推薦閱讀
八項規定 改變中國

十九大報告指出,全面從嚴治黨永遠在路上。一個政黨,一個政權,其前途命運取決于人心向背。人民群眾反對什么、痛恨什么,我們就要堅決防范和糾正什么。(來源:12月8日,新華社) 十八大以來,黨中央堅定不移全面從嚴治黨,全黨理想信念更加堅定、黨性更加堅強,黨和國家的各項事業發展有了更加堅強政治保證。但黨面臨執政環境的復雜性和復雜性,黨內的思想、組織和作風不純等突出問題。實踐證明,管黨治黨,關系黨國家民族前途命運,必須下更大決心、勇氣、氣力抓緊抓好。 5年前,《八項規定》出臺,全面從嚴治黨由此“破題”,開啟了一場正風肅紀、激濁揚清、刷新吏治的作風之變。5年后,當初僅僅600余字之規定,卻扭轉著時代風氣的深刻變化,使黨風政風煥然一新;而今,它仍具有強大的威懾力,依然是全面從嚴治黨的重要手段,只憑這一點,它已遠超當初許眾人預期;而且,當時認為公款吃喝等中國官場的“老大難”問題,竟然出現如此顯著改善。 作風建設,成績斐然。5年來,黨中央以身作則,率先垂范,身體力行,把八項規定作為作風建設切入點,把全面從嚴治黨為突破口,緊盯重要節點,從件件具體問題抓起,堅決杜絕“節日腐敗”。截至今年10月,全國累查處超19.32萬起,處理超26.3人,黨政紀處分超14.5萬人,真是累累碩果,成績卓著,體現了黨中央全面從嚴治黨和狠抓作風建設的堅定決心與毅力。 這5年來,具體到各地,也都交出了作風建設滿意“答卷”。一開始就堅持問題導向,從具體的、細小的問題抓,從月餅、粽子等“小事小節”入手,狠剎“四風”。截至今年10月,全國查處違規公款吃喝等三類突出問題共超4.55起。其中,在2013和2014年占68.6%;2015年占17.1%;2016年占10.8%;2017年僅占3.5%。顯然看出,違紀存量和增量在大幅度減少,這更足以證明:八項規定,改變中國。 作風建設永遠在路上。創新監督手段,充分利用互聯網、新媒體和新技術,大大拓寬監督渠道,相信群眾,依靠群眾,形成群眾監督的濃厚氛圍;“八項規定”修改實施細則,著重對改進調查研究等方面內容,作了全面規范、細化和完善;中紀委推出八項規定精神“表情包”接地氣,換新天。十八大以來,中央十二輪巡視和各級巡視巡察均把作為重要監督內容和監督手段逐漸固化為制度,構筑成反腐“天羅地網”,讓隱變“四風”無處藏身。 八項規定,改變中國。只有將八項規定深入人心,徹底轉變工作作風,提高干部效率,把好方針政策落到實處,才能不斷推動黨的事業前進,得到群眾的擁護,中國的明天才會希望。才能讓百姓感受到了實實在在的變化,不斷深入人心,人民滿意,世界關注,“八項規定”精神牢牢扎根中國大地,讓中國政治生態煥然一新。

更多一帶一路
不出國門盡覽異域風情 文博會“...

?贊比亞演員現場表演精彩的舞蹈。?巴基斯坦的木雕桌椅、俄羅斯瓷器、捷克水晶玻璃工藝品、德國木偶戲、土耳其陶器、埃及樹皮畫、印度坦賈武爾繪畫、伊朗銅雕刻畫、泰國牛皮畫……走入第八屆山東國際文化產業博覽交易會“一帶一路”展區,迎面而來的眾多異域風情的傳統工藝美術及文創產品,讓參觀者目不暇接。

你現在的位置:首頁 > 能源 > 正文

“南陽水氫車”引發的氫能源思考

日期: 2019-06-15 13:15:11    來源: 財新網   
分享到:

  袁銳

  國家能源集團金融中心主任助理

  “南陽神車”一事近來鬧得沸沸揚揚。從科學角度分析其“水氫發動機”的匪夷所思之處,重點不是造車有工程上的難度,也不是水催化制氫有技術難題,而是如何開發、利用氫燃料面臨的能源問題。本文基于能源工業的規律,從能源的化學屬性、商品屬性、國別權力屬性和環境道德屬性,指出了一些“水氫發動機”存在的疑問和矛盾。疑問是指也許可以通過技術解決的疑點,矛盾則是指其邏輯不能自洽。

