氫能商業化推廣待破局 甲醇如何作“支點”

“截至目前,已有超過三分之一的中央企業制訂包括制氫、儲氫、加氫、用氫等全產業鏈布局,并取得了一批技術研發和示范應用成果。” 在上個月舉行的2021年上半年中央企業經濟運行情況新聞發布會上,國務院國資委秘書長、新聞發言人彭華崗分享的數據引人關注。

顯然,受能源需求日益增長、化石燃料大量消耗與二氧化碳排放總量快速上升等因素的影響,氫能儼然成為未來能源變革的重要組成部分。

統計數據顯示,當前全球氫能發展勢頭十分強勁。在占全球GDP約52%的27個國家中,已有16個國家制定了氫能戰略,其他國家也正在制定中。

作為國家科技應用的排頭兵和經濟發展的晴雨表,汽車產業自然成了氫能與燃料電池最廣闊的試驗場。

尤其是隨著中國“力爭2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和”目標的提出,更是讓氫能成為汽車產業領域最熱門的話題之一,也讓人們對于氫能和燃料電池的發展充滿了期待。

然而,如同多年前初露萌芽的電動汽車一樣,處在剛剛起步階段的氫能和燃料電池產業,仍面臨著諸多技術、法規、公眾認知度等方面的挑戰和困難。

不過,存在未知的能源藍海同樣也充滿了先機。在國內,很多行業機構、企業學校和創業團隊都將目光鎖定在了氫能和燃料電池領域,努力為這一新興產業“添柴加火”。

氫能也有“冰與火之歌”

長期以來,中國在新能源汽車領域大力推進電動化進程,其力度之大世界領先。

數據顯示,2020年,中國汽車市場上純電動汽車保有量超過400萬輛,占新能源汽車總量的81.32%。

然而,純電動汽車產銷快速增長的同時,自身的隱憂也漸漸浮現。“在現有技術下,由于車企對動力電池高密度、長續航的過度追求,引發了一些安全事故。在后市場,動力電池也面臨回收形勢嚴峻,回收體系有待搭建的問題。”汽車行業分析師劉志超如是說。

這樣的情況也給氫能與燃料電池的發展創造了機遇。國際氫能委員會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》顯示,到2050年,氫能源需求將是目前的10倍。預計到2030年,全球燃料電池乘用車年銷量將達到1000萬輛至1500萬輛。

在同濟大學汽車學院教授余卓看來,碳中和目標已形成全球共識,很多國家都確定了明確的時間節點。氫能在交通領域的發展正在穩步推進,尤其在重型卡車等領域,燃料電池汽車將為成為一個重要的技術路線被采用。

“與此同時,各地陸續發布的‘十四五規劃’更是將氫能發展置于重要位置,中國氫能產業雖發展晚于歐美日韓,但發展速度迅猛,尤其在產業鏈布局方面已逐漸趕超西方國家。”余卓直言。

盡管氫能源與燃料電池發展的前景光明,但是中國燃料電池汽車產業仍面臨核心技術和關鍵零部件缺失、企業創新能力不強、加氫設施建設難等突出問題。

“例如碳紙、空壓機、氫氣循環泵、儲氫系統瓶口閥等關鍵制氫的材料和部件,中國目前總體上都還依賴進口。”同濟大學新能源汽車工程中心副主任、燃料電池復合電源研究所所長張存滿直言。

此外,由于在儲運過程中極易發生泄漏,安全和經濟是氫氣的儲存和運輸中不可忽視的問題。當前國內企業采用較多的儲運技術是高壓儲氫技術,存在壓力風險與充裝風險。

“因此,要加快輕質、耐壓、高儲氫密度、高安全的新型儲罐的研發工作,完善化學儲氫技術中相關儲氫機理,提高各類儲氫技術的效率。” 張存滿建議說。

“通常,人們往往片面地將‘新能源汽車’等同于‘電動汽車’。”劉志超表示,“事實上,我國新能源汽車技術路線應是多元的,如高效內燃機及混合動力、清潔替代燃料、純電驅動、氫燃料電池等。走出一條符合國情,真正高效、低碳、環保并且經濟的技術路線,才是發展的關鍵。”

