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2019年5月29日 星期

“水氢车”迷局背后的思考


近期,一则题为“水氢发起机在南阳下线”的报道迅速在全国引发热议,文中宣称“这意味着车载水可以实时制取氢气,车辆只需加水即可行驶。”文章发布后引发广泛质疑,多名业内人士表示,单纯的水变氢或使用神秘的催化剂把水变氢,这都违背能量守恒。那么,这项号称得到市委书记点赞的技术究竟是什么,到底靠不靠谱?新能源汽车能否走出新路?

“水氢汽车”是否具有可行性?

据青年汽车集团有限公司(简称“青年汽车”)的相关项目负责人介绍,其研发的“车载水解制氢”系统的基本原理是“铝合金粉末+催化剂+水”反应制氢。在催化剂作用下,“制氢材料”与水反应产生氢气,氢气通过氢电堆产生电,给电机供电,驱动车辆行驶。他还称,目前,加100公斤的“制氢材料”、300升的水,汽车可以跑300公里。 

针对公众对“车载水解制氢”技术的质疑,有媒体采访了行业专家。  

国家新型储能电池与材料产业技术创新战略联盟秘书长、四川省电子学会新能源专委会主任委员吴孟强称,“催化剂”只能改变反应历程,可提高产氢速率、效率,但不能提供额外的能量。他认为,即使通过水解反应提供氢,但供氢效率是否足以成为汽车能源也需要验证。  

该技术宣称能攻克现在公认的车载实时供氢技术难点,对此,国家新能源车技术创新中心燃料电池领域技术人员认为其中难点有三:一是要控制产氢速率和气量以匹配燃料电池端需求;二是对氢气的纯度和成分有相应的要求;三是压力指标是否符合燃料电池的要求,同时考虑反应热的问题;这些难点都是在实际工程应用中需要解决的关键技术。

南阳市工业和信息化局局长蒋璞表示,不论是研发还是试验,该车都只是样车,还需不断通过技术创新,进一步改造提升,目前车可以开着跑,但还未具备批量生产的条件。

对于相关技术是否经过专家评审和论证,青年汽车集团有限公司董事长庞青年表示“还没有”。

清华大学能源互联网创新研究院研究员张罗平介绍,“青年汽车的介绍就是氢能源汽车的一种,是制氢发电再充电与普通充电混用,两种补电都有。车内自带二十几度电,对重1吨的车,能够驱动跑150公里左右。但只加水,跑1000公里,就是偷换概念。”

“如果电解水,没必要兜圈子,先把电变成氢,再用氢发电,损耗更多能量。如果直接用电池驱动,车就跑起来了,何必转换成氢,损耗能量?”张罗平表示。

以氢气为主要代表的燃料电池汽车,日本丰田汽车公司的Mirai是佼佼者。公开资料显示,丰田Mirai的工作原理是让空气和车载高压储氢罐中的氢气同时输送到燃料堆中,二者在燃料电池堆中反应,产生电和水,其中产生的电提供给电机驱动车辆行驶,反应产生的水则排出车外。

这一原理与青年汽车的水氢燃料车有相似之处,但庞青年在接受采访时并未指出其制氢原理,而对于外界诟病的技术细节,庞青年却一再回避,并称这涉及公司的商业秘密。庞青年还称,催化剂是氢能源研究过程中最大的障碍之一,但他们已经研究出了可循环利用的纳米级材料。而当媒体记者继续询问是什么材质的纳米级材料,庞青年并没有回答。

氢是很重要的工业原料,所以一直都有大规模的制氢技术,一般使用化石燃料,比如天然气和煤炭,通过水蒸气重整得到氢气。另外一个能大规模提供氢的过程是电解水,需要消耗大量的电。光催化也可以分解水得到氢气和氧气,这个过程里面,提供能量的就是光了。此外还有一些其他化学方法制氢、微生物方法制氢等。但总之,必须得有别的东西来为制氢提供能量来源。

在庞青年的造车世界里,“水氢车”不用加油,也不用充电,只需将两个硕大的储水箱加满自来水、河水或海水,就能让一辆卡车跑超过500公里,轿车续航里程更可长达1000公里。而实现这个天马行空的想法,只需要一种神秘的“特殊催化剂”。再加上两个深蓝色的气体过滤瓶,就可以保障氢气纯度高达99.99%。

