“脱碳加氢”再难,也是我们回避不了的能源宿命

  • 发表于: 2017/11/27 07:31:00 来源:车云网

老板你好!我有一罐氢气!

数日前,笔者在江苏如皋参加了“第二届国际燃料电池汽车大会”,并在会场上看到了眼下丰田正在世界范围内进行推广的氢燃料电池车——Mirai。

对大多数人来说,丰田的混合动力技术,可能是这个品牌最被消费者熟悉的“名片”,但是以Mirai为代表的氢燃料技术,其实是这个汽车品牌,甚至可能是整个世界能源未来在当下的一个具象化缩影。

能源利用的“石器时代”

自从人类尝试着升起代表着文明的第一堆篝火以来,碳元素,就一直在人类的能源体系中扮演着不可缺少的角色,无论是人类踏入现代文明之后,每一发射出的子弹,还是蒸汽机带动起的工业车轮,我们都离不开碳元素进行化学转化时释放出的能量。但一方面随着碳素能源被大量利用对环境造成的不可逆影响,另一方面科技进步、社会结构升级提出的对更强大能源的需求,用“氢”取代“碳”,成为了我们不可回避的能源宿命。

航天飞机的主推进发动机用的就是液氢液氧作为燃料(1:6的比例)航天飞机的主推进发动机用的就是液氢液氧作为燃料(1:6的比例)

在航天领域,液氢液氧作为燃料的利用历史早已有之,相比于液氧煤油、偏二甲肼等传统火箭燃料,液氢的热值高,液氢液氧作为火箭燃料能提供最大的比冲;但在汽车行业内,以氢为能源的利用技术,却离开实验室并没有多远。

航天飞机运输载具中,橙色的巨大燃料罐所储存的就是液氢和液氧航天飞机运输载具中,橙色的巨大燃料罐所储存的就是液氢和液氧

氢燃料的应用困境:

首先,氢燃料不容易储存,因为氢气只有在液化后,才具有极高的热值(作为火箭燃料时,氢气均以液态形式存在),但液氢的沸点是零下252摄氏度,因此想大规模利用氢燃料,必须解决一系列维持液氢稳定存在的技术。在航天领域,液氢液氧作为燃料,仅仅是在火箭发射前的24小时之内才灌注到燃料箱体内,因此不存在维持低温的需求(火箭燃料箱本身具有保温作用,且火箭发动机工作时间很短,以秒计算)。

丰田燃料电池车的高压氢气罐采用多种复合材料制作。丰田燃料电池车的高压氢气罐采用多种复合材料制作。

其次,在现有技术条件下,氢均以高压气态的形式储存于在氢气罐中,考虑到氢的分子体积非常小(H2),所以氢气非常非常容易透过容器壁的分子间隙逃逸到外部空间。因此,氢气罐的设计和制造,是氢储存和运输过程中的难题;

最后,在氢燃料电池系统中,负责将氢氧两种元素接触并发生化学反应,进而发电的电堆,是氢燃料电池的最核心技术。在眼下,如何把电堆设计得发电效率更高,体积更小、质量更轻、对贵金属的依赖度更低(眼下的氢燃料电池需要使用大量的铂)并具有更好的环境适应性(低温启动性),依然是不小的挑战。

燃料电池的电堆和周边设施燃料电池的电堆和周边设施

基于以上原因,很多汽车企业,包括一些顶级的欧洲汽车企业在新能源的方向进行探索之后,一般都把氢燃料电池技术当做一个近似于终极化的新能源技术,因为该技术几乎是实现了完全意义上的“脱碳加氢”的目标。这背后,是诸多企业在氢燃料电池技术研发之路上半途而废,并用纯电动汽车技术作为折中的故事。

不过,对于丰田,对于丰田的mirai来说,氢能一直是最终极的新能源目标。从本质上说,Mirai就是个更加复杂的电动车,但是在车辆的续航性能和使用便利性上却达到了和传统燃油车一样的方便,这一点相信在很长时间以内,都比电动车具有更好的竞争优势。何况,眼下的Mirai的燃料电池系统中大量采用了普锐斯混动系统中的现成技术,这也让其制造成本得以大幅度降低,因此,即使初代的Mirai成本高达1亿日元/辆,但丰田依然没有放弃这项技术并致力于将其成本一步步降低到眼下可接受的700万日元的程度。

氢燃料电池车的安全之争

大家提起“氢”,总会不由得生出一种“不安全”的感觉来,这一方面是大家对于氢气易燃这个事情都了熟于心(氢气在空气中的爆炸极限是4%至74.2%,这是一个非常Niubility的数据),另一方面,稍稍了解航空历史的人,也都会记得当年德国齐柏林飞艇的惨剧。

