文 | 海霞 編輯 | 國(guó)際能源網(wǎng)/氫能匯

全國(guó)上下都在一窩蜂地奔向氫能，似乎只要普及了氫能源，碳中和問(wèn)題就可以馬上解決。尤其是氫燃料電池汽車(chē)，大家都對(duì)氫燃料電池的發(fā)展有一種美好的錯(cuò)覺(jué)：加氫快，排放只有水……但實(shí)際上理想是美好的，現(xiàn)實(shí)則有些不堪一擊！

制1公斤氫產(chǎn)生10公斤二氧化碳

目前制氫常見(jiàn)技術(shù)有三種，分別是煤制氫，天然氣制氫，電解水制氫。

但無(wú)論哪種制取方法，都必須要有能源支撐，并在此基礎(chǔ)上有灰氫、藍(lán)氫、綠氫之分。通過(guò)煤和天然氣等化石能源制取的氫氣稱(chēng)為灰氫，因?yàn)楂@得氫氣的過(guò)程中產(chǎn)生了大量碳。如果是通過(guò)天然氣制氫，加入了碳捕捉和儲(chǔ)存技術(shù)，提升了清潔度之后，所制取的氫氣被稱(chēng)為藍(lán)氫，意思是雖然產(chǎn)生了碳，但進(jìn)行了技術(shù)處理，遏制了碳排放。而如果通過(guò)可再生能源制取氫氣，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)制取過(guò)程凈零排放，這被稱(chēng)為綠氫。

目前來(lái)看，煤制氫耗能小，但制備1公斤氫氣會(huì)排放約10公斤二氧化碳。如果用天然氣水蒸氣重整制氫，1公斤氫氣耗電約11度，如果碳捕集技術(shù)目前也還沒(méi)有完全克服。如果用電解水制氫則要耗電約48度，能耗之高會(huì)讓人感慨，如此高能耗能支撐氫能產(chǎn)業(yè)的美好未來(lái)嗎？

近日，四川大學(xué)芶富均教授帶領(lǐng)的液態(tài)金屬團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)成果，在國(guó)內(nèi)首次研發(fā)出液態(tài)金屬熱裂解裝置，以液態(tài)金屬為媒介，助力甲烷裂解，實(shí)現(xiàn)零排放、低成本、高效制氫。實(shí)驗(yàn)室里，芶富均教授設(shè)計(jì)了一個(gè)3米高的“方盒子”，液態(tài)金屬燃燒形成高溫環(huán)境，甲烷從“方盒子”尾端輸入后，經(jīng)過(guò)裂解，從頂部輸出氫氣。液態(tài)金屬熱裂解技術(shù)使甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，只產(chǎn)生單一的氫氣，完全不含二氧化碳。據(jù)教授說(shuō)，制備1公斤氫氣耗電16度。

除了芶教授，世界各地也都在研究能耗更加少、更加可靠的制氫方式。但目前常見(jiàn)的還是化石能源制氫和電解水制氫。日本63%的氫都是電解法，但是全球只有4%的氫是通過(guò)電解獲得的，因?yàn)樗_實(shí)太貴了。

鉑金的氫燃料電池誰(shuí)用得起？

氫燃料電池和普通電動(dòng)車(chē)的最大差異是，去掉電動(dòng)車(chē)底盤(pán)下邊的電池組，換成若干不同體積的高壓氫氣罐，并依靠一個(gè)燃料電池組，把氫氣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)變成水和電，并用生產(chǎn)出來(lái)的電來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。

這時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池組的性能成為了這輛氫燃料電池車(chē)的“性能瓶頸”，眼下，韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)的氫燃料電池車(chē)NEXO的氫燃料電池組的功率設(shè)計(jì)為120kW，豐田Mirai和本田Clarity這兩款車(chē)的氫燃料電池堆的設(shè)計(jì)功率分別為114kW和100kW。

能不能跨越這個(gè)功率水平？世界的科學(xué)家還在摸索中。之所以這一問(wèn)題讓人頭痛，是因?yàn)槿绻褮淙剂想姵亟M的功率提高，那么隨之而來(lái)的就是重量和體積增加。

在氫燃料電池應(yīng)用中一個(gè)很大的資源限制是鉑。正是依靠鉑，讓讓氫氣和氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。也不僅是氫燃料電池，其他燃料電池的催化劑也用鉑。

鉑的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛，燃料電池是其中一部分。但從2019年的數(shù)據(jù)可以看到，汽車(chē)工業(yè)使用鉑占最大比例，37%。這其中絕大部分是用來(lái)做燃料電池催化劑。

