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      楊裕生院士:開辟應用新途徑,氫氣轉化可規避氫能事故

      作者:森林 2022-07-25 12:04:41 來源:新能源汽車網
      楊裕生院士

        近日,國家能源局綜合司發布《防止電力生產事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》,其中第2項“防止火災事故”的第6條是“防止氫氣系統爆炸事故”,提出發電機氫氣冷卻系統、氫站或氫氣系統在運行、維修、氫氣純度、排放等方面的8項要求。

        這是電力生產中用鮮血換來的寶貴經驗,價值極大,應該推廣執行,也值得其他涉氫部門學習借鑒。

        能源用氫比工業用氫更危險

        氫氣可以用作工業原料,我國年產氫氣超過2500萬噸,80%用于合成氨。這些工業部門已經建立起完善的安全操作規程,再加上氫氣從生產、傳送到使用都在企業內部的密封管道和容器中,除非泄漏、破裂會造成事故外,正常生產中的事故很少,安全是有保障的。

        現今,氫氣作為能量的載體進入能源領域,一方面是由于可再生能源電解水制得的氫氣可以長時間存放,這一點勝過儲能電池;另一方面,燃料電池技術的進步使得氫氣有了用武之地。于是,發展氫能和氫燃料電池電動汽車呼聲很高。

        但是,以相同用氫量預計,能源氫氣的事故概率將遠高于工業氫氣,主要有如下理由。

        首先,我國氫能生產地與使用地距離遙遠,不僅高壓管線建設耗資巨大,而且管材的氫脆容易引起安全問題。例如,用管狀高壓容器運輸,短途可行,長途的能耗過高,經濟上不可行。而工業用氫是就地生產、就地使用。

        其次,能源氫氣從生產到終端使用要經過產地儲存、壓縮、輸運、用地儲存、再行壓縮分裝等許多環節,要在不同容器間發生多次轉移,引發安全問題的可能性增加,而工業用氫多在一個密閉的管線系統中完成。

        最后,加氫站高度分散,點多面廣;燃料電池電動汽車更是星羅棋布,發生事故的概率要比工業集中用氫大得多。

        能源氫氣現在用量尚少,但國內外已經多次出現事故。北京大學教授李星國新出版的《氫與氫能》一書以43頁的篇幅詳細講述了“氫氣的安全性”,介紹事故、分析原因、列舉措施,內容豐富,值得研讀。

        氫氣轉化有利于提高安全性

        能源氫氣的儲存、運輸、分發等環節難題多,安全性差。將氫氣轉換為液態能源主要有體積縮小、體積能量密度提高等優勢,但是還需綜合對比安全性、生產成本,以及全過程的能量轉換效率。

        液氫的密度比常溫氫氣約高780倍,顯然有利于儲運。但是,液氫需在20K的低溫下保存,壓縮—液化耗能很高,容器要用極好的低溫絕熱材料,每天還會蒸發產生約1%氣態氫。

        因此,其除具有氫氣所有的安全隱患外,還有超低溫引起的一系列問題,如金屬延展性降低、連接部失去密封性、對人體的凍傷等。因此,除航天等不計工本的特種用途外,液氫并不適于作為普遍使用的氫能。日本目前正在嘗試從海外運回液氫,其后效當拭目以待。

        將氫氣轉化為能源液氨,可以工業化規模生產,工藝成熟,設備齊全,可實現較高密度儲存、運輸。但是,液氨的儲存、運輸也需加壓,而且使用時分解放氫既要吸熱又有毒,弊大利小。

        數據顯示,乙醇的體積能量密度高。乙醇可從二氧化碳經光合作用轉化生成的生物質轉化而來,是可再生的能源。遺憾的是,它至今還難以簡易地從氫氣轉化而成。

        相比之下,在高溫和催化劑作用下,可以一步將氫氣轉化為二氧化碳制甲醇,能量轉換效率現已大于50%。

        其體積能量密度不低,又易于儲存運輸,安全性遠高于氫氣。不僅如此,此舉還消除了本要排放到大氣中的二氧化碳,為碳中和作貢獻。這種甲醇可稱之為“綠氫甲醇”。

        迄今為止,冰島已實現年產4000噸的甲醇生產。中國科學院上海高等研究院與兩家企業合作,開展了二氧化碳加氫制甲醇技術及中試放大研究,于2020年7月建成5000噸/年的工業試驗裝置。

        由此可見,此“綠氫甲醇”之路已通。

        “綠氫甲醇”開辟電動汽車新路徑

        甲醇作為能源,可通過多種燃料電池發電,也可重整為氫氣用于質子交換膜燃料電池。但是,燃料電池發電的全壽期能量轉換效率未必高過內燃機。

        現在,國內用煤制甲醇(可稱為“灰氫甲醇”)的內燃機汽車技術已經成熟,制作成本和使用方便性遠勝過燃料電池。“綠氫甲醇”當然也可這樣使用,這就成就了零排放的“綠氫甲醇汽車”。

        為了大幅度節約“綠氫甲醇”,應該發展“綠氫甲醇增程式電動車”,其裝量較少的電池由風力或光伏發電提供充電電能;用內燃機作增程器,不燒油而用“綠氫甲醇”;車上蓄電與發電并聯,節省燃料50%;不必常充電即可行長里程。這種復合動力系統堪稱珠聯璧合,是氫能汽車的升級,也是未來純電動車的發展方向。

        氫氣轉化為甲醇,開辟了氫能應用和增程式電動車的美好應用新途徑,亟待政府布局。上海市具備條件率先發展“綠氫甲醇增程式電動車”,可將其列入相關發展規劃,與氫燃料電池電動車發展并行不悖,為全國開路。

        如此,則用了氫能而回避了遍用氫氣的風險,且實現了汽車的碳中和。

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