据清华大学安全与节能国家重点实验室教授卢兰光猜测,这种语焉不详的“特殊催化剂”,很可能是在水中加入的硼氢化钠,但它只是促进水解反应进行,肯定还有另外的能量来源,因为遵照能量守恒定律,“不可能有永动机存在”。

科普作家方玄昌也认为,就目前的信息来看,“水变氢”明显违背热力学的第一定律。他介绍,在制氢过程中,水只是介质,本身是不能产生能量的。催化剂也只是活化介质,终究需要能量。“必须回答一个问题,能量从哪儿来?如果只要加水就可以跑,那就是百分百的骗局。”

氢能产业落地尚需时日

氢能源作为一种清洁能源,具有能量密度大、燃烧热值高、来源广、零污染、零碳排等诸多优点,被广泛誉为21世纪的“终极能源”。

全国乘联会秘书长崔东树表示,中国从20世纪90年代就开始研究氢能源汽车,其原理很简单,即汽车上的罐装氢气通过燃料反应堆产生电能,再靠电能驱动汽车。但目前燃料电池技术尚不成熟,产业化能力较弱,只好采用拿来主义“曲线救国”,从日本或欧洲进口半成品。到2010年,随着纯电动汽车迅速发展,氢能源声势渐弱,直到今年才重新大规模进入公众视线。

崔东树认为,氢燃料电池汽车最大优势在于脱离了碳基能源,有助于避免二氧化碳排放导致的温室效应,对环境影响较小。因此,也有人将氢能称为“终极能源”。另一方面,与动辄半小时以上的充电速度相比,加氢通常只需3到5分钟,十分方便快捷。

换句话说,氢能源汽车从技术上来讲的确是可行的,但让他不解的是,明明可以直接用氢,“为什么要放水?”

崔东树表示,氢能源汽车肯定是未来发展方向之一,但目前企业能否做好还很难判断。卢兰光则认为,氢燃料汽车想实现产业化,还需要相当长的一段时间,最关键的问题在于成本。

卢兰光表示,目前使用最广泛的制氢方式是电解水,转化效率约为70%;将氢气再通过燃料反应堆转化为电能,又会有50%到60%的能量损失。综合来看,转化率最高只有35%左右。这意味着,氢能成本可能是纯电成本的一倍以上。

另据发改委能源研究所的数据显示,目前生产1立方米氢气需要消耗大约5-5.5千瓦时电能,若采用低谷电制氢(电价取0.25元/千瓦时),加上电费以外的固定成本(约0.5元/立方米),则制氢综合成本至少在1.7元/立方米。

因此,电解水制氢迟迟不能普及。发改委能源研究所一位研究人员表示,作为世界第一产氢大国,中国氢气产能超过2000万吨/年,其中,电解水制氢气仅占不到1%。

北京中电丰业技术开发有限公司创始人王德军表示,就大规模可再生能源电解水制氢项目而言,目前尚没有一个项目真正投产。“可再生能源电制氢、储能、再发电、利用是零污染的最理想的氢能源利用方式,但是这个循环还不好实现。”

原因之一是成本问题。一家燃料电池汽车企业高管杨远林(化名)表示,汽车的氢燃料电池系统对氢气品质要求较高,一般需要通过电解水制成。而在电解水制氢成本高企的情况下,企业或难收回成本。

因此,囿于高成本,现阶段更多企业还是选择使用碱性电解水制氢,即在水中加入少量氢氧化钾或氢氧化钠,以提高导电性。“电解过程中原则上不消耗碱性物质,也是清洁的。”王德军补充道。

此外,根据近年来我国氢能源发展的历程和存在的问题可以看到,氢能源大规模落地和市场化运作仍需时日。

新能源汽车行业投资经理卢欣章表示,氢能源前景广阔,但目前制氢成本高达每公升80多元,降至40元左右才可能有一定的市场竞争力。卢兰光表示,成本相对较低的弃风弃光弃水电量只有百分之几,远远难以支撑氢能源汽车发展。

另一方面,氢气的存储、运输技术目前仍不成熟,且成本很高,氢气还被列为运输危险品,建设一个加氢站成本也动辄数百万元。

据中商研究院的《2019中国氢能源汽车行业市场前景研究报告》统计,尽管政府补贴比例高达50%,但由于成本过高且审批流程复杂,中国加氢站目前发展缓慢,共建加氢站9座,其中1座在建,两座拆除,真正运营的只有6座,计划到2020年达到20座。

