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楊裕生院士:氫氣轉(zhuǎn)化可規(guī)避氫能事故,開(kāi)辟應(yīng)用新途徑

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氫氣易燃易爆,眾所周知。防止氫氣燃爆,廣受關(guān)注。

近日,國(guó)家能源局綜合司發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(2022年版)(征求意見(jiàn)稿)》,其中第2項(xiàng)“防止火災(zāi)事故”的第6條是“防止氫氣系統(tǒng)爆炸事故”,提出發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)、氫站或氫氣系統(tǒng)在運(yùn)行、維修、氫氣純度、排放等方面的8項(xiàng)要求。

這是電力生產(chǎn)中用鮮血換來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn),價(jià)值極大,應(yīng)該推廣執(zhí)行,也值得其他涉氫部門學(xué)習(xí)借鑒。

能源用氫比工業(yè)用氫更危險(xiǎn)

氫氣可以用作工業(yè)原料,我國(guó)年產(chǎn)氫氣超過(guò)2500萬(wàn)噸,80%用于合成氨。

這些工業(yè)部門已經(jīng)建立起完善的安全操作規(guī)程,再加上氫氣從生產(chǎn)、傳送到使用都在企業(yè)內(nèi)部的密封管道和容器中,除非泄漏、破裂會(huì)造成事故外,正常生產(chǎn)中的事故很少,安全是有保障的。

現(xiàn)今,氫氣作為能量的載體進(jìn)入能源領(lǐng)域,一方面是由于可再生能源電解水制得的氫氣可以長(zhǎng)時(shí)間存放,這一點(diǎn)勝過(guò)儲(chǔ)能電池;另一方面,燃料電池技術(shù)的進(jìn)步使得氫氣有了用武之地。于是,發(fā)展氫能和氫燃料電池電動(dòng)汽車呼聲很高。

但是,以相同用氫量預(yù)計(jì),能源氫氣的事故概率將遠(yuǎn)高于工業(yè)氫氣,主要有如下理由。

首先,我國(guó)氫能生產(chǎn)地與使用地距離遙遠(yuǎn),不僅高壓管線建設(shè)耗資巨大,而且管材的氫脆容易引起安全問(wèn)題。

例如,用管狀高壓容器運(yùn)輸,短途可行,長(zhǎng)途的能耗過(guò)高,經(jīng)濟(jì)上不可行。而工業(yè)用氫是就地生產(chǎn)、就地使用。

其次,能源氫氣從生產(chǎn)到終端使用要經(jīng)過(guò)產(chǎn)地儲(chǔ)存、壓縮、輸運(yùn)、用地儲(chǔ)存、再行壓縮分裝等許多環(huán)節(jié),要在不同容器間發(fā)生多次轉(zhuǎn)移,引發(fā)安全問(wèn)題的可能性增加,而工業(yè)用氫多在一個(gè)密閉的管線系統(tǒng)中完成。

最后,加氫站高度分散,點(diǎn)多面廣;燃料電池電動(dòng)汽車更是星羅棋布,發(fā)生事故的概率要比工業(yè)集中用氫大得多。

能源氫氣現(xiàn)在用量尚少,但國(guó)內(nèi)外已經(jīng)多次出現(xiàn)事故。北京大學(xué)教授李星國(guó)新出版的《氫與氫能》一書以43頁(yè)的篇幅詳細(xì)講述了“氫氣的安全性”,介紹事故、分析原因、列舉措施,內(nèi)容豐富,值得研讀。

氫氣轉(zhuǎn)化有利于提高安全性

能源氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、分發(fā)等環(huán)節(jié)難題多,安全性差。將氫氣轉(zhuǎn)換為液態(tài)能源主要有體積縮小、體積能量密度提高等優(yōu)勢(shì),但是還需綜合對(duì)比安全性、生產(chǎn)成本,以及全過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換效率。

液氫的密度比常溫氫氣約高780倍,顯然有利于儲(chǔ)運(yùn)。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(huì)蒸發(fā)產(chǎn)生約1%氣態(tài)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(wèn)題,如金屬延展性降低、連接部失去密封性、對(duì)人體的凍傷等。

因此,除航天等不計(jì)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(yùn)回液氫,其后效當(dāng)拭目以待。

將氫氣轉(zhuǎn)化為能源液氨,可以工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),工藝成熟,設(shè)備齊全,可實(shí)現(xiàn)較高密度儲(chǔ)存、運(yùn)輸。

但是,液氨的儲(chǔ)存、運(yùn)輸也需加壓,而且使用時(shí)分解放氫既要吸熱又有毒,弊大利小。

數(shù)據(jù)顯示,乙醇的體積能量密度高。乙醇可從二氧化碳經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化生成的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái),是可再生的能源。

遺憾的是,它至今還難以簡(jiǎn)易地從氫氣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為二氧化碳制甲醇,能量轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)已大于50%。

其體積能量密度不低,又易于儲(chǔ)存運(yùn)輸,安全性遠(yuǎn)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(xiàn)。這種甲醇可稱之為“綠氫甲醇”。

迄今為止,冰島已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)4000噸的甲醇生產(chǎn)。中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院與兩家企業(yè)合作,開(kāi)展了二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)及中試放大研究,于2020年7月建成5000噸/年的工業(yè)試驗(yàn)裝置。

由此可見(jiàn),此“綠氫甲醇”之路已通。

“綠氫甲醇”開(kāi)辟電動(dòng)汽車新路徑

甲醇作為能源,可通過(guò)多種燃料電池發(fā)電,也可重整為氫氣用于質(zhì)子交換膜燃料電池。

但是,燃料電池發(fā)電的全壽期能量轉(zhuǎn)換效率未必高過(guò)內(nèi)燃機(jī)。

現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)用煤制甲醇(可稱為“灰氫甲醇”)的內(nèi)燃機(jī)汽車技術(shù)已經(jīng)成熟,制作成本和使用方便性遠(yuǎn)勝過(guò)燃料電池。

“綠氫甲醇”當(dāng)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(jié)約“綠氫甲醇”,應(yīng)該發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動(dòng)車”,其裝量較少的電池由風(fēng)力或光伏發(fā)電提供充電電能;用內(nèi)燃機(jī)作增程器,不燒油而用“綠氫甲醇”;車上蓄電與發(fā)電并聯(lián),節(jié)省燃料50%;不必常充電即可行長(zhǎng)里程。

這種復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)堪稱珠聯(lián)璧合,是氫能汽車的升級(jí),也是未來(lái)純電動(dòng)車的發(fā)展方向。

氫氣轉(zhuǎn)化為甲醇,開(kāi)辟了氫能應(yīng)用和增程式電動(dòng)車的美好應(yīng)用新途徑,亟待政府布局。上海市具備條件率先發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動(dòng)車”,可將其列入相關(guān)發(fā)展規(guī)劃,與氫燃料電池電動(dòng)車發(fā)展并行不悖,為全國(guó)開(kāi)路。

如此,則用了氫能而回避了遍用氫氣的風(fēng)險(xiǎn),且實(shí)現(xiàn)了汽車的碳中和。(文 | 楊裕生(中國(guó)工程院院士))

編輯:同同

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