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氢能商业化之路:除了昂贵的燃料电池车,还能干什么?

图片来源@视觉中国

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云微资讯注:本文来自界面新闻,作者 | 钱伯彦,编辑 | 张慧,云微资讯经授权发布。

像水一样平凡,像造物主一样伟大。

近代化学之父拉瓦锡在发现这个宇宙丰度第一的元素后,以古希腊语的水和创造者为词根,将这个一号元素命名为氢。

除了遥不可及的可控核聚变技术外,当下概念大热的氢能,是否担得起拉瓦锡两百年前的期望?

西门子集团CEO凯飒(Joe Kaeser)对此深信不疑。氢能替代火力发电的腾笼换鸟,是他的答案。

7月15日,西门子宣布将在德国边境小城格尔利茨(Görlitz)投资3000万欧元新建氢能创新园。就在一年前,凯飒宣布关闭当地燃气轮机工厂,引发了大规模抗议游行。

氢能商业化之路:除了昂贵的燃料电池车,还能干什么?

西门子CEO凯飒和萨克森州州长Kretschmer宣布将建立氢能创新园。身后是几乎被抛弃的燃气轮机。图源:路透社

看好氢能发展的不仅仅是凯飒。氢能概念在一年之内火遍全球。

今年1月17日,韩国政府发布了《氢能经济发展路线图》;3月,中国将“推动加氢等设施建设”首次写入《政府工作报告》,国内的氢能产业园、小镇遍地开花;6月15日,在日本长野县召开的G20能源与环境部长级会议,确立了“日美欧氢能经济同盟”。

内需下的内虚:叫好不叫座

“大干快上”的背后是冷冰冰的数据——至少在市场最为广大的乘用车领域 ,燃料电池车的商业化之路并不顺利。

中汽协的统计数据显示,今年1-5月,全国燃料电池汽车销量同比增长近18倍,但只有1264辆。去年全年的燃料电池汽车销量仅为833辆。相比之下,2018年全国新能源汽车销量为125.6万辆,差距为三个数量级。

放眼全球,燃料电池车同样叫好不叫座。据美国能源部数据,截至2018年,全美燃料电池汽车累计销量6500辆,2018年销量为2368辆,同时期全美的电动车销量则为112.6万辆,差距同样是三个数量级。即便是大力投资氢能和燃料电池技术的日本,截至2018年底,日本燃料电池汽车累计销量也仅为2800余辆。

一直以来,燃料电池大规模商业化之路受到两大致命缺陷的掣肘。

一方面,无论是天然气重整制氢还是水电解制氢,效率都仅在70%区间内。以乘用车为例,电动汽车行驶100公里需耗费15-25kWh的电能,燃料电池汽车则需要约1公斤氢气,制取这些氢气需要40kWh的电力。在批评者看来,此举与通过“造桥-拆桥-再造桥”来拉动GDP一样毫无意义。

另一方面,燃料电池需要昂贵的催化剂铂,加上高企的上游制氢成本,及比充电桩更加稀少的加氢站,使燃料电池汽车的生产和运营成本居高不下。

2014年,丰田推出全球唯一一款量产燃料电池汽车Mirai(未来),其在美国已取得累计3700辆的不俗销量。但其中八成销量集中于不惜成本建设了30余座加氢站的加利福尼亚州。

Mirai的成功经验能否推广至目前仅有25座在运加氢站的中国?或是在运加氢站低于20座的法国、英国、韩国?这很难不令人产生疑问。

燃料电池技术还面临着最大的对手——成本持续降低的动力电池技术。

“在全社会脱碳问题上,我们需要全局观,但政府更愿意相信电池技术。”丰田燃料电池项目负责人广濑胜彦教授(Katsuhiko Hirose)在G20部长会议上也承认,电动汽车在产业化道路上得到了政府机构更多的垂青。

动力电池所不能:燃料电池机遇所在

2016年,戴姆勒公布了全世界第一款纯电动卡车eActros。它明显暴露出动力电池的两大缺点:寿命和重量。续航里程只有200公里,仅能运营于170公里固定线路之间,相比柴油版本的Actros,载重量缩水近半。