目前氫燃料電池價(jià)格高，其中一部分因素就是所使用的鉑成本高。鉑本身價(jià)格就貴，要知道鉑就是我們?nèi)粘Ｓ糜谑罪椀哪莻€(gè)鉑金，一克的價(jià)格都在500元左右，而用做催化劑時(shí)又不是一克兩克地用。如果催化劑技術(shù)不變革，可以想象得到，我們?cè)瓉?lái)依賴(lài)石油，以后換成了鉑，那氫燃料汽車(chē)可以說(shuō)就是移動(dòng)的“奢侈品”。

氫燃料電池車(chē)大規(guī)模推廣時(shí)，顯然鉑資源在全球的資源和產(chǎn)量顯然會(huì)捉襟見(jiàn)肘，而且也一定會(huì)推高鉑在國(guó)際市場(chǎng)上的售價(jià)，讓鉑的價(jià)格更加成為氫燃料電池車(chē)的障礙。

更讓人擔(dān)心的是，鉑礦在全世界的分布卻極不均衡，南非占世界鉑的總儲(chǔ)量的90%，產(chǎn)量也是遙遙領(lǐng)先。中國(guó)的鉑資源只占0.58%，也就是說(shuō)，我們國(guó)家想大規(guī)模發(fā)展氫燃料電池，就需要大量進(jìn)口金屬鉑。

氫儲(chǔ)運(yùn)是一項(xiàng)高危行動(dòng)

氫儲(chǔ)運(yùn)難關(guān)是由氫的特點(diǎn)決定的。目前氫以液態(tài)和氣態(tài)兩種形式存在。氣氫易燃易爆炸是常識(shí)，氫氣在空氣中的體積濃度只要介于4.0%～75.6%之間，遇火源就會(huì)直接爆炸。加油站雖然有時(shí)也會(huì)因加油站使用手機(jī)等行為引發(fā)火災(zāi)，但相比氫氣的易彌散度可小多了。所以氫在中國(guó)屬于受管制的?；贰Ｈ绾螌⒁兹家妆ǖ奈镔|(zhì)運(yùn)載來(lái)去而不發(fā)生危險(xiǎn)，人們想了三種辦法。第一種是低溫儲(chǔ)氫，當(dāng)將氫氣放在-253攝氏度時(shí)，氣氫變身成功，成為液氫。除了降溫，要維持儲(chǔ)氫罐體內(nèi)的溫度，這樣就需要巨大能耗，也就是說(shuō)相當(dāng)于你用直升飛機(jī)運(yùn)輸一筐廉價(jià)水果，根本得不償失。

第二種儲(chǔ)氫方式是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，目前其質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度大約為4.0～5.7%。從技術(shù)成熟方面來(lái)看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫最成熟、成本最低，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲(chǔ)氫技術(shù)，在基本能與傳統(tǒng)加油方式相媲美。國(guó)外已經(jīng)將70MPa的儲(chǔ)氫罐已應(yīng)用到燃料電池汽車(chē)上，但國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵材料仍依賴(lài)進(jìn)口。盡管這種儲(chǔ)氫方式比較穩(wěn)妥，但是對(duì)于更高的車(chē)載儲(chǔ)氫要求如儲(chǔ)氫量、安全性等問(wèn)題，目前世界范圍內(nèi)尚未有合適的解決方案。

除此以外，還通過(guò)有機(jī)液體和金屬氫化物進(jìn)行儲(chǔ)氫。這兩種方式可以實(shí)現(xiàn)密度大于5.7%且最高可達(dá)到67%，但目前存在成本高的問(wèn)題，而且還處于技術(shù)研發(fā)階段。預(yù)計(jì)化學(xué)方法儲(chǔ)氫是未來(lái)重要的發(fā)展方向，但也沒(méi)有商業(yè)化。

僅僅儲(chǔ)氫就有一大堆問(wèn)題，下面再說(shuō)說(shuō)運(yùn)氫。

運(yùn)氫方式主要有：氣氫拖車(chē)運(yùn)輸、氣氫管道運(yùn)輸和液氫罐車(chē)運(yùn)輸。氣氫拖車(chē)運(yùn)輸技術(shù)成熟，是國(guó)內(nèi)最普遍的運(yùn)氫方式，但運(yùn)輸效率極低，僅為1-2%，僅適用于小規(guī)模、200km內(nèi)的短途運(yùn)輸。一臺(tái)長(zhǎng)管拖車(chē)的成本約為160萬(wàn)元。當(dāng)運(yùn)輸距離100km時(shí)，運(yùn)輸成本為8.66元/kg。隨著距離增加，運(yùn)輸成本受人工費(fèi)和油費(fèi)推動(dòng)顯著上升。

