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氢能商业化推广待破局 甲醇如何作“支点”

来源:中国青年报

作者:张真齐

2021-08-26 13:11:08

“截至目前,已有超过三分之一的中央企业制订包括制氢、储氢、加氢、用氢等全产业链布局,并取得了一批技术研发和示范应用成果。” 在上个月举行的2021年上半年中央企业经济运行情况新闻发布会上,国务院国资委秘书长、新闻发言人彭华岗分享的数据引人关注。

显然,受能源需求日益增长、化石燃料大量消耗与二氧化碳排放总量快速上升等因素的影响,氢能俨然成为未来能源变革的重要组成部分。

统计数据显示,当前全球氢能发展势头十分强劲。在占全球GDP约52%的27个国家中,已有16个国家制定了氢能战略,其他国家也正在制定中。

作为国家科技应用的排头兵和经济发展的晴雨表,汽车产业自然成了氢能与燃料电池最广阔的试验场。

尤其是随着中国“力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”目标的提出,更是让氢能成为汽车产业领域最热门的话题之一,也让人们对于氢能和燃料电池的发展充满了期待。

然而,如同多年前初露萌芽的电动汽车一样,处在刚刚起步阶段的氢能和燃料电池产业,仍面临着诸多技术、法规、公众认知度等方面的挑战和困难。

不过,存在未知的能源蓝海同样也充满了先机。在国内,很多行业机构、企业学校和创业团队都将目光锁定在了氢能和燃料电池领域,努力为这一新兴产业“添柴加火”。

氢能也有“冰与火之歌”

长期以来,中国在新能源汽车领域大力推进电动化进程,其力度之大世界领先。

数据显示,2020年,中国汽车市场上纯电动汽车保有量超过400万辆,占新能源汽车总量的81.32%。

然而,纯电动汽车产销快速增长的同时,自身的隐忧也渐渐浮现。“在现有技术下,由于车企对动力电池高密度、长续航的过度追求,引发了一些安全事故。在后市场,动力电池也面临回收形势严峻,回收体系有待搭建的问题。”汽车行业分析师刘志超如是说。

这样的情况也给氢能与燃料电池的发展创造了机遇。国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》显示,到2050年,氢能源需求将是目前的10倍。预计到2030年,全球燃料电池乘用车年销量将达到1000万辆至1500万辆。

在同济大学汽车学院教授余卓平看来,碳中和目标已形成全球共识,很多国家都确定了明确的时间节点。氢能在交通领域的发展正在稳步推进,尤其在重型卡车等领域,燃料电池汽车将为成为一个重要的技术路线被采用。

“与此同时,各地陆续发布的‘十四五规划’更是将氢能发展置于重要位置,中国氢能产业虽发展晚于欧美日韩,但发展速度迅猛,尤其在产业链布局方面已逐渐赶超西方国家。”余卓平直言。

尽管氢能源与燃料电池发展的前景光明,但是中国燃料电池汽车产业仍面临核心技术和关键零部件缺失、企业创新能力不强、加氢设施建设难等突出问题。

“例如碳纸、空压机、氢气循环泵、储氢系统瓶口阀等关键制氢的材料和部件,中国目前总体上都还依赖进口。”同济大学新能源汽车工程中心副主任、燃料电池复合电源研究所所长张存满直言。

此外,由于在储运过程中极易发生泄漏,安全性和经济性是氢气的储存和运输中不可忽视的问题。当前国内企业采用较多的储运技术是高压储氢技术,存在压力风险与充装风险。

“因此,要加快轻质、耐压、高储氢密度、高安全性的新型储罐的研发工作,完善化学储氢技术中相关储氢机理,提高各类储氢技术的效率。” 张存满建议说。

“通常,人们往往片面地将‘新能源汽车’等同于‘电动汽车’。”刘志超表示,“事实上,我国新能源汽车技术路线应是多元的,如高效内燃机及混合动力、清洁替代燃料、纯电驱动、氢燃料电池等。走出一条符合国情,真正高效、低碳、环保并且经济的技术路线,才是发展的关键。”