以锂电池1000次循环为例,电动汽车保证20万-30万公里的总行驶里程并不困难。这个数字对于城市交通或许足够,却难以胜任连轴转、百万公里级别的商用车领域。加上电动卡车上重达数吨的电池挤占了载货重量,很少有物流企业对其商业化产生兴趣。

动力电池所不能的,却是燃料电池之所长。

相对原子质量为1的氢元素在轻量化上具有得天独厚的优势,没有活动部件、工况稳定的特点,又使燃料电池的寿命长于动力电池。

6月17日,德国尤里希(Jülich)研究中心宣布了一项新纪录,其高温燃料电池已在700度高温下连续运行了十万小时,相当于十一年的寿命。

正因如此,在部分对耐用性及轻量化要求严格的商用领域,燃料电池已展现出特有的优势。

丰田代号为Project Portal的燃料电池卡车已在南加州的长滩港和洛杉矶港运营了两年有余。将两具丰田Mirai的燃料电池单元进行叠加后,该型燃料电池卡车获得了670匹马力及320公里的续航里程。G20峰会时,日本人特意将其运回长野,作为日本氢能战略的最好写照向世界展示。

今年4月16日,美国公司Nikola Motors和德国博世集团合作研发的Nikola Two Alpha也正式面世。1000匹马力以及1600公里的续航,即便是特斯拉推出的首款电动卡车Semi,也难以匹敌。

如果说在商用车领域,燃料电池技术和动力电池仍处于同一起跑线,在轨道交通领域,只有燃料电池方案能够替代在非电气化铁路线上运行的柴油机车了。

2018年7月12日,法国阿尔斯通研发的全球首款氢燃料电池列车Coradia iLint正式取得欧盟颁发的许可证。该年9月,德国下萨克森州的铁路运营商LNVG宣布,向阿尔斯通订购两辆列车进行试运营,并保留追加12列的权力。

今年5月21日,德国区域铁路运营商RMV也宣布,以5亿欧元的价格向阿尔斯通采购27辆Coradia iLint。目前,首批两辆燃料电池列车已累计运营了万余公里。

尽管燃料电池列车的采购和运营成本仍比内燃机列车高约四成,但随着排放要求的愈发严格、制氢成本的下降及部分铁路线电气化的不可操作性,燃料电池技术成为铁路领域冉冉升起的新星。

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Coradia iLint。图源:阿尔斯通

比轨道交通更巨型化的是什么?答案是海运。

与车用汽油机相比,燃烧柴油甚至重油的船用发动机更是环境杀手。此前常年被忽视的海运业,渐渐感受到了环保政策的压力。

包括悉尼、阿姆斯特丹以及汉堡在内的多个港口城市,已将目标锁定在了定期停泊在市区的巨型邮轮。以汉堡港为例,汉堡市区三个可供邮轮停靠的码头中,仅有一个能够向邮轮提供电力。大多数情况下,为了保证船用电子设施及娱乐设施的持续运转,船用发动机在港口停泊时也不会完全停转。

据德国环保协会NABU计算,全球15艘最大邮轮的硫化物总排放量,相当于7.6亿辆乘用车。

和对载重量敏感的商用车主一样,船东们也不愿意随船搭载可能数千吨重的动力电池。他们将目光锁定在了燃料电池技术。

2016年起,蒂森克虏伯船舶系统公司(ThyssenKrupp Marine Systems)与迈尔造船公司(Meyer Werft)投入了5000万欧元,合作研发名为e4ships的船用燃料电池技术。

目前,两家合作生产的30kW级别的燃料电池,已装在往返于赫尔辛基和斯德哥尔摩之间的MS Mariella号船上,稳定地运行两年有余。两家公司预计,该技术可在两至三年内大规模推广。

不过,燃料电池千瓦级别的功率,目前只能负责给船用电子设施供电。面对100MW级别的船用推进系统,燃料电池显然仍不够强大——至少两年内如此。

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MS Mariella号上的燃料电池已能够供应船用电子设备的部分供电。图源:Viking Line

HySeas III,这艘计划2021年起往返于苏格兰奥克尼(Orkney)群岛之间的渡轮,将成为船用燃料电池技术的里程碑。这是一艘额定载客量为120人和18辆机动车的公海渡轮。

由瑞士ABB集团和加拿大巴拉德公司牵头组建的校企联盟,已将燃料电池功率提升至MW级别,这使该渡轮的纯电动化成为可能。HySeas III的另一个亮点在于,受限于电网的并网容量,当地制氢所需的所有电力皆来自多余的风电以及潮汐发电。

钢铁行业的救星?

