氫能不是未來能源方向！－－光液之十

摘要：

A． 氫、因其能量密度高，而被人們誤認(rèn)為是最佳的能源載體。氫氣作為車載能源能量密度低于汽油、也低于甲醇、二甲醚。在本文看來氫作為能源載體可有可無。

B． 除地?zé)帷⒑四芡�，人類能利用的能源都是太陽能。在科學(xué)理論、科技發(fā)展達(dá)到一定高度的今天，太陽能的終極利用方案已經(jīng)有條件形成。

關(guān)鍵詞：氫能；能源載體；太陽能終極利用方案。

0 背景說明

能源問題是當(dāng)前人類迫切需要解決的難題。不只是為了解決溫室效應(yīng)，降低能源成本，更重要的是在信息技術(shù)、智能自動(dòng)化制造技術(shù)的幫助下，已經(jīng)具備了解決這一問題的能力。

工業(yè)革命后的兩三百年，所有在能源方面的努力都是為了提升太陽能轉(zhuǎn)為服務(wù)人們生產(chǎn)生活的有用功轉(zhuǎn)換效率和提高能源載體的有效能量密度。以前、所有的研究者都只著眼于單個(gè)環(huán)節(jié)的。如提高光伏發(fā)電效率、提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。未曾將從太陽能到有用功當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)研究。

晶硅、薄膜、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等等光伏技術(shù)，聚光光熱技術(shù)、鋰電池、鋰硫固態(tài)、氟陰離子、氫氧燃料等電池技術(shù)和新能源汽車。研究者投入了巨大成本、大量的人力物力精力。

但是、研究人員未曾認(rèn)識(shí)到一個(gè)可怕的事實(shí)，那就是不管他們多么努力，方向選擇錯(cuò)了。即便他們的電池技術(shù)達(dá)到所有的理論上的最大值。他們研究出來的技術(shù)都會(huì)是曇花一現(xiàn)。

那么什么樣的技術(shù)方向才是正確呢？且看下面分析。

1 氫能？未來能源？你有沒有搞錯(cuò)！

氫能作為一種能源載體，被人誤認(rèn)為是未來的最佳能源。這種錯(cuò)誤的想法源自兩個(gè)事實(shí)，一個(gè)是氫能量密度高達(dá)143MJ／KG，另外一個(gè)氫的燃料電池理論效率高，實(shí)際最高效率已達(dá)到80％。

論據(jù)是正確的，結(jié)論卻錯(cuò)了。氫氣如果是車載能源，將儲(chǔ)罐和氫氣當(dāng)成一個(gè)整體，其能量密度遠(yuǎn)低于汽油、甚至低過甲醇。氫燃料電池的整體效率也不高。

1．1 常見能源載體的能量密度。

我們先看看常見的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)。

A． 高壓儲(chǔ)氫：氫質(zhì)量含量1～5．8wt％，壓力為35／45／70／90MPa，目前已經(jīng)商業(yè)化。對(duì)于氫能汽車中的高壓儲(chǔ)罐，一般有35Mpa和70Mpa兩種，采用碳纖維復(fù)合材料組成鋁內(nèi)膽外面纏繞碳纖維材料。日本通過將減少碳纖維強(qiáng)化樹脂的用量，使重量效率比原來提高了20％，儲(chǔ)氫重量密度達(dá)到了5．7wt％。

B． 液化儲(chǔ)氫：氫質(zhì)量含量＞5wt％，將純氫冷卻至－253℃儲(chǔ)存，超低溫消耗能量大，成本高，優(yōu)勢在于儲(chǔ)氫密度高，多用于航天、軍工領(lǐng)域。

C． 固態(tài)吸附儲(chǔ)氫：氫質(zhì)量含量5．3～9wt％，使用以碳材料為主進(jìn)行物理儲(chǔ)氫，環(huán)境為77k、4MPa，納米碳材料儲(chǔ)氫性能好，還處于實(shí)驗(yàn)階段。

D． 液態(tài)有機(jī)化合物儲(chǔ)氫：氫質(zhì)量含量6～8wt％，常溫常壓，儲(chǔ)氫容量大，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。

E． 金屬氫化物儲(chǔ)氫：氫質(zhì)量含量1．4～3．6wt％，常溫常壓，安全性好，但是儲(chǔ)氫合金存在易粉化、能量衰減和變質(zhì)，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。

F． 自然儲(chǔ)氫：包括水儲(chǔ)氫、甲醇儲(chǔ)氫等。其中，水儲(chǔ)氫的氫質(zhì)量含量為11．1wt％，常溫常壓，能量比度高，成本高，以電解水制氫為主。甲醇儲(chǔ)氫的氫質(zhì)量含量為12．5wt％，常溫常壓，能量密度高，低成本，大規(guī)模甲醇制氫技術(shù)早已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，微型化甲醇制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)突破，商業(yè)化價(jià)值極高。

