韩晓平

中国能源网首席信息官

中国能源网

全国各地对于发展氢能的热忱空前高涨,各地政府不惜重金组织氢能会议会展,打造氢能产业园区,媒体给氢能赋予耀眼的光辉,氢谷、氢岛、氢都、氢园、氢媒、氢经济遍地开花。上海、江苏、天津20多个省市出台扶持氢燃料电池政策,1辆氢燃料电池汽车竟然可以拿到百万元的补贴。一些专家们把氢能说成最理想、最清洁、最高效、取之不尽用之不竭的能源,称其为传统能源的终结者。这种亢奋反映了一个问题,我们的干部、专家、企业、媒体人有待于正确认识氢能,并提高必要的科学素养。

当今的宇宙中75%的物质是遥不可及的氢。我们所知的所有元素追根溯源都是从氢演而变来,在宇宙大爆炸之后不到十秒,宇宙在30亿度的高温下首先形成了氢元素,随着温度的继续下降,此后所有的元素都在氢的聚变中逐步形成。宇宙中的氢物质虽然无穷无尽,但对于人类似乎遥不可及。电影《流浪地球》就是描述在奔向新家园的地球行将被木星吞灭,人类通过引燃木星大气层中的氢和地球大气层中的氧的接触混合的部分,产生爆炸将地球推离了木星。

宇宙中虽然充满了氢,可我们所在的地球上独立存在的纯氢却少之甚少。因为氢的活跃性,它不仅随时可以和地球上丰富的氧进行化学反应,也可以和各种物质形成化合物质。我们今天能够获得并使用的氢,都与电力、蒸汽、汽油、柴油一样,是需要进行加工转化的“二次能源”,有的甚至需要用二次能源的电再次加工。

作为能量,要送达需求终端的载体只有三种物质,碳、氢和电子。而碳和氢的利用都需要氧的参与,尽管地球上存在大量的碳,宇宙中存在大量的氢,但如果没有氧,这些碳和氢以及碳氢化合物,也无法成为我们可以利用的能源。氧虽然不能直接燃烧,但在能源利用中似乎与碳氢同样重要。发射航天器的火箭最理想的动力是氢氧发动机,火箭需要同时携带大量液氢和液氧,将其气化混燃形成巨大推力。

电能是终端能源最主要的利用方式。利用碳和氢以及碳氢化合物,除了直接转化动力,主要的部分要转换为电能才能适应今天人类文明的需求。我们的手机、电视、电脑、空调、电梯只能依靠电能,却不能依靠氢能。即便是可控的氢同位素的核聚变,以及直接利用太阳核聚变的能量,也是要转化为电能才可能被利用。

氢能无法替代电能的能源枢纽地位。氢能与电力都是二次能源,优劣只能相互对标。说氢能“最理想、最清洁、最高效”显然存在问题,就常识而言,氢能再理想,再清洁,再高效,也无法超越电能。氢直接燃烧利用,受内燃机技术的局限,效率不可能太高。氢氧燃烧转化动能的高温会将空气中的一部分氮和氧变为有害的氮氧化物。使用燃料电池技术虽可避免燃烧,也是要把氢能转化为电能才能再加以利用,所以氢能在终端无法直接利用,必须转化为电能,若说氢比电更理想、更清洁、更高效是没有意义的,也是自欺欺人。

氢的生产和转换需要消耗大量能源。无论是电解氢,还是通过化工技术转换氢,甚至靠生物技术转换氢,都需要大量消耗二次能源与一次能源。1立方米氢气的热值是3044大卡,按热力学第二定律将环境温度的水电解为氢,每立方米氢气需要的能量不可能低于3044大卡,也就是说不会少于3.54度电。这还是一个效率达到100%的理论极限值,如果用少于3.54度电的能量生产出一方氢气,就等于成功造出了“永动机”,实现了电视剧《特赦1959》里战犯黄维将军的梦想。实际的效率大约在54%,大约需要6.5度电。韩国科学家宣称他们可以将电解氢的效率提升4倍,但需要将电解水的温度提升到700-1000 °C,这同样需要消耗大量能源。我们现在使用超超临界发电机组,主蒸汽的温度只有600 °C,发电效率是45%;700 °C高效超超临界机组,发电效率将可能超过50%,但是锅炉、主蒸汽管道和汽轮机大部分材料都需要更新,投资增加极大,经济性将很难具有竞争力。

