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刘科院士:氢能发展的核心是储运

来源:产业观察者 编辑:秘书处 时间:2022年11月09日 18:11

             

               01氢能热潮起起落落,产业化条件日趋成熟
    

      氢不是一个新东西,这个世界所有的能源就是碳氢平衡,人类追求的就是从高碳低氢的能源向低碳富氢的能源转换的过程,从分子式结构看,煤炭中一个碳对应0.6个氢,石油1个碳对应1.5个氢,汽油1个碳对应2个氢,天然气1个碳对应4个氢,到氢气碳就是零了。我们知道的煤化工、石油化工大多都是加氢工艺,比如煤制油就是将一个碳0.6个氢变成2个氢,就是要加氢进去;炼油过程就是把1个碳1.5个氢变成一个碳两个氢;合成氨化肥的基本原料就是氢气加氮气。对氢能的应用也是由来已久,目前我国3300万吨的氢基本上就是通过煤化工、石油化工、合成氨来制成的。氢根本就不是新东西,70年代每个县都有煤制氢装置,因为你制不了氢就没法制化肥。目前我国3300万吨氢产能只是中间体,石化厂副产氢远远少于3000万吨,我们全中国的石油耗量是5.7亿吨,煤炭耗量是38-39亿吨,按热值来看3000万吨也是杯水车薪,更重要的是3000万吨氢去造化肥了2000多万吨,国内每年差不多有9000万吨的煤制甲醇,而这个煤制甲醇第一步就是煤制氢。从历史上看,燃料电池1839年就发明了,而氢能技术应用最早是上世纪60年代阿波罗登月时,宇航员带着液氢液氧上天,在宇宙飞船里,氢气和氧气通过电化学的方式来发电,供宇宙飞船动力应用,产生的水给宇航员喝。这就是燃料电池和氢能最早的应用。燃料电池是很好的技术,燃料电池是氢气和空气中的氧在80度下发电,人类社会迄今所有动力都是靠燃烧,不管烧煤、烧油、烧天然气,燃烧都是在1000多度产生动力,而大气温度只有20多度,那就有1000多度的温差,所以火电厂烧煤最高的效率就40%,因为60%的热都散到大气里面了,电可以从几千公里输送过来,但热输不过来。但是燃料电池80度发电,与空气温差小,散热就少,所以燃料电池效率就是内燃机的2-3倍,这是人类追求氢能的最根本的科学道理。近几十年来,因为能源资源的瓶颈,氢能替代的尝试一直没有停止,而氢能的浪潮在全世界已经走到第四轮了,氢能在二战后热过一轮,上世纪80年代热过一轮,2008年热过一轮,现在是第四轮。因为风能和太阳能成本下降,在“碳中和”的背景下,氢能热潮再一次兴起。氢气之所以热是因为两个原因,第一个是因为燃料电池效率高,而且燃料电池技术前景无限;第二是因为中国建了大量的风能和太阳能,可再生能源便宜了,而且很多风能太阳能上不了网,浪费了,就把它电解水制氢。

 