不仅仅是轨道交通和船用推进系统,燃料电池应用的名单远不止于此。

德国航空航天中心(DLR)研发的首架燃料电池四座客机HY4、丰田和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作的燃料电池月球车、弗劳恩霍夫研究所研制的燃料电池自行车LiteFCBike、U212潜艇上基于燃料电池技术的AIP系统……几乎所有交通工具上都出现了燃料电池的身影。

但燃料电池并不是氢能应用的唯一代表。氢能的下一个大客户或许是钢铁行业。

在《京都协议书》框架下,欧盟计划2050年前实现碳排放比1990年降低80%的目标。能源行业可以依赖可再生能源,交通领域寄希望于电动化技术,钢铁企业在炼铁过程的碳排放却难以规避。

不论是使用焦炭的传统高炉法,还是使用天然气的直接还原法,目前主流炼铁过程本质上仍基于碳或碳氢化合物的还原剂与铁矿石中氧元素的反应。作为副产物的二氧化碳,一定会出现在化学反应式的右侧。

这些温室气体不仅阻扰欧盟的减排目标,还推高了欧洲钢铁企业的运营成本。

仅以德国为例,根据德国钢铁行业协会的数据,若保持目前的碳排放量不变,到2030年,德国钢企将额外支出35亿欧元用于购买碳排放许可证。

为了从根本上杜绝碳排放问题,绝佳还原剂氢气成为了欧洲人的救星,因为它的最终反应产物仅为水。

氢能炼铁的先驱者是全球首个试点项目HYBRIT(Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology)。该项目位于瑞典北部城镇吕勒奥(Luleå),由瑞典钢铁公司(SSAB)及瑞典最大能源供应商大瀑布公司(Vattenfall)投资1.5亿欧元建设。

在该项目经过改进的工艺流程中,直接还原法中广泛使用的天然气被氢气替代,氢气将直接与球团矿进行还原反应并得到直接还原铁(即海绵铁)和副产物的水。

如果在后续工艺过程中使用依托可再生能源的电炉炼钢,理论上,整个冶炼过程的碳排放将降低95%以上。

该过程中消耗巨大的氢气,其制备、储存、运输及供给均由大瀑布公司负责。目前,大瀑布公司给出的制氢方案是基于多余风光发电的水解法。

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HYBRIT项目流程图。图源:Vattenfall

为了测试氢气在直接还原炉中反应的稳定性,瑞典钢铁公司计划,2021年起首先使用天然气、氢气混合气进行还原反应,并逐步提高氢气比例直至完全氢能化。

这一开始于2016年的项目,计划2025年示范运行,2035年实现商业运营。届时,瑞典全国的碳排放量有望因此降低10%。

瑞典钢铁公司的创新之举,迅速引爆了包括全球第一大钢企安赛乐米塔尔,以及蒂森克虏伯、萨尔茨吉特(Salzgitter)及奥钢联(Voestalpine)等钢企对氢能的研究。

各家钢企的冶炼过程均选择了直接还原与电炉炼钢的组合,但在如何确保氢气供给的问题上,各家做出了不同的尝试。

不同于瑞典钢铁公司和奥钢联求助于本国的电力供应商,蒂森克虏伯选择与法国液化空气集团(Air Liquide)进行合作,后者在制氢、运输、储存以及运营加氢站等环节上有丰富技术积累。

安赛乐米塔尔和萨尔茨吉特选择自力更生。前者将目光投向了本公司汉堡工厂生产过程中副产高炉气中的氢气;后者则计划自行建造功率达720kW的高温电解制氢设备。

(界面新闻记者彭强对本文亦有贡献)

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