储氢也是高能耗、高成本。电解氢之后,我们储存氢有三个途径,金属储氢、压缩储氢和液化储氢。金属储氢利用金属与氢的氢化化学反应,将氢原子吸附到金属合金物质中,一个单位体积的储氢金属材料可以吸收自身体积1300倍的氢气。但是,制造这些储氢材料需要大量昂贵的稀土或稀有金属,需要使用99.99%的纯氢,使用寿命存在很大的不确定性;压缩储氢需要将氢压缩到70-98MPa甚至更高,不仅储氢容器制造工艺成本要求极高,还存在泄漏、爆炸的安全隐患,压缩这些氢气消耗大量能量。甚至有专家认为与其将这些能量压缩氢气,不如直接压缩空气直接作为汽车的动力。法国2013年推出的压缩空气汽车只需要一罐150升300 MPa压力的普通空气就可以行使超过100公里,印度塔塔也推出了相应的产品;将氢液化需要-253℃的超低温度,液化1公斤氢气大约需要10度电,而再气化同样需要大量的能量,而超低温对材料的要求更加严格。

氢燃料电池系统效率并不高。燃料电池氢转化为电的效率通常在45-60%之间,而天然气发电的效率已经达到65%。60%是较为理想化的转换效率,由于燃料电池的散热、启动、停机以及制氢、压缩储氢还需要不少电能,实际运行的效率要更低一些。认为氢能燃料电池理想、清洁、高效的基础是建筑在大量廉价的可再生能源电力的基础之上。所有支持发展氢能的专家都认为发展可再生能源一定会存在大量弃风、弃水、弃光矛盾,他们笃定这一矛盾无法解决,将这些丢弃的可再生能源电力通过氢能转换加以利用最为理想。但是,这些年随着电网技术的进步和管理水平的提升,改革也在逐步打破利益壁垒,丢弃可再生能源电力的现象逐年下降。而发展智能电网技术的目的之一,就是要彻底解决这一矛盾。

发展电动汽车是智能电网解决可再生能源充分利用的关键途径。可再生能源都存在不稳定和不确定性,与电力的需求存在不匹配的矛盾,要解决这一矛盾就需要电网具有储能能力。氢燃料电池系统是要将多余的电能转化为氢,把氢压缩储存,在需要时再转化回电能。而电动汽车的蓄能电池不需进行能源相变转化,直接将电能储存,直接在需求时放电利用。通过制氢、储氢和氢燃料电池转换电能,是把一个简单的问题复杂化了。蓄能电池与燃料电池相比,不仅在用电高峰及时反补电网,而且可以在用电低谷吸储多余电量,可以实现电动汽车与电网柔性互动。2030年,中国预计将有2000万辆电动汽车,如果每辆车可以与电网互动10千瓦时,就等于让电网拥有2亿千瓦的削峰填谷能力,将是2020年预期抽水蓄能电站容量的5倍。

日本为什么热衷向中国展示氢燃料电池汽车技术?这一轮对中国对氢能的热忱源自2018年5月国务院领导访日,在安培首相的陪同下,中国政府领导人参观了位于北海道的苫小牧市的丰田汽车工厂。一向对中国技术严格封锁的日本突然一反常态,将他们最先进的氢燃料电池汽车技术展示给中国,并表示愿意提供相关的技术,以支持中国发展氢能技术。日本这一反常态的举动,一方面让中国看到日本技术先进性,另一方面也让人心升狐疑。

小布什“能源独立”的氢能战略何以不了了之。美国通用汽车公司早在1974年就首次提出,以氢为能源构建未来氢经济社会。刚进入21世纪,由于中国的经济崛起并带动全球经济的持续繁荣,使全球石油需求开始一路飙升,小布什总统利用“911”事件和出兵伊拉克成功将美军部署海湾地区,同时利用阿富汗战争威慑了世界能源的接力地区中亚地区。但代价非常巨大,且难以长久支撑。此时,美国重新提起“能源独立”梦想。很多美国能源专家、能源部的官员们和企业都认为下一个时代将是“氢能”的时代,提出在美国建立一个全新的氢能系统,平行并最终替代现有的油气系统。发展氢动力汽车,发展制氢产业,修建氢管网,建设加氢站。小布什政府出台多项计划推动氢能技术和发展氢经济,但由于构建这一全新的系统投资极为巨大,且技术非常不成熟不确定,最后只能不了了之。奥巴马总统上任之初也曾关注这一技术,但后来的各种节能技术进步和页岩革命改变了美国石油的对外依赖趋势,氢经济时代的构想向放飞的氢气球不知所终了。