02经济转型压力巨大,“碳中和”可释放天量规模

“碳中和”是一个天量的数字,103亿吨二氧化碳除以14亿人口,人均7.4吨/年,一个三口之家排放二氧化碳就是22吨/年,家里的产品你买什么东西22吨能消耗得了?没有!我们每天用电、开车排放二氧化碳没有感觉。而且这个数据是全中国的平均,像深圳这样的城市远远高于全国平均,14亿人口还包括了6亿低收入的人群,既不用空调也不开车的人,二氧化碳的量是巨大的,能源工业是天量的工业,要实现碳中和,这块的投入是很大的,有新的产业进来就会有新的经济增长点在后面。中国前二十年主要靠房地产和基础设施,也就是钢筋水泥,这个产业在前40年中国经济增长立下了汗马功劳,我们必须承认房地产对中国经济的贡献,因为它带动了100多个行业。但是到今天,数据表明:中国占全世界20%的人口已经建了将近全世界50%的房子,如果现在继续靠房地产刺激经济,全中国一到晚上我经常观察各个城市的亮灯率并不高,要继续靠房地产、靠基础设施、靠钢筋水泥拉动经济可能对未来经济和子孙后代就不一定是好事了,因为我们搞基础建设就是钢筋水泥,铁矿石进口,地下的煤挖出来,如果建那么多楼都空着再继续为了拉动经济去做就没什么意义了。房地产这么大的产业缓下来总得有其他产业补上去,房地产加基础设施可能占了中国GDP的近40%,要停下来那么多人的就业怎样解决?经济怎么办?最好是房地产和基础建设缓慢下降,其他的产业缓慢上升,但是其他有什么行业能够支撑房地产和基础建设这么大的体量呢?光靠互联网、互联网游戏、生物医药都扛不起来,只有靠能源的转型这个巨大的空间才有可能把房地产缓下来的这块填补上去。所以比较理想的状态就是房地产慢慢降下来,同时把碳中和工业慢慢发展起来,这样用碳中和增长把房地产的缺口补上去,而且还有经济增长,这对经济的转型和经济发展至关重要。而且对未来防止气候变化,实现人类命运共同体做一个负责人的大国,就像总书记讲的绿水青山就是金山银山,让后代生活得更好,这都是好事,所以碳中和不仅仅是减碳的事情,“碳中和”涉及到下一步中国经济转型是否能够成功。
    

 03能源替代推动“碳中和”,稳定供给还需“长期储能”
    

我们现在之所以可以提“碳中和”,是因为风能太阳能比较便宜了,可以用它们来取代煤炭石油天然气等化石燃料,但是一个最大的挑战就是风能和太阳能都是不稳定的,一年365天8760小时,在深圳的太阳能有效时间发电可能超不过1300小时,大概1000小时,浙江就1000小时,内蒙包头也就一年1700小时。也就是说在一年8760小时中绝大部分的区域太阳能发电是超不过1700小时的,中国最丰富的地区也就1700-1800小时,问题是其他时间将近7000小时没有太阳能没有风该怎么办?这就得靠储能。但现在所有的储能技术如电池、抽水蓄能或压缩空气都是短期储能。问题是绝大部分的时间是没有太阳能的,只有1/6、1/7的时间有太阳,储能只能几个小时,但一天24小时都要供电,所以这是最大的挑战,而且现在即使储水、储电或压缩空气储电或电池储电,抽水储能上去几个小时水就流完了,压缩空气要有岩洞也是几个小时就完了,电池储电一般就4个小时,都是一些短期储能的技术,不解决长期储能的问题,所以,现在说把火电取消掉还需要谨慎。目前看不到有关长期储能技术的问题讨论,只有我们在说把太阳能风电制成绿色甲醇才能够长期储存,统计来讲风和太阳能总是足够的,问题是如何将风能和太阳能储下来而且大规模储下来,就只能是将风能太阳能转换成为液体,液体用大罐储下来,等到没有风没有太阳能的时候我们拿液体来发电,把长期储能技术和短期储能技术结合,这样才有可能碳中和。但这一块大家研究得太少,所以这是一个巨大的挑战。光靠电池,几个小时可以,一旦遇上连阴雨,电池能够靠得住吗?大自然的好处是可再生,不好的地方是不可预测。就像去年夏天和今年夏天,我国水电的地方主要在南方,结果去年和今年夏天南方都不下雨,而北方太原、郑州、陕西平时雨水不多的地方,这两年下雨,而武汉、三峡的长江都快干了,如何解决可再生能源的不可预测性是“碳中和”遇到的最大挑战。有挑战就有机会,风和太阳能便宜了,怎样解决不可预测性就是要同时研发短期储能技术和长期储能技术。光靠电池短期储能是无法解决未来碳中和问题的,这就有大量的创新机会和新技术的产生。

 