上面的六種氫儲(chǔ)能方法中，甲醇的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)是最高的了。并且，甲醇利用熱重整、質(zhì)量占比12．5％的氫會(huì)成為氫單質(zhì)。而甲醇的能量密度是20MJ／KG，經(jīng)過熱重整后得到的氫能量必定有損失。

顯然，氫，作為能源載體。考慮儲(chǔ)罐后，其整體能量密度不及汽油一半，也低于甲醇。此外，還要考慮氫能冷卻壓縮灌裝造成的能量損失。氫氣的極度危險(xiǎn)性。

那么氫氧燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高呢？電池發(fā)電環(huán)節(jié)，氫能效率高，并不能彌補(bǔ)整體系統(tǒng)的能量效率。借助“油井－車輪”（WTW）效率理念。本文提出“STS”即solar to service。即太陽能轉(zhuǎn)換為服務(wù)人們生產(chǎn)生活的有用功。STS的效率中，氫能因?yàn)榻?jīng)過了太陽能發(fā)電、電解水、燃料電池轉(zhuǎn)換電能，這個(gè)中間多了一個(gè)氫形態(tài)的變換環(huán)節(jié)。其STS效率也低于光伏、更低于太陽能生產(chǎn)甲醇，甲醇直燃、內(nèi)燃、重整制氫的效率。

由此可見、那些錯(cuò)誤認(rèn)為氫能是終極能源并大規(guī)模投入的人最后可能賠的很慘。

2 什么才是未來能源？

在所有非直接利用太陽能利用方式中太陽能光伏、光熱的效率是最高的，電能、熱能都是服務(wù)人們生產(chǎn)生活的有效形式。基于STS的觀點(diǎn)，未來能源必定是最高效利用太陽能服務(wù)人們生產(chǎn)生活的能源方式。當(dāng)然，作為太陽能在地球上的能量載體，STS的評(píng)價(jià)至少包含經(jīng)濟(jì)價(jià)值、能量密度、系統(tǒng)效率和適用場合等等方面的考慮。

首先太陽能光伏是太陽能利用的方式的最優(yōu)方式，但光伏不能解決儲(chǔ)能問題。

以生物質(zhì)為原料、太陽能為能量來源，利用碳?xì)溲踉�素為熱�?chǔ)能工質(zhì)儲(chǔ)能。并在夜晚發(fā)電，生產(chǎn)甲醇、二甲醚。而在甲醇、二甲醚的使用端。將太陽光聚光產(chǎn)生光熱溫度180～500℃的中低溫太陽能，重整甲醇、二甲醚、水、沼氣等組份，得到氫氣、一氧化碳供給直燃、內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等方式利用。這樣的太陽能利用方式和光伏發(fā)電方式將會(huì)是太陽能的終極利用方式。這種太陽能利用方式簡稱為太陽能利用LY系統(tǒng)。

2．1 LY太陽能利用系統(tǒng)

圖 1 太陽能利用lightyear系統(tǒng)圖示

太陽能利用LY系統(tǒng)所有的技術(shù)目前都有在使用。但不具備經(jīng)濟(jì)競爭力。當(dāng)前技術(shù)技術(shù)發(fā)生了兩個(gè)重大的轉(zhuǎn)變，一個(gè)是太陽能光伏發(fā)電度電成本部分地區(qū)已經(jīng)低于火力發(fā)電、未來將會(huì)在全球大部分地區(qū)平價(jià)上網(wǎng)。另外一個(gè)轉(zhuǎn)變是，新能源汽車的普及，而LY混動(dòng)車這個(gè)幾乎是零成本的發(fā)電平臺(tái)將會(huì)是最佳的新能源汽車路線。新能源汽車即將普及前，將LY混動(dòng)車做成主流。利用汽車的分散，對(duì)應(yīng)太陽能的分散、生物質(zhì)的短距離收集得到了單面面積的能量密度大幅度提升，而經(jīng)濟(jì)成本極低。

隨著太陽能光伏、光熱、和LY混動(dòng)車技術(shù)成熟，效率提高。太陽能LY系統(tǒng)的的光電、光熱轉(zhuǎn)換效率超過40％（理論值），即便實(shí)際只能達(dá)到10％。即便地球表面積的十萬之一的面積被太陽能光伏、光熱有效利用，收集到的太陽能有效服務(wù)人們生產(chǎn)生活的量也超過目前人類利用能源的十倍以上。而生物質(zhì)的收集到的太陽能總量更大。如果生物質(zhì)在LY混動(dòng)車這個(gè)平臺(tái)上得到有效利用，能源問題將從根本上得到解決（概算，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算）。

當(dāng)然，如果LY混動(dòng)車、光伏低成本發(fā)電這兩個(gè)技術(shù)條件無法達(dá)到。太陽能利用LY系統(tǒng)也將無法實(shí)現(xiàn)。一旦LY混動(dòng)車普及、光伏發(fā)電度電成本低于火電，太陽能利用LY系統(tǒng)就自發(fā)形成了。

3 結(jié)論

氫能不是終極能源。太陽能利用LY系統(tǒng)才是終極能源解決方案。