任何一种先进能源技术没有基础设施的依托将难成气候。日本对于美国的市场依赖极大,美国如果发展氢经济,日本的氢技术若不能更胜一筹就会失去美国市场,这是日本政府和企业非常担心的问题。从小布什总统时期开始,日本就开始储备技术,培育人才,研发产品。此后,日本曾汇聚举国的能源专家和科学家研判未来技术趋势,大家基于当时的技术、材料和安全性等判断,得出结论是纯电动汽车的技术局限性,最终将无法与氢燃料电池竞争。这一结论让丰田这样的大企业将宝都压在了氢燃料电池技术上。在政府有力的领导下,企业持续高额投入,日本的氢燃料电池技术突飞猛进,技术独占鳌头。但未想美国对氢釜底抽薪,到了特朗普就更加不重视,不仅无视气候变化,而且政府直接支持煤炭、油气这些传统能源行业。如果美国不再发展氢经济,不再建设氢能系统,单靠日本市场,技术再先进也难成气候,没有基础设施依托再先进的技术都是海市蜃楼。当然,这个地球上能够构筑一个覆盖全社会的氢能基础设施,包括:制氢、输氢、储氢、加氢、氢燃料电池、氢能汽车等还有一个国家,这就是中国。如能把中国忽悠上船,日本前期的投入就不会付之东流。

必须让中国同舟共济才能实现日本利益的最大化。丰田公司宣布无偿开放其持有的燃料电池车相关专利。明确宣称,在燃料电池车推出的最初阶段,丰田应该将普及放在最优先的地位,所以与现在正在推进燃料电池车的研发和销售的汽车厂家,以及建设加氢站的资源企业之间的协作非常重要。当然,日本相信给你专利也未必能造出产品,造出产品也未必有达到他们的质量,达到他们的质量也未必能够与日本持续竞争,即便能够竞争也未必能够超越日本后继技术进步的速度。但无论如何首先是让中国先上船再说,那么中国该不该上这条船?

德国三大汽车企业:未来属于电动汽车。全国政协副主席、中国科协主席万钢曾经在科技部长任上大力推进了中国的电动汽车的“弯道超车”,推动中国成为全球电动汽车发展最快,制造能力最大,保有量最多的国家。据说他在德国奥迪汽车公司就职时就是研究氢燃料电池汽车,他在今年7月召开的“世界betway体育汽车大会”上认为,燃料电池汽车是市场的最佳选择。德国对氢燃料电池技术的研究比日本更早,现在行销诸多国海军的德国AIP潜水艇就是采用了燃料电池技术,而日本采用的是瑞典的斯特林外燃机技术。但最近,在德国汽车工业协会召集下,德国汽车巨头高管们进行深入磋商,最终就汽车行业未来策略达成一致。大众、戴姆勒、奔驰和宝马一致决定:未来属于纯电动车。

德国人为什么不选择氢燃料电池汽车?日本人千算万算没有想到电池储能技术的进步超出他们的预期,他们机械地认为储能电池的瓶颈无法突破。埃隆·马斯克曾经说:“不要相信业内专家告诉你技术已经登峰造极,任何技术都可能存在创新突破的巨大空间。”线性思维是日本人的一大局限性,这一点远不如美国的科学家的天马行空的创新思维。特斯拉采用的就是日本的储能电池技术,将纯电动汽车的行驶里程提升到600公里,与传统燃油车别无二致,而丰田最畅销的Mirai氢燃料电池汽车续航也不过500公里。马斯克让氢燃料电池汽车陷入了“既生瑜,何生亮”的尴尬境地。电力系统经过百年来的持续建设已经非常完善、非常普及,再投资千万亿建设新的平行能源系统也难以与之竞争。而人类可预见的未来,电力系统也不可能被淘汰或替代,基于电力系统的交通体系不仅可以更便捷的获得能量,而且可以与电力系统互动交融,让电力系统的利用效率更高、更安全、更经济;让交通系统更清洁、更便捷、更廉价。