中国科学院院士丁仲礼曾表示,在推进“碳中和”进程时,需要在能源结构、能源消费、人为固碳“三端发力”。他建议国家有关部门在确定路线图时,留有一段“百家争鸣”时期,不要急于“收口”,不要急于强力推进。

其中,以甲醇为主要成分的制氢、生产燃料电池的路线,被不少行业专家学者认为是我国氢能和燃料电池发展的另一突破口。

“甲醇来源广泛,生产原料主要是煤炭、焦炉气和天然气等,甚至二氧化碳也可收集再生甲醇,从而实现资源的循环利用。而我国的能源结构特点是‘缺油、少气、富煤’,巨大的煤炭蕴藏量可以充分保障甲醇的获取,并且我国开采的煤炭中高硫煤占40%以上。”刘志超介绍说。

因此,利用可再生能源制氢,与二氧化碳一起制备绿色甲醇提供车用,是汽车行业对实现“双碳”目标最有效的途径之一。

“找到一种不依赖加氢站的燃料电池技术”

氢能是一种来源广泛、绿色清洁、灵活高效、应用场景丰富的二次能源,被誉为未来能源架构的核心。

燃料电池是高效的氢电转化反应装置,转化效率高,可真正实现绿色环保。但与此同时,加氢、用氢的安全一直是行业重点关注的话题,任何一次加氢站爆炸事故,都必将引发行业对于氢安全的担忧。

近年陆续发生在瑞典和美国的加氢站爆炸事故,让人们认识到氢气的威力和动能。正因为如此,氢气基础设施的安全技术门槛及建设要求持续推高。即使国产化设备的快速深入,一座45MPa氢气加注站的投资成本依然会超过1500万-2000万元(不含土地成本)。

面对如此高成本的投资费用,以及漫长的投资回报周期,虽然部分地方政府给予相应的财政建设补贴,一些对氢能有兴趣的投资方还是望而却步,这无疑制约着氢能和燃料电池的推广普及。

是否存在一种不依赖加氢站的燃料电池技术?对于这个问题,常州创氢能源科技有限公司创始人李磊博士与联合创始人兼总经理刘逦从创业之初就一直思考着。

“最终,我们决定不选用高纯氢作为燃料,而是选择更便捷、易得的液态碳氢类液态溶液,首选甲醇。”李磊介绍说,“甲醇来源丰富且多元化,既可以来自传统化工行业,也可以通过可再生能源制备获得。同时,甲醇是非常理想的储氢载体,1L甲醇与水反应可以获得143g氢气。现有氢气储存技术,要么压缩,要么冷凝。即使是冷凝为液氢(72g/L),也远低于甲醇产氢量。”

与此同时,甲醇的高稳定性和安全性也是我们的核心关注点。“甲醇和乙醇性能非常相似,现在很多火锅店使用‘酒精块’即以乙醇为原料。由此可以类比,55%甲醇水溶液作为燃料的使用安全性。”刘逦补充。

再者,甲醇重整制氢反应温度约200-300摄氏度,相对于其他燃料重整制氢路线而言,反应更加快捷与温和。创氢能源通过高温质子交换膜燃料电池技术的有效结合,顺利实现氢能的“即制即用”,无需分离与纯化过程,粗氢直接进入高温电堆,由化学能直接转化电能。

更重要的是,甲醇在常温常压下是液体,利于储运。在未来市场推广过程中,无需另行建设加氢站,而是可以依托于现有加油站进行简单的改造和升级,将其变为兼具加注汽柴油和甲醇水溶液的联合加注站。

2012年,工信部先后在山西、陕西、上海、甘肃和贵州等5省份10市组织开展甲醇汽车试点运营推广。2019年工信部提出《八部门关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,明确提及甲醇增程式电动汽车、甲醇燃料电池汽车产品。与之同步,国家及地区推动着甲醇制、储、运、加注的产业链持续健全与完善。