此外,于德翔表示,氢燃料技术的复杂程度、防护难度等跟燃油发动机一样复杂,目前中国企业还很难做好,70%的燃料电池购自日本。1000瓦的燃料电池成本高达数千元,目前使用最广泛的催化剂铂金每克300多元。燃料电池耐久性也仍有待突破。崔东树也称,目前美国技术水平最高的燃料电池寿命为5000小时,相当于208天。

除了电解水以外,氢气的另一种主要来源是氯碱工业副产氢。但这种氢气杂质太多,目前提纯技术尚不发达。而新能源汽车使用的氢气必须达到99.99%的纯度,不能有杂质,否则会产生一氧化碳、硫化氢等有害化学物质,而且很容易发生爆炸。

从安全角度看,氢能源汽车将氢瓶和燃料电池分开放置,稍微安全一点。但燃点较低的氢气一旦在地下车库等封闭空间中被点燃,很容易发生爆炸,比燃油车更加危险。崔东树说,一个氢气瓶爆炸就相当于一个小型炸弹,杀伤力极大。

“在中国,氢能不可能成为终极方案。”于德翔明确表示,“氢能源不可能成为中国的主流,但可能成为分支。”

新能源汽车依然是未来发展的主要方向

尽管距离氢能源的落地实施还有一段距离,但随着未来汽车低碳化、电动化、智能化发展方向愈加清晰,燃油车退局已成必然。

事实上,新能源也是多元化发展的,包括燃料电池、油电混合、替代燃料和纯电动甚至更多的路径都值得去研究和探索。

今年上海国际车展上,琳琅满目的国产新能源汽车已稳居车展舞台“半壁江山”,中国新能源汽车从品牌、种类、功能和外观等方面不断刷新国人对以往中国制造的传统印象。

工业和信息化部运行监测协调局局长黄利斌说,目前,我国新能源汽车整车和关键零部件均取得长足进步,并已建立起较为完备的新能源汽车发展支持体系。依靠创新驱动,新能源汽车产业链加速提升,市场结构不断优化,消费热情逐步攀升。

“中国新能源汽车正迎来更大规模的市场‘爆发期’。”比亚迪汽车董事长王传福认为,新能源汽车市场的快速发展是中国协同推动高质量发展与生态环境保护的例证之一。

“汽车产业正在进入一百多年来最大的一场变局,因其涉及面之宽、影响范围之广,可以称其为‘汽车革命’。”电动汽车百人会理事长陈清泰认为,汽车电动化是新一轮汽车革命的序幕,汽车绿色化、网联化、智能化和共享化趋势将充分释放未来汽车经济潜力。

与此同时,中国车企也在不断探索氢燃料电池汽车技术。多年前,国内以北汽福田汽车为代表的本土车企已开始自主研发氢燃料电池新能源汽车。目前,福田汽车氢燃料电池客车已经发展到第四代,技术和性能日趋成熟。

北汽福田汽车欧辉客车副总裁秦志东表示,随着氢燃料电池电堆等核心技术的提升、氢气制造成本降低和加氢站的逐步普及,氢燃料电池汽车将在不久的未来进入大众生活。

在市场变局中,“危”和“机”往往同存。中国汽车工业协会原常务副会长董扬表示,中国汽车产业正面临着转型升级,提升科技创新能力、推动高质量发展、深化改革开放、加快绿色发展将成为下一个阶段的产业重点。

“我国新能源汽车能快速发展,以前是政策驱动,现在已经转换为政策和市场的双驱动,这样能够推动实现汽车工业走向高质量发展。”比亚迪汽车销售有限公司总经理赵长江说。

另据黄利斌预测,今年我国新能源汽车产量可能超过150万辆,将通过驱动产学研协同创新、加快充电设施建设等举措推动新能源汽车高质量可持续发展。

业内专家认为,随着新能源汽车技术发展、节能减排政策的引导以及绿色消费理念逐渐深入人心,中国新能源汽车产业将为中国经济发展持续释放绿色新动能。

本文综合整理自新华社、新京报、AI财经社等媒体


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