氢燃料电池汽车只是更复杂、更麻烦的电动汽车。氢燃料电池汽车其实就是电动汽车,动力系统与电动汽车没有区别,区别仅在储能系统,增加了一个高压氢气瓶,增加了一个燃料电池堆,但它比纯电动汽车复杂的多。一个氢燃料电池汽车一般要安装一个30-80千瓦的燃料电池堆,而我们目前的汽车的功率都在90-180千瓦的动力,单靠燃料电池的功率显然不够,一方面是燃料电池的价格太贵,另一方面也是汽车在加速时需要大功率输出,而低速行驶和巡航时不需要太高的功率。据美国能源部测算,目前燃料电池成本已降到500美元/千瓦。专家估计,燃料电池成本只有降至50美元/千瓦才可能有市场竞争力,这还需要很长一段时间。要解决这个矛盾就要配套安装足够的蓄电池组或超级电容,让燃料电池相当于一个续航增程发电机。这使氢燃料电池汽车除了电力驱动系统和电池储能系统外,又多出了燃料电池系统和储氢系统,以及更加复杂的控制系统。既然有了电池,加氢就不是唯一的能量加注入口,充电可能成为平行的能量加注入口,而充电比充氢要便捷的多。也正因为如此,氢燃料电池汽车并没有改变纯电池汽车的安全问题,反而增加了新的安全问题。

氢燃料电池是否可行不能建筑在假设纯电动汽车技术瓶颈无法突破之上。至今为止,支持氢燃料电池技术的观点很大一部分是主观认为纯电动汽车目前的技术瓶颈将不可突破。纯电动汽车由于应用量大,研发投入大,技术相对简单,所以技术进步更快。目前,将氢能去替代纯电动汽车是不是一个正确的方向?受到广泛质疑。纯电动技术的电池受气温影响,在南方使用问题不大,在北方气候寒冷地区存在的问题较突出,驾驶体验不是很好,主要是低温环境下电池效率下降和驾驶室加温耗电大。普遍的观点认为在北方应发展插电式混合动力汽车,在一定程度上氢燃料电池汽车适合替代混合动力汽车。但是,电池技术也在不断进步,有朋友去南极北极旅游,在低温环境下使用苹果手机的常常会无法开机,而华为的情况要好得多,有专家说这与电池中的含氟量有关,氟锂电池在低温下的性能有非常大的改善。电力部门认为如果充电桩能够更加普及,达到每车一桩,利用电能给电池加温给车辆预热也可解决这一矛盾。此外,电动汽车还在发展换电模式,解决充电时间、蓄电池使用寿命、电池梯级利用等矛盾,更换电池仅需几分钟,一旦电池标准化换电可以在各个停车场、充电站、加油站进行,对客户更加方便。而加氢有没有可能比充电更加便捷?

氢燃料电池卡车是否能够打败纯电动卡车?普遍认为电池组重量太大,充电时间太长,不适合作为重载卡车和长途客车的动力系统。但去年奔驰推出了纯电动卡车eActros,有18吨和25吨两个版本,由11块电池组提供最大扭矩485Nm的动力,续航里程200公里。奔驰还推出续航400公里的eCascadia,这两型卡车都将在2021年投产。特斯拉Semi最大载重8万磅(36.29吨),满载下0-96公里加速20秒,满载最高时速105公里,最大续航里程800公里,每英里消电小于2度,充电30分钟可满载续航640公里。而且这些车辆都可实现无人驾驶。轻型电动卡车在北京早已满街跑了,各种品牌的纯电动卡车和公用事业车辆基本满足了城市需要。为解决卡车续航需求,德国开始考虑在国内主要高速公路上架设输电缆,卡车和长途客车可向北京的无轨电车一样靠一条“辫子”接受电能,使续航里程成为无限。

