氢能到底是不是未来能源的方向?

国际金属加工网 2019年03月13日

工业革命后的两三百年,所有在能源方面的努力都是为了提升太阳能转为服务人们生产生活的有用功转换效率和提高能源载体的有效能量密度。以前、所有的研究者都只着眼于单个环节的。如提高光伏发电效率、提高汽油发动机热效率。未曾将从太阳能到有用功当成一个系统研究。

晶硅、薄膜、钙钛矿结构等等光伏技术,聚光光热技术、锂电池、锂硫固态、氟阴离子、氢氧燃料等电池技术和新能源汽车。研究者投入了巨大成本、大量的人力物力精力。

但是、研究人员未曾认识到一个可怕的事实,那就是不管他们多么努力,方向选择错了。即便他们的电池技术达到所有的理论上的最大值。他们研究出来的技术都会是昙花一现。

那么什么样的技术方向才是正确呢?且看下面分析。

1 氢能?未来能源?你有没有搞错!

氢能作为一种能源载体,被人误认为是未来的最佳能源。这种错误的想法源自两个事实,一个是氢能量密度高达143MJ/KG,另外一个氢的燃料电池理论效率高,实际最高效率已达到80%。

论据是正确的,结论却错了。氢气如果是车载能源,将储罐和氢气当成一个整体,其能量密度远低于汽油、甚至低过甲醇。氢燃料电池的整体效率也不高。

1.1 常见能源载体的能量密度。

我们先看看常见的氢气储存技术。

A. 高压储氢:氢质量含量1~5.8wt%,压力为35/45/70/90MPa,目前已经商业化。对于氢能汽车中的高压储罐,一般有35Mpa和70Mpa两种,采用碳纤维复合材料组成铝内胆外面缠绕碳纤维材料。日本通过将减少碳纤维强化树脂的用量,使重量效率比原来提高了20%,储氢重量密度达到了5.7wt%。

B. 液化储氢:氢质量含量>5wt%,将纯氢冷却至-253℃储存,超低温消耗能量大,成本高,优势在于储氢密度高,多用于航天、军工领域。

C. 固态吸附储氢:氢质量含量5.3~9wt%,使用以碳材料为主进行物理储氢,环境为77k、4MPa,纳米碳材料储氢性能好,还处于实验阶段。

D. 液态有机化合物储氢:氢质量含量6~8wt%,常温常压,储氢容量大,目前还处于实验阶段。

E. 金属氢化物储氢:氢质量含量1.4~3.6wt%,常温常压,安全性好,但是储氢合金存在易粉化、能量衰减和变质,目前还处于实验阶段。

F. 自然储氢:包括水储氢、甲醇储氢等。其中,水储氢的氢质量含量为11.1wt%,常温常压,能量比度高,成本高,以电解水制氢为主。甲醇储氢的氢质量含量为12.5wt%,常温常压,能量密度高,低成本,大规模甲醇制氢技术早已实现商业化,微型化甲醇制氢技术已实现突破,商业化价值极高。

上面的六种氢储能方法中,甲醇的储氢质量分数是最高的了。并且,甲醇利用热重整、质量占比12.5%的氢会成为氢单质。而甲醇的能量密度是20MJ/KG,经过热重整后得到的氢能量必定有损失。

显然,氢,作为能源载体。考虑储罐后,其整体能量密度不及汽油一半,也低于甲醇。此外,还要考虑氢能冷却压缩灌装造成的能量损失。氢气的极度危险性。

那么氢氧燃料电池的能量转换效率高呢?电池发电环节,氢能效率高,并不能弥补整体系统的能量效率。借助“油井-车轮”(WTW)效率理念。本文提出“STS”即solar to service。即太阳能转换为服务人们生产生活的有用功。STS的效率中,氢能因为经过了太阳能发电、电解水、燃料电池转换电能,这个中间多了一个氢形态的变换环节。其STS效率也低于光伏、更低于太阳能生产甲醇,甲醇直燃、内燃、重整制氢的效率。

由此可见、那些错误认为氢能是终极能源并大规模投入的人最后可能赔的很惨。

2 什么才是未来能源?

在所有非直接利用太阳能利用方式中太阳能光伏、光热的效率是最高的,电能、热能都是服务人们生产生活的有效形式。基于STS的观点,未来能源必定是最高效利用太阳能服务人们生产生活的能源方式。当然,作为太阳能在地球上的能量载体,STS的评价至少包含经济价值、能量密度、系统效率和适用场合等等方面的考虑。

首先太阳能光伏是太阳能利用的方式的最优方式,但光伏不能解决储能问题。

以生物质为原料、太阳能为能量来源,利用碳氢氧元素为热储能工质储能。并在夜晚发电,生产甲醇、二甲醚。而在甲醇、二甲醚的使用端。将太阳光聚光产生光热温度180~500℃的中低温太阳能,重整甲醇、二甲醚、水、沼气等组份,得到氢气、一氧化碳供给直燃、内燃机、燃料电池等方式利用。这样的太阳能利用方式和光伏发电方式将会是太阳能的终极利用方式。这种太阳能利用方式简称为太阳能利用LY系统。

2.1 LY太阳能利用系统

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图 1 太阳能利用lightyear系统图示

太阳能利用LY系统所有的技术目前都有在使用。但不具备经济竞争力。当前技术技术发生了两个重大的转变,一个是太阳能光伏发电度电成本部分地区已经低于火力发电、未来将会在全球大部分地区平价上网。另外一个转变是,新能源汽车的普及,而LY混动车这个几乎是零成本的发电平台将会是最佳的新能源汽车路线。新能源汽车即将普及前,将LY混动车做成主流。利用汽车的分散,对应太阳能的分散、生物质的短距离收集得到了单面面积的能量密度大幅度提升,而经济成本极低。

随着太阳能光伏、光热、和LY混动车技术成熟,效率提高。太阳能LY系统的的光电、光热转换效率超过40%(理论值),即便实际只能达到10%。即便地球表面积的十万之一的面积被太阳能光伏、光热有效利用,收集到的太阳能有效服务人们生产生活的量也超过目前人类利用能源的十倍以上。而生物质的收集到的太阳能总量更大。如果生物质在LY混动车这个平台上得到有效利用,能源问题将从根本上得到解决(概算,缺乏严谨的计算)。

当然,如果LY混动车、光伏低成本发电这两个技术条件无法达到。太阳能利用LY系统也将无法实现。一旦LY混动车普及、光伏发电度电成本低于火电,太阳能利用LY系统就自发形成了。

3 结论

氢能不是终极能源。太阳能利用LY系统才是终极能源解决方案。


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