中國科學院院士丁仲禮曾表示,在推進“碳中和”進程時,需要在能源結構、能源消費、人為固碳“三端發力”。他建議國家有關部門在確定路線圖時,留有一段“百家爭鳴”時期,不要急于“收口”,不要急于強力推進。

其中,以甲醇為主要成分的制氫、生產燃料電池的路線,被不少行業專家學者認為是我國氫能和燃料電池發展的另一突破口。

“甲醇來源廣泛,生產原料主要是煤炭、焦爐氣和天然氣等,甚至二氧化碳也可收集再生甲醇,從而實現資源的循環利用。而我國的能源結構特點是‘缺油、少氣、富煤’,巨大的煤炭蘊藏量可以充分保障甲醇的獲取,并且我國開采的煤炭中高硫煤占40%以上。”劉志超介紹說。

因此,利用可再生能源制氫,與二氧化碳一起制備綠色甲醇提供車用,是汽車行業對實現“雙碳”目標最有效的途徑之一。

“找到一種不依賴加氫站的燃料電池技術”

氫能是一種來源廣泛、綠色清潔、靈活高效、應用場景豐富的二次能源,被譽為未來能源架構的核心。

燃料電池是高效的氫電轉化反應裝置,轉化效率高,可真正實現綠色環保。但與此同時,加氫、用氫的安全一直是行業重點關注的話題,任何一次加氫站爆炸事故,都必將引發行業對于氫安全的擔憂。

年陸續發生在瑞典和美國的加氫站爆炸事故,讓人們認識到氫氣的威力和動能。正因為如此,氫氣基礎設施的安全技術門檻及建設要求持續推高。即使國產化設備的快速深入,一座45MPa氫氣加注站的投資成本依然會超過1500萬-2000萬元(不含土地成本)。

面對如此高成本的投資費用,以及漫長的投資回報周期,雖然部分地方政府給予相應的財政建設補貼,一些對氫能有興趣的投資方還是望而卻步,這無疑制約著氫能和燃料電池的推廣普及。

是否存在一種不依賴加氫站的燃料電池技術?對于這個問題,常州創氫能源科技有限公司創始人李磊博士與聯合創始人兼總經理劉邐從創業之初就一直思考著。

“最終,我們決定不選用高純氫作為燃料,而是選擇更便捷、易得的液態碳氫類液態溶液,首選甲醇。”李磊介紹說,“甲醇來源豐富且多元化,既可以來自傳統化工行業,也可以通過可再生能源制備獲得。同時,甲醇是非常理想的儲氫載體,1L甲醇與水反應可以獲得143g氫氣。現有氫氣儲存技術,要么壓縮,要么冷凝。即使是冷凝為液氫(72g/L),也遠低于甲醇產氫量。”

與此同時,甲醇的高穩定和安全也是我們的核心關注點。“甲醇和乙醇能非常相似,現在很多火鍋店使用‘酒精塊’即以乙醇為原料。由此可以類比,55%甲醇水溶液作為燃料的使用安全。”劉邐補充。

再者,甲醇重整制氫反應溫度約200-300攝氏度,相對于其他燃料重整制氫路線而言,反應更加快捷與溫和。創氫能源通過高溫質子交換膜燃料電池技術的有效結合,順利實現氫能的“即制即用”,無需分離與純化過程,粗氫直接進入高溫電堆,由化學能直接轉化電能。

更重要的是,甲醇在常溫常壓下是液體,利于儲運。在未來市場推廣過程中,無需另行建設加氫站,而是可以依托于現有加油站進行簡單的改造和升級,將其變為兼具加注汽柴油和甲醇水溶液的聯合加注站。

2012年,工信部先后在山西、陜西、上海、甘肅和貴州等5省份10市組織開展甲醇汽車試點運營推廣。2019年工信部提出《八部門關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》,明確提及甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產品。與之同步,國家及地區推動著甲醇制、儲、運、加注的產業鏈持續健全與完善。