  綜合現有報道,“南陽水氫發動機”的所謂創新,主要體現在以下化學式(1)(2)(3)代表的“水+鋁粉”的制氫過程和裝置(添加了成分依然保密的催化劑),所得氫氣作為燃料,輸入電堆(MEA)產生電流,驅動電機做功。

1
1

  除了水氫裝置取代了儲氫罐,“水氫發動機”與普通氫燃料電池車沒什么兩樣。1801年,漢弗萊(Humphry Davy)首次從理論上證明燃料電池的可行性。自1839年格羅夫(William Grove)第一次真正發明燃料電池(gas battery),經過近200年的發展,燃料電池已經有了較強技術儲備。目前,固定電站的燃料電池已經可以給商業和工業社區提供電力[ ],燃料電池也已經小型化到可以給手機、筆記本等移動設備提供電力[ ],并在某些方面相比內燃機和鋰離子電池占有技術優勢。與內燃機相比,它們的工作原理截然不同,氫燃料電池是通過氫氣和氧氣的電化學反應產生電能,然后由電能產生動能等其他能量形式,而內燃機則是通過燃料和空氣的燃燒來驅動活塞產生動能。因為內燃機的工作原理由熱力學的定理決定,無論內燃機通過何種熱力學過程對外做功,內燃機效率都有一個理論上限,物理學上稱之為卡諾循環效率(Carnot cycle)。由于不受此限制,大規模商用的氫燃料電池的效率一般可以達到內燃機的兩倍左右[ ]。與鋰離子電池相比,它們的作用原理一致,都是通過電化學反應把化學能轉換成電能,兩者都有陰極和陽極,以及電解液(隔膜)。二者區別是,氫燃料電池的化學能是外部的氫氣和氧氣提供的,而鋰離子電池的化學能則是存儲在陰陽極的材料里。

從能源化學屬性判斷水氫發動機

  直接將水作為燃料,加水上路,則是另一個故事。從水的化學屬性上看,根本不可以稱其為能源。就熱穩定性而言,水是自然界中最穩定的物質之一,堪比難以處置的溫室氣體——二氧化碳。但是,水又是氫氧化合物,理論上有足夠的能量作用,跨過氫氧間勢壘并打開氫氧化學鍵,可以令水分解成氫和氧。氫循環與碳循環一般,可以為生物體直接提供能量;地球孕育生命的初期,星球表面和大氣中存在有較多的氫氣,但是,氫氣密度最小的這一事實,使大量的氫氣逃離了地球引力的束縛漫溢到外太空里。剩下的氫氣則在高壓環境下自燃生成水,所以,即使成分復雜的常壓空氣中也幾乎不存在單一的氫氣成分(常溫常壓空氣中低于兩百萬分之一),可資利用的氫能源主要以氫氧化合物的形式(如:H?O)、碳氫化合物的形式(如甲烷)或有機體內的糖、脂肪和醇類等形式存在于自然資源中,需要依賴其他能源提煉、制備純氫,所以,純氫與電能一樣都屬于二次能源產品。在“南陽神車”整個事件中,水作為制氫的介質,卻被當作一種能源來重點宣傳,其實是一個化學能轉換釋放的過程,也就是金屬鋁氧化的過程,最終得到的,除了氫氣,還有大量的氧化鋁和熱能。

  這一過程的主要疑問是:1、制氫過程中生成的大量氧化鋁如何不斷清理,不僅新生成的氧化鋁外殼會包裹住鋁粉,且其體積反應后是反應前的20倍,催化劑的補充難度極大。2、產生的氫氣純度不高是常態,氫氣和空氣中的雜質,比如氧化鋁、一氧化碳,很容易使電極催化劑涂層中毒,嚴重影響燃料電池的輸出電壓;氫氣純化——變壓吸附(PSA)裝置既無法小型化又很耗能。