“据了解,新建甲醇加注站的成本约100万-300万元(不含土地成本),而加油站改建为甲醇加注站的成本更低,大概50万-80万元/座。”刘逦介绍说,“相较于高安全技术门槛及高投入成本的加氢站而言,甲醇加注站的可行性和可推广性更强。”

“目前行业内广泛采用是低温质子交换膜燃料电池技术,其燃料必须是高纯氢气,要求杂质如CO等含量极低,甚至5-10ppm以下。”李磊介绍说,“我们创氢公司是选择专注高温质子交换膜燃料电池关键技术的持续研发及国产化,其最大优势是抗毒化能力强,CO耐受性可达到10000-20000ppm,因此才能实现在线制氢技术的耦合匹配。”

“近几年,国内有不少企业进行高温质子交换膜燃料电池技术的探索,但受制于关键技术——高温质子交换膜燃料电池电堆及系统集成控制,更多专注在联合国外企业如Serenergy公司及技术产品,面向应用端的推广。这也是高温甲醇重整燃料电池拥有一定市场认知度,但缺乏市场占有率的根本原因。”刘逦回忆说。

这样的合作方式导致国内企业无法接触真正核心技术,直到如李磊团队这样的“研发生力军”出现,这样“技术一边倒”的情况才逐步打破。

据李磊回忆,早在2003年留学欧洲期间,他就关注到高温质子交换膜燃料电池技术,对于其核心关键材料如高温质子交换膜等进行深入研究与执着探索,并带着相关科研成果回国进行持续钻研。

“回国后,我们在关键技术研发过程中,遇到很多阶段性难题,如关键材料、电堆组装、系统集成测试等。但非常有幸,我们拥有一群共同愿景的研发团队伙伴以及获得英国拉夫堡大学的全力技术支持,这些困难逐步一一攻克。”李磊自豪地说道。

谈及这些看似轻描淡写的挑战与困难,李磊笑着说,“我们很幸运”。事实上,也正是凭借着坚忍不拔的研发精神和毅力,才让创氢核心团队能打破技术垄断,掌握核心技术。

据刘逦介绍,目前,常州创氢能源科技有限公司已经掌握包括高温质子交换膜电池电堆、高温甲醇重整燃料电池系统集成等多项核心关键技术,成为国内细分领域的领军企业之一。

“我们公司自主研发制造5kW高温甲醇重整燃料电池发电模块,在6月正式落地面向市场推广,已有几家意向客户正在对接。同时,创氢能源有幸获得常州市第15批龙城英才企业认定。在此,非常感谢当地政府给予我们团队及项目的充分认可。”刘逦说。

按照创氢能源的细分市场规划,以甲醇为载体的氢燃料电池技术不仅有望在汽车领域应用推广,在包括船舶领域、工程机械、农业装备等领域,也将会有很大的发展空间。

“氢能和燃料电池未来发展前景是毋庸置疑的,国家层面和地方政府的利好政策,也让我们充满了干劲。”刘逦说,“如今国内发展氛围很好,陆续形成集群和规模,这些都将助力整个氢能及燃料电池行业驶入‘快车道’。”

“氢能涉足产业链非常长,如同锂电行业一样,拥有不同应用场景且差异化的优秀技术路线,主流包括质子交换膜燃料电池(亦分为高温和低温路线)、固体氧化物燃料电池等践行者,我们都在持续耕耘。”刘逦表示,无论是“从0到1”,还是“从1到10”,都需要在漫长的科研工作中一步一个脚印。

李磊和刘逦都相信,随着氢能和燃料电池技术的发展,未来的氢能将逐步推动中国能源消费结构从传统化石燃料向低碳燃料转变。展望未来10年甚至20年,中国将有望进入氢能社会,这将对能源体系、国民经济、个人与社会生活产生巨大影响。

[责任编辑:杨凡、牛永浩]

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