氢能技术需要更合适的市场定位。我们讲述上述问题,并非是要将氢能和氢燃料电池技术说的一无是处,而是要告诉大家氢能技术需要锁定更适合的市场定位,不要以己之短搏彼之长。海阔天空任鸟飞任鱼游,氢燃料电池不需要把自己拴在地面上与纯电力技术去死拼,氢能和燃料电池技术将在天空、大海和工业领域。5G技术将再次解放生产力和人,智能技术可以实现汽车的无人驾驶,而一旦实现无人驾驶我们为什么还要继续在地面缓缓爬行?就智能驾驶技术而言,智能近地飞行比在拥挤的道路上智能驾驶更加安全高效。需要解决的问题是提高交通工具的动力系统的质量能量密度,也就是说,谁有更轻的重量和更高的能量,谁将占据优势,这恰恰是氢燃料电池战胜纯电池技术的优势。去海南潜过水的朋友都会对南海水下五颜六色的珊瑚和热带鱼类记忆犹新,如果我们能够乘智能潜航器去海底旅行,而不用担心溺水危险将是多么美好的体验。氢燃料电池作为智能潜航器的动力系统是非常理想的技术。氢燃料电池动力的火车或许更加适合青藏高原等边远地区,未来也可能更加适合船舶动力,总而言之,与电动汽车竞争没有优势。

加氢站相继爆炸增加了氢能发展的不确定性。9月26日,路透社报道,虽然韩国政府在大力氢燃料电池汽车,但韩国蔚山市的投资者将仅开业1年的加氢站关闭。在韩国投资一个加氢站是快速充电站的6倍,政府会补贴250万美元,即便如此如果没有持续补贴来维持运转也将难以为继。今年2月韩国江原道储气罐爆炸造成2死6伤,摧毁了一个足球场大小的建筑。6月挪威也发生类似爆炸,现代和丰田都不敢在那里再销售氢燃料电池汽车。氢爆炸的威力有多大?可以从我们的记忆中搜索一下,当年福岛核电站主厂房一个个被炸上天际,其实不是反应堆的核物质爆炸,而是发电机组冷却的氢气泄露引发的爆炸,可见其爆炸的威力。若不能保障加氢站的安全,所有的故事都是扯淡,而氢是最活跃的易燃易爆气体,谁又能确保它不出事故?

氢时代仍遥不可及。文在寅总统将氢动力称为韩国“未来的面包和黄油”,计划到2030年在韩国普及85万辆氢燃料电池汽车,而到目前为止仅仅卖出了3000辆。政府原计划建造114个加氢站,因业主担心爆炸仅落实了29个,还有人中途撤火。到目前为止,全球的氢燃料电池车保有量也不到1万辆,全球加氢站不过400余座。号称已经进入氢能时代的日本,信誓旦旦地要到2040年达到保有量500万辆。但吹了这么多年,日本的氢燃料电池车保有量不过几千辆,加氢站不到100个。日本公布计划,2020年全国加氢站计划建成160个,2025年320个,2030年900个要支撑80万量的保有量。显而易见,说日本进入氢能时代,还不知道是猴年马月的事情,显然是一些媒体的眼球博文。日本的氢燃料电池汽车销量与中国每年销售上百万纯电动汽车,2020年达到500万保有量的进度相比都不过是小巫见大巫。

回归常识是我们发展氢能技术的基点。实事求是是我们认识问题和解决问题的原则,也是中国能够取得成功的关键。将氢形容为终极能源,将其描绘为最理想的可再生能源都是违背了基本常识的。一些地方政府为了发展经济,好大喜功好高骛远,不是积极解决现实存在的提高能效和降低污染的矛盾,而是将大量资金投资投入到一个应用场景仍不明确的技术。一些专家为迎合这些地方的领导,将那些违背科学常识的观点四处散布。一些企业以技术创新为名获取政府资金,利用项目跑马圈地。但他们真的相信氢能在未来能够替代电能成为人类终极的能源吗?

氢能只是我们未来能源的一部分。人类发展到今天,还没有一种能源被完全替代,即便是薪柴今天也在继续被利用,所有的能源技术都会不断进步,但每一种能源都要找到它合适的应用场景。说发展氢能是因为其他能源即将消耗殆尽的说法也是不切实际的,以全球最紧缺的石油来说,2018年储采比是50年,而2006年仅为40.5年,消费量在此期间却增加了14.3%。地球上的石油、天然气、煤炭都不存在终结的问题,风能、太阳能、水能等可再生能源更是无穷无尽,而且这些能源都已电能的形势并入我们的电力网络,这些能源随着技术的进步,成本在不断下降,而智能电网技术和储能技术的发展,特别是各种需求和分布式可再生能源的深度融合,让能源消费者成为生产者,在数字技术的控制下让能源的生产和消费融入智慧,而且越来越向电能集合,会通过电能跨入信息、交通、建筑、农业、生态、金融等各个领域。氢能将如何定位?如何融入这个系统?这是需要大家首先想明白的问题。