  這一過程的矛盾之處:氫能相對于鋰電池等新能源的優勢在于比能(國際標準協會,SI unit:J/kg ,能量/質量,specific energy)。比能是刻畫單位質量里能量的單位,比能較高的有氫氣142MJ/Kg,天然氣(甲烷)55.2Mj/Kg,柴油48Mj/Kg,汽油46.4Mj/Kg,如表1.1。

2
2

  表 1.1 部分能源的比能和能量密度表

  來源:https://en.m.wikipedia.org/wiki/Specific_energy

  能源的運輸效率理論上只與比能有關系,比能越大的燃料,其運輸效率越高,反之亦然。理論上如果只考慮運輸效率,那么,每一種燃料都存在著最優的燃料攜帶值。鋰電池因能量密度低而被詬病,實際上是鋰電池車運輸效率較低的一種通俗說法,比如中國規定,可以享受新能源車補貼的電池只有160Wh/Kg,僅相當于0.6Mj/Kg。“南陽水氫發動機”實際上是將一座小型化工廠和化工原料搬到了車上,帶來的是車體質量與耗能的不對稱增加。按照項目負責人介紹的每百公里100Kg水,與鋰電池車每增程100Km需要100Kg電池組差不多,也就是說失去了氫能源“增程多增重少”的優勢。

  假設“水氫發動機”能夠正常運行,那么,用一個形象的比喻,水氫電動車就如同一列緩慢前行的駝隊,為了能夠到達更遠的目的地,就需要多加駱駝(水)進團,利用駱駝攜帶更多的補給(水催化制氫),但是,新增的駱駝給駝隊帶來了額外的消耗(車身增重),所以,新增駱駝攜帶的補給(水催化制氫)不僅為增程也要為增重提供能量。隨著距離的增加新增駱駝(水的重量)的幅度越來越大,而每頭駱駝可攜帶的補給保持不變(水催化制氫效率不變),駝隊(水氫電動車)的距離瓶頸將很快出現。“南陽神車”的能源運輸效率極低,所以,所謂100Kg水跑100Km的水氫汽車,無論如何做不到加200Kg水跑200Km,甚至有可能由于增重和耗能的不對稱增加,永遠達不到續航200Km。

從能源商品屬性判斷“水氫發動機”

  能源作為一種商品,開發、應用、排放的處置成本永遠是其大規模應用的首要問題,從經濟上制約著任何一種能源產品的能源主體地位,決定了某些能源經濟意義的枯竭和豐饒。“南陽水氫發動機”之所以抓人眼球,即在于它能在一定程度上降低儲存、運輸氫氣的成本。但是,水+鋁氧化制氫所增加的制氫成本卻是算不過賬的。能源的成本是市場充分條件下,技術和資源稀缺程度的集中體現,是一種時點上的均衡。“南陽水氫發動機”的使用成本主要集中于鋁金屬成本和氧化鋁等催化劑成本,網上有以鋁價為基礎計算的制氫成本,相對于電解制氫、煤氣化制氫等主流路線成本要高幾個數量級。實踐上為了得到純氫,同時提高反應的速度和穩定性,必須使用高純鋁粉和氧化鋁催化劑,達到99.99%的純度,這一純度的特種鋁制品價格遠遠高于普通鋁價。鋁的成本曲線,來自鋁土礦的稀缺性和電解鋁的高能耗,在可見的將來,作為工業原材料鋁的價格也很難成量級地遞減。

  制氫的成本一直是制約氫能大規模應用的瓶頸之一。2009年諾貝爾物理學獎獲得者,美國能源部前部長朱棣文現在雖然是氫能源的支持者,但在其上任之初并不看好氫燃料電池,甚至打趣認為主(lord)需要三個奇跡(miracles),而燃料電池需要四個奇跡(miracles)才能夠產業化:更好(便宜)的制備,運輸分配,存儲氫氣的技術,以及氫燃料電池成本和穩定性 。氫氣制備這一重要的工業化技術環節:包括化石能源制氫、電解水制氫等集中和分布式制氫的成本控制,以及尚在實驗室階段的核電站廢熱制氫、生物制氫、光電制氫等非主流路線(如圖1.1),這些制氫技術在絕大多數條件下都比“南陽水氫發動機”的鋁粉制氫成本便宜很多。

3
3

從能源國別權力屬性判斷“水氫發動機”