但是,我们能说携带着两个氢气罐的Mirai不安全吗?其实车云菌觉得这个问题要辩证来看:首先,大家针对氢燃料电池车的安全之争,几乎全部聚焦在氢气这个事情上,由此带来的风险无非是两种,一种是高压氢气罐爆炸时带来的危险,另外一种就是氢气燃烧时带来的危险。

就第一种危险来说,任何一个厂家的氢气罐在出厂的时候,都会经历严苛的穿刺、撞击、火烧等极端情况测试,并设计一个足以保障氢气罐自身安全的系统策略,因此,想让一个氢气罐爆炸产生威胁,可能外界条件已经复杂到只能用存在于理论上来形容了。

其次,眼下氢气的提纯技术已经到了极为先进的程度,这与当年齐柏林飞艇在天空上飘来飘去的时代已经截然不同。此时,储存在氢气罐中的氢气是以极高的纯度存在着,发生自燃的可能性就是零。如果说当氢燃料汽车的氢气罐在同等条件下,像传统燃油车的油箱一样发生自泄,那么氢气的一些特性反倒会让氢燃料电池车比传统燃油车更加安全。

Mirai的加氢口Mirai的加氢口

在一些测试过程中,当氢气罐发生可控或者不可控的自泄时,高压氢气会以极高的速度从氢气罐中冲出来,由于氢气在环境中的浓度会瞬间变得极高,因此与空气充分混合发生爆燃的可能性很低(离开浓度谈燃烧就是在耍流氓),此时的高压氢气流倒是可能会冲灭一些火焰;同时,由于氢气的分子量很轻,所以空气中的氢气会以很快的速度迅速逃逸到事故现场的上方,这与传统燃油车在油箱泄露之后,汽油散布到事故现场并提供火焰原料相比要更加安全。

但是,如果氢燃料电池车在一个相对密闭的空间里发生氢气泄露之后,带来的风险确实难以预估,因为你不能严令禁止氢燃料电池车进入地下停车场等这类场所,不过在未来,估计随着氢燃料电池技术的推广,一些基础设施建设也肯定会考虑到这方面的安全设计。

在离开氢燃料电池车的安全问题之后,我们必须面对的就是氢燃料电池汽车能给我们带来的直接优势和间接优势。

首先,直接优势就是氢将成为一种终极的清洁能源,氢燃料电池汽车的排放产物只有水,而且是纯水。只要能解决氢气生产制造环节的排放问题,在氢燃料电车的使用环节中,对环境造成的影响相比于燃油车来说将具有无可比拟的优势(其实氢燃料电池随着使用也会发生损耗,而且氢燃料电池系统中也有电池存在,但是这二者都可以通过回收实现废物利用)。

丰田的氢燃料公交车丰田的氢燃料公交车

其次,氢能源的采用,将有利于合理改善现有的社会能源结构和能源利用率,大家都知道,我们身边的发电厂是在没日没夜的“连续工作狂”,在用电高峰期,发电厂玩了命的发电以弥补供电不足;在我们睡觉的用电低谷,发电厂也需要持续进行发电以满足“夜班”用户的能源需求,此时,发电厂发出的很多电其实是被浪费掉了。

北京前几日重度污染下的夕阳,车云菌自己拍的北京前几日重度污染下的夕阳,车云菌自己拍的

因此,如果氢能作为一种二次、三次能源服务于社会,那么在一次和二次能源供给过剩的时候,完全可以用多余的能源来进行发电制氢,然后在电力不足的时候,再把这部分氢气转换成电。在我们身边,这类需要“削峰填谷”的能源关系比比皆是,大半夜无聊加班的火电厂是这样的例子,绝对依赖自然条件的风力发电站和太阳发电站是这样的例子,甚至是一些山区的小型水力发电系统,也有可能因为氢能源的介入,从而成为一个稳定可靠的能源提供角色,而在此之前,他们都是一些看老天脸色吃饭,说旷工就旷工的顽劣货色。

氢能的利用现状

眼下,超过50家以上的大型跨国公司(如谷歌、微软、可口可乐)都在使用固定式氢能电力系统,在全球范围内,整个2016年共新建了92座加氢站,使其总数达到了接近300座的规模。

氢能的利用前景氢能的利用前景

在我们面向未来构划的理想社会中,氢气很可能存在于我们生活的方方面面和角角落落之中,而满大街跑来跑去的汽车,很可能再也听不到震耳欲聋的发动机轰鸣(这似乎是个坏消息),同时也不会对环境产生那么大的压力了(让机动车限号成为历史)。


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