獲取氫能

楊裕生

隨著國家及地方對氫能源支持力度的加大，氫能產業的發展前景備受期待，“氫能是終極能源”的聲音也在多個場合聽到。不過，在筆者看來，氫能的獲取，有限度、有難度，并不是那么“輕巧”。

首先，自然界沒有單質氫氣可以開采，必須從含氫物質中提取。提取氫氣的目的原本是用作化工原料，而用作能源的歷史則很短。我國有些氫能工作者將化工原料氫氣的產能也算進能源氫氣的產能，難免有自壯聲勢之嫌，也容易引起人們的錯覺。

例如，有人說：“中國煤化工行業有近千臺氣化爐在運行，合成氣總量超過3000萬方/小時，廣泛分布于中國各地區，可以為各地的氫燃料電池新能源汽車的規模化示范運行提供有力支持。”這就是典型的誤導。且不說合成氣中高含量一氧化碳的分離是否經濟可行，氫燃料電池新能源汽車規模化用氫后，煤化工生產還要不要正常運行？原料氫氣和能源氫氣，雖然都是氫氣，但是原料氫氣只有在不影響其原來生產使用的前提下，才能拿出一小部分用作能源，其量十分有限。更何況，現在工業產氫消耗的基本是化石能源，排放嚴重，不是“清潔的氫能”。

氫能不是一次能源，它像電能一樣屬于二次能源，要由一次能源轉化而來。這一轉化過程是需要消耗能量的，而且同時必然有一部分能量要變為“廢能”，所以必須講究能量轉換效率。能量轉換要花錢，所以還必須講究經濟效率。

從電網上取電通過電解水制氫的能量轉換效率較高，約達85%。將氫在燃料電池中發電，能量轉換效率約50%，電—氫—電的能量轉換總效率稍大于40%。于是有人就說氫能燃料電池電動車的能量轉換效率“很高”。殊不知，他們有意無意地不談如下的一系列“折扣”：燃料電池自身消耗的電能、氫氣從電解池的低壓狀態壓縮到輸送的高壓狀態消耗的能量、輸送高壓氫氣到加氫站所消耗的能量、加氫站給車上儲氫罐充氫所消耗的能量等等。如此七折八扣，電解水制氫所耗的一度電送到車上電動機，粗略算來只剩不到0.3度。

如果從電網上取電一度，經充電器的AC-DC變換和車上電池的充電—放電，兩環節的能量轉換效率都在95%左右，送到電動車上電動機的電能將近0.9度。近3倍的能量轉換效率差別一目了然，意味著節能減排效果相差懸殊。能量轉換效率既然不高，經濟效率也不會樂觀。可見，從發展電動車節能減排的初心考慮，“由電網上取電—電解水制氫—氫能燃料電池”的路線是不可取的。

高溫氣冷堆也被說成可用以制氫。其實，用高昂的進口氦氣作為工質的高溫氣冷堆發電，經濟性本來就在推敲之中，現在卻要將千度的高溫熱能取出來分解水制氫而不用去發電，要么是沒事找事，要么就是為建高溫氣冷堆拼湊理由。有些人提出，可用“三北”地區的“棄風”“棄光”的電來電解水制氫，而且還舉出德國用風能發電、電解水制氫的例子，證明這條路線可行。

但是，第一，我國“三北”地區的棄風、棄光電解出的氫，在“三北”地區消耗不了，必須遠距離輸送到燃料電池電動車盛行的地區，耗能自不在話下，而高壓純氫對管道鋼的氫脆更是一個難關。第二，我們還要看到，我國“三北”地區的“棄風”“棄光”是不正常、短期的現象，一旦造成這種現象的人為和技術原因消除了，也就無“棄風”“棄光”可用，因為輸電相比于輸氫，無論是設備的建設還是運行，都要合理得多。第三，德國為了減少對進口天然氣的依賴，用可再生能源發電、電解水制氫，將氫氣摻入天然氣中做燃料，濃度不超過10%，不存在高壓純氫對管道鋼的氫脆問題。而且，德國國土東西寬不過500公里、南北長700余公里，天然氣管道密布，沒有我國“三北”地區與燃料電池可能盛行地區間的長距離輸送問題。在德國合理可行，不等于在我國亦然。

還有人提出，我們可將副產氫用于燃料電池。對此，原則上我完全贊成，但賬到底怎么算要商榷，因為不是所有副產氫都可用于燃料電池。2019年7月1日起開始實施的國家標準GB/T 37244—2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，規定了質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的雜質含量要求，其中最重要的是一氧化碳體積分數應不大于0.2×10-6。

以焦爐煉焦行業為例，要將焦爐煤氣中的幾項重要雜質降到GB/T 37244-2018的指標，尤其是5%～8%的一氧化碳降低到千萬分之二，不僅要解決一系列技術難題，還要消耗大量的能量。

最現實的是氯堿工業的副產氫。據說，2017年全國放空的氯堿工業的副產氫為25萬噸。此氣不含一氧化碳，改放空為利用，適合于燃料電池。此外，丙烷脫氫、乙烷裂解等工業也有數量相當的副產氫。如果輸送距離不遠，在燃料電池電動車的演示階段，這些副產氫綽綽有余。遺憾的是，這些副產氫的數量，遠不足以擔當未來“終極能源”的重任。

“氫能是終極能源”是美國前總統布什當政時首先提出的。在筆者看來，能源發展是沒有終極的。“氫能是終極能源”，還可理解為人類將來用的能源全部是氫能。這顯然脫離實際。即使說汽車完全用氫能，按我國未來50%的人均汽車保有量計算，7億輛車、年用氫10億噸，既沒有這個可能，更沒有這個必要。畢竟對于大多數電動車而言，直接用電網的電會更方便、更合算，何況還有其他能源可用，還有燃料電池自身的弱點引起的競爭力不強問題。

應該相信，隨著氫氣提純技術的進步，其能耗和成本會不斷下降，可用的副產氫數量會有所增加，“天花板”會有所升高。但是，也應該相信，“天花板”肯定有，“氫能是終極能源”的命題不成立。

真正清潔而又經濟可用的氫能并不豐富，與幾億輛汽車所需的能源相比，它只是個零頭而已。當然，氫能即使是個零頭，也該用好。為此，科研人員應該多做些實事求是的分析，而不要炒作和鼓噪，以免誤導公眾和官員。

◎ 來源|中國科學報