  能源商品還是一國的權力手段,一國的主體能源與其能源資源的稟賦有著完美的契合,這一稟賦既歸因于資源和技術的比較優勢,又可大部分歸因于國際政治資源的“叢林分配”,能源作為權力手段,進可實現自己的國家意志,退可拱衛本國社會經濟國防。可用于煤制氫的煤炭,自給率超過90%,而鋁土礦的自給率只有50%,特種氧化鋁的某些品種還較依賴進口。

  氫能源作為具有一定競爭力的能源品類,主要以二次能源的形式存在,在氫能源產業發展的初期,其可被歸類為不可再生二次能源,還是需要大量的化石能源作為原料和燃料以供調配。“富煤、貧油、少氣”是中國能源稟賦的鮮明特點。對于中國來說,在目前和未來相當長的一段時間內,煤炭仍然是最便宜、最能自給自足,擁有絕對價格話語權的能源。豐富、廉價、可靠,是中國現階段能源結構首要考慮的因素。更重要的是,中國石油、天然氣資源總量小且增產難度大,對外依存度已經過高,煤炭所具有的這些特征使其對中國能源供給的重要作用短期內很難被取代。利用煤炭作為一次能源制氫是當今世界的主流路徑之一,已大量布局于中國的煉化行業。根據統計,中國現有的專用制氫產能62%是依托煤氣化技術的煤制氫路線,在副產氫產能中,除了較少量的氯堿副產氫,絕大多數產能也可歸于煉焦工業(焦爐煤氣)領域。

從能源環境道德屬性判斷水氫發動機

  能源的“道德溢價”越來越高,環境融合度、環境成本以及廢棄物的處置有可能成為能源、電源選擇的主要參考因素。可以肯定的是,傳統燃料將在未來受到二氧化碳稅更嚴厲的規制。“南陽水氫發動機”鋁+水產生氫氣供應燃料電池,理論上只排放水而沒有碳排放,但是,從鋁土礦中得到鋁的過程卻是大量耗電的,發電過程會有大量的二氧化碳排放到空中。按照燃料電池車每100Km耗氫1kg,根據化學反應式,用鋁粉還原制取氫氣1Kg,需要消耗金屬鋁10.1Kg,從氧化鋁獲取原鋁大量耗電,10.1Kg電解鋁耗能為10.1Kg×13×0.4=52.52Kg標準煤,按照2.6標煤碳排放系數,“南陽水氫發動機”的碳排放達到136.5KgCO2/100Km,這還不算開采鋁土礦、提煉氧化鋁過程中的碳排放。

  制氫過程的碳排放、煤制氫的溫室氣體排放(無碳捕捉和排放處理)一般為19Kg[ ]CO2/ 1Kg氫氣 , 天然氣制氫的排放在8. 9 KgCO2/1 Kg氫氣。實測不到1Kg氫氣就可供燃料電池汽車行駛100Km。所以,燃料電池車相應的碳排放在8.9-19KgCO2/100Km,如圖1.2。反觀電動汽車運行過程中的排放,以電池管理最佳案例特斯拉為例,普通載重下一度電可以行使八九公里,即使電源全部來自煤電,碳排放一般也只有10KgCO2/100Km左右,如圖1.3。汽油車的碳排放一般在33KgCO2/100Km,算上采油、煉油的碳排放則會達到50KgCO2/100Km以上。所以,汽油車的碳排放一般是鋰電池車(BEV)的3倍,氫能源汽車的2.5倍左右,水+鋁反應制氫的二氧化碳排放又是汽油車碳排放的近3倍,排放角度上同樣高出各類新能源車一個數量級,是十分失敗的制氫嘗試。

4
4

5
5

  汽油、氫能源、鋰電池溫室氣體排放的差距如此之大,主要源于利用一次能源的效率不同,鋰電池的轉化效率更高的主要原因是:從一次能源到電能再到機械能的轉換步驟少,除了線損和充電損失(均可控制在10%),總體效率損失較少(主要損失是在發電階段); 氫能源轉化效率高的原因主要在于利用的方式,即氫能發電不受卡洛循環束縛,其電化學能效是內燃機的1.5倍,理論效率是汽車發動機的2.5倍,達到60%;汽油的轉化效率低既源于從開采到運輸到石油煉化——內燃機的用能方式,更因為內燃機較低的熱效率限制,徘徊在35%。不同于其他清潔能源比如天然氣,氫的散佚也不會產生更強的溫室效應。然而,氫能并不是一種零排放的能源,雖然在使用階段燃料電池沒有任何碳排放,但是,除了很少量制氫來自太陽能,大量制氫能源還是來自化石能源。綜合了煉化、使用、廢棄物處置,氫能相較其他直接利用化石能源的方式都更清潔。