“據了解,新建甲醇加注站的成本約100萬-300萬元(不含土地成本),而加油站改建為甲醇加注站的成本更低,大概50萬-80萬元/座。”劉邐介紹說,“相較于高安全技術門檻及高投入成本的加氫站而言,甲醇加注站的可行和可推廣更強。”

“目前行業內廣泛采用是低溫質子交換膜燃料電池技術,其燃料必須是高純氫氣,要求雜質如CO等含量極低,甚至5-10ppm以下。”李磊介紹說,“我們創氫公司是選擇專注高溫質子交換膜燃料電池關鍵技術的持續研發及國產化,其最大優勢是抗毒化能力強,CO耐受可達到10000-20000ppm,因此才能實現在線制氫技術的耦合匹配。”

幾年,國內有不少企業進行高溫質子交換膜燃料電池技術的探索,但受制于關鍵技術——高溫質子交換膜燃料電池電堆及系統集成控制,更多專注在聯合國外企業如Serenergy公司及技術產品,面向應用端的推廣。這也是高溫甲醇重整燃料電池擁有一定市場認知度,但缺乏市場占有率的根本原因。”劉邐回憶說。

這樣的合作方式導致國內企業無法接觸真正核心技術,直到如李磊團隊這樣的“研發生力軍”出現,這樣“技術一邊倒”的情況才逐步打破。

據李磊回憶,早在2003年留學歐洲期間,他就關注到高溫質子交換膜燃料電池技術,對于其核心關鍵材料如高溫質子交換膜等進行深入研究與執著探索,并帶著相關科研成果回國進行持續鉆研。

“回國后,我們在關鍵技術研發過程中,遇到很多階段難題,如關鍵材料、電堆組裝、系統集成測試等。但非常有幸,我們擁有一群共同愿景的研發團隊伙伴以及獲得英國拉夫堡大學的全力技術支持,這些困難逐步一一攻克。”李磊自豪地說道。

談及這些看似輕描淡寫的挑戰與困難,李磊笑著說,“我們很幸運”。事實上,也正是憑借著堅忍不拔的研發精神和毅力,才讓創氫核心團隊能打破技術壟斷,掌握核心技術。

據劉邐介紹,目前,常州創氫能源科技有限公司已經掌握包括高溫質子交換膜電池電堆、高溫甲醇重整燃料電池系統集成等多項核心關鍵技術,成為國內細分領域的領軍企業之一。

“我們公司自主研發制造5kW高溫甲醇重整燃料電池發電模塊,在6月正式落地面向市場推廣,已有幾家意向客戶正在對接。同時,創氫能源有幸獲得常州市第15批龍城英才企業認定。在此,非常感謝當地政府給予我們團隊及項目的充分認可。”劉邐說。

按照創氫能源的細分市場規劃,以甲醇為載體的氫燃料電池技術不僅有望在汽車領域應用推廣,在包括船舶領域、工程機械、農業裝備等領域,也將會有很大的發展空間。

“氫能和燃料電池未來發展前景是毋庸置疑的,國家層面和地方政府的利好政策,也讓我們充滿了干勁。”劉邐說,“如今國內發展氛圍很好,陸續形成集群和規模,這些都將助力整個氫能及燃料電池行業駛入‘快車道’。”

“氫能涉足產業鏈非常長,如同鋰電行業一樣,擁有不同應用場景且差異化的優秀技術路線,主流包括質子交換膜燃料電池(亦分為高溫和低溫路線)、固體氧化物燃料電池等踐行者,我們都在持續耕耘。”劉邐表示,無論是“從0到1”,還是“從1到10”,都需要在漫長的科研工作中一步一個腳印。

李磊和劉邐都相信,隨著氫能和燃料電池技術的發展,未來的氫能將逐步推動中國能源消費結構從傳統化石燃料向低碳燃料轉變。展望未來10年甚至20年,中國將有望進入氫能社會,這將對能源體系、國民經濟、個人與社會生活產生巨大影響。

中青報·中青網記者 張真齊 來源:中國青年報