术在工业上已经有一定规模的应用。”陈亮介绍说,电解水制氢的主要目的是将富余电力转化为氢能。

 

“我国有着世界上最大的风力发电、太阳能发电,然而太阳能、风能存在间歇性问题,受昼夜变化、气候因素的限制。电的存储一直是个难题,所发出的用不完的电要么输入到国家电网中、要不进行能源转化,否则只能浪费掉。因为太阳能、风能发出的电不稳定,直接输入到电网中会产生一系列问题,因此需要大力发展富余电力转化技术。与采用化石燃料重整制氢相比,将可再生的太阳能、风能转化为氢能,是完全的零排放。”

 

2018年12月,国家发展改革委与国家能源局联合印发《清洁能源消纳行动计划(2018—2020年)》,文件指出,探索可再生能源富余电力转化为热能、冷能、氢能,实现可再生能源多途径就近高效利用。

 

杜祥琬也指出,中国现在太阳能、风能等清洁能源的发电量还很少,还不够便宜。但部分地区有时候太阳能、风能超过了上网负荷,只好弃掉,非常可惜。“这部分能量如果可以用来电解水制氢,确实不失为一个解决‘上网难’的办法。”

 

除了氢能的生产环节,运输、储存、加氢站、燃料电池等各个环节都有待加强。全国两会期间,关于氢能发展的未来也常被提及,来自车企的代表委员尤为关注,北汽集团董事长徐和谊、长城汽车总裁王凤英、奇瑞汽车董事长尹同跃等都提出了与氢能源基础设施建设及加氢站相关的建议。

 

此外,全国政协委员、国家能源集团总经理凌文还指出,除了民用的氢燃料汽车,未来矿山港口施工重型车、物流车,大规模产生污染的重柴油车,完全可以用氢能车来替代,包括轨道交通、船舶甚至航空器,而这些都是未来创新的方向。

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