利用能源思維思考氫能發展

  無論是為變革中的世界提供更優能源方案,還是源于能源產業史的必然,人類對能源的利用都存在著明晰的主輔兩條軌跡。主線是以能量密度作為邏輯,從遠古時代的植物、柴火、動物脂肪、木炭等到煤炭、石油、天然氣等化石能源再到被憧憬的核聚變反應,意味著人類能源需求的機動性、高效性、時間空間的平衡性得以滿足,能夠降低使用成本,令不可能的物理世界極限變得觸手可及。另一條輔邏輯卻漸成近20年來[ ]能源行業發展和變革的主旋律,即高碳化的能源向低碳和無碳轉型(理論上包括可再生能源以及核能);縱觀能源利用的歷史,將其視為輔線實在因為這樣的轉型并非人類意識到溫室氣體的存在和危害而被迫接受的準則,而是為了更好利用能源而主動為之——選擇和開發能量密度更高的燃料作為利用能源的主線,其結果之一是人類走出了一條低碳的高氫能源路徑。通過加氫脫碳形成飽和碳氫化合物,是汽油、柴油、煤制油等大多數二次能源的化工制備化學基礎和產能實現形式[ ]。飽和碳氫化合物更易充分燃燒,以提高石化能源的燃燒效率。如果將飽和碳氫化合物推向氫、碳分子的終極即是純氫,所以,未來理想的清潔能源可以來自化石能源并擺脫碳鍵。

  隨著世界經濟不斷發展,為了滿足世界人民對美好生活的需求,交通運輸業持續發展,并成為碳排放增長的主力(如圖1.4)。

6
6

  為了提供更理想的交通工具燃料,人類對高比能低排放的燃料追求從未止步,一段時間以來,為氫折服的不僅是南陽地方政府。氫燃料電池全世界公認的翹楚——加拿大的巴拉德公司(Ballard)從建立到現在已經40年,這是加拿大政府在國家層面上長期扶持才有的局面[ ],從20世紀70年代“阿波羅登月計劃”第一次用在航天行業,再到小布什(George W.Bush)總統執政作為美國能源獨立戰略的一項內容,到2018年豐田公司的未來(Mirai)燃料電池車的接近量產,如此漫長的時間跨度,中國在制度、資金和風險上是否能接受,我們的企業是否能堅持底層研發持續投入和底層技術的漸次提升,均是需要考慮的問題。科技創新不是商業模式的創新,真正的科技創新帶來的生產力的變革是顛覆性的。中國科技發展到現階段,靠模仿和跟蹤發達國家得技術已經不能提升中國的科技水平和大國形象。未來攀爬“科技樹”,沿產業鏈升級,不能靠“小道超車”,還是要靠中國科學家和工程師自由施展才智,大膽嘗試,在失敗中前進。 在高科技發展過程中,我們要有迭代進化的技術思想。新的科技都是和生物體系一樣,都是新概念提出后慢慢進化出來的。害怕失敗,求穩是科技創新最大的敵人。縱觀歷史,因所謂的新能源而搞事情,搞得比較離譜,不只是現時的中國,也存在各歷史階段的許多國家,然而,這并不意味著可以不顧科學原理和經濟規則胡來。國家推進供給側結構性改革以來,新能源行業發展較快。但是,政策制定者只有本著還原能源商品屬性的初衷,才能使各類新能源創新和商業化各歸其位。地方政府應該在“南陽水氫發動機”這樣一種“創新”中起什么作用,還有待探索,但是,只要不把烏紗帽壓寶在短時間錦標賽式的政績上,就不會對 以科學的名義搞事情推波助瀾。

2014年红姐心水论坛
本網申明:本網轉載此文在于傳遞更多信息及用于網絡分享,并不代表本網贊同其觀點,如有侵犯知識產權的文章,請與我方聯系必會及時處理。
更多股市
更多互聯網+