氣氫管道運(yùn)輸適合大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)氫。但初始投資較大，預(yù)計(jì)每公里管道投資額584萬(wàn)元。將氫氣混入天然氣管道中進(jìn)行運(yùn)輸可解決基礎(chǔ)設(shè)施不足的問(wèn)題，德、法、西班牙等國(guó)家已有應(yīng)用。運(yùn)輸距離100km時(shí)，管道運(yùn)輸成本僅為1.20元/kg，在三種方式中成本最低。但其成本受運(yùn)能利用率影響，當(dāng)運(yùn)能利用率低于20%時(shí)將不具備成本優(yōu)勢(shì)。

液氫槽車(chē)運(yùn)輸效率高，而且可以進(jìn)行大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)氫，與管道運(yùn)輸比，又具有很大的靈活性和機(jī)動(dòng)性。但是目前液氫運(yùn)輸也存在成本過(guò)高的問(wèn)題。一臺(tái)液氫槽車(chē)的投資額為超過(guò)300萬(wàn)元。這是因?yàn)橐夯杀揪秃芨撸_(dá)到總成本的60%-70%，而且目前國(guó)內(nèi)由于缺乏這一民用標(biāo)準(zhǔn)，該方法僅少部分用于航天領(lǐng)域。

加氫站的運(yùn)維難題

加氫站有三個(gè)類(lèi)型，分別是外供氫高壓氫加氫站、外供氫液氫加氫站、站內(nèi)水電解制氫加氫站我國(guó)建設(shè)的加氫站。我國(guó)加氫站以高壓氫氣加氫站為主，造價(jià)大約在1500萬(wàn)元。壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶以及加氫及冷卻系統(tǒng)是最核心的成本構(gòu)成部分，約占加氫站投資總量的50%，其中加氫及冷卻系統(tǒng)成本占比最高，約占22%。

液氫加氫站由于液氫需要保持低溫，需要使用低溫型壓縮機(jī)和儀用空壓機(jī)，價(jià)格是高壓氫氣站的2.93倍?？傮w來(lái)看，液氫站建設(shè)成本比高壓氫氣站成本高30.8%。站內(nèi)制氫加氫站較外供氫加氫站多了制氫設(shè)施，這類(lèi)加氫站實(shí)現(xiàn)了制氫與加氫一體化，造價(jià)更高一些。

還有一個(gè)加注壓力的問(wèn)題。我國(guó)早期建造的加氫站設(shè)計(jì)的加注壓力多為35Mpa，主要原因是我國(guó)燃料電池車(chē)以商用車(chē)為主，如客車(chē)、專(zhuān)用車(chē)、物流車(chē)等，這類(lèi)車(chē)需要35Mpa的加注壓力，而小轎車(chē)需要70Mpa的加注壓力。目前，新建的加氫站開(kāi)始出現(xiàn)了35/70Mpa并存的加注壓力設(shè)計(jì)，這類(lèi)加氫站不僅可以給商用車(chē)加氫，還可以服務(wù)于乘用車(chē)。

截止到2020年底，全球已有33個(gè)國(guó)家進(jìn)行了加氫站的布局，共建成584座加氫站。其中日本擁有近150座加氫站，是世界第一。中國(guó)目前已有超過(guò)100座加氫站投入運(yùn)營(yíng)，成為世界第二名。因?yàn)槟壳俺鞘型恋囟倘?，加氫站的土地成本也是其建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本居高不下的一大難題。而且還涉及更多的安全性細(xì)則問(wèn)題，并不是尋常企業(yè)可以參與的?；蛟S只有中石化這樣的大型央企才有實(shí)力去建加氫站并且支付高額的建設(shè)和運(yùn)維成本。

綜上所述，我們?cè)诎l(fā)展氫能面臨著眾多難題，氫能成為所謂的“終極能源”恐怕不是短期可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一種能源成為人們的首選的時(shí)候，除了清潔環(huán)保之外，更重要的一點(diǎn)是資源量大，價(jià)格低，否則這種能源很難普及。對(duì)于發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，技術(shù)突破的路還有很長(zhǎng)！

來(lái)源：國(guó)際能源網(wǎng)/氫能匯