04氢能发展的核心是储运,液体运输可以成就规模应用

但是,氢能规模化应用的核心是,氢气在这个世界上很难储运的,有了燃料电池怎样把氢运过去,制氢把氧排空了从西边拉过来,这个图画看起来很美妙,但事实上做不到。因为氢气除非拿管线否则卡车是很难输送的,一辆49吨的车只能拉350公斤氢气,因为氢气要在200大气压或者350大气压高压,钢瓶容器很重,而且只能卸载250公斤,不能卸空,必须装100公斤来回跑。从西部制完氢就算电不要钱拉到东部路上花的有钱的能耗、污染比拉的氢气产生的能量还要高。所以氢能的核心是要解决氢气的储运问题,储运问题不解决氢能不可能大发展。对储运提出两个观点:第一绿色甲醇液体来输送氢气,另外一个就是通过绿氨。绿氨有异味,在对气味不敏感的矿山、露天,人烟比较稀少的地方是没有问题的;绿氨在人群密集的地方是比较危险的,一是如果泄漏气味刺鼻,另外它也有10个大气压的压力(汽车轮胎才6个大气压),一旦泄漏氨是有毒,人跑不了就毒死了。对城市中心气味比较敏感的地方而且要进地下车库的就用绿色甲醇作为氢的载体。甲醇输运完了随时制氢,甲醇和水反应可以制氢,甲醇本身就是氢制成的,制甲醇首先要制氢,再加一氧化碳就可以制成甲醇;然后甲醇和水反应,可以释放氢。很多人不知道一升甲醇可以放出来143克的氢,但如果把氢气冷凝成液体,一升只有72克氢气,而且冷凝的温度是-253度,-253度绝对冷凝是不可能的,要把温度降到-253度能耗很高,所以液氢在特殊情况可以,但绝大多数情况冷凝的能耗太高,所以必须用常温常压的液态载体氢储运才能够解决氢气的痛点,解决氢气供应的解决方案,不然做不大。
    现在小范围在露天试点用高压气体是没有问题,但未来所有的重卡都要用燃料电池这个高效系统的话,首先要解决氢气的储运问题,核心就是一点,氢气的储运不能用氢本身,是要把氢转换成一种载体,要么用绿色甲醇或绿氨。
       

05推广船舶改用“绿色甲醇”,试点粤港澳大湾区

 

先普及一点常识:世界上船用油是污染最大的,船用油是炼油厂最脏的油,平时我们开的汽车国五、国六的标准排放10个PPM的硫,而船动力的排放是2万甚至5万PPM的硫,烧一辆船油放出的硫氧化物可能是几万辆车放出的硫氧化物,不能把路上的汽车卡得那么紧船还是烧那么脏的油。全世界很多发达城市都是港口城市,欧洲现在很多船公司开始改动力,烧什么呢?用太阳能风能加上一些碳源制成绿色的甲醇,酒精是乙醇,跟酒精比较相近的甲醇,可以用太阳能、风能结合生物质、垃圾或者劣质煤制出一种比较便宜的燃料。
第一它燃烧起来跟酒精差不多;第二,可以用太阳能和风能来制取就不用排放二氧化碳了,就可以实现碳中和了。现在我们在做的实验就是拿太阳能、风能再结合一点劣质煤、生物质、或城市垃圾,把这个燃料制出来,同时在研究烧甲醇的发电机或者是发动机。今后在船上跟广船国际合作,把一些从深圳到香港、深圳到澳门、或者大湾区内的九个城市中小船上那些肮脏的柴油改成干净的甲醇。其实今天的风能太阳能便宜下来后,甲醇燃料不但干净,而且从等热值上也比今天的柴油便宜。进口70美金-100美金/桶的原油制成柴油反而更贵。这个大有潜力,随着“碳中和”的到来,我们自己做的一个项目将来是充满信心的,但是传统的炼油厂不进行革命是没有办法的,要把这些肮脏的油搞干净成本会很高,所以需要换赛道,通过创新,用太阳能和海上风能结合一些生物质、城市垃圾和劣质煤,太阳能风能电解水制氢、制氧,氧再把一个碳,结合生物质、城市垃圾,或者把劣质煤气化成氧化碳,两摩尔氢气加一摩尔二氧化碳就是一个绿色甲醇。
    有了这个液体,首先不用缴碳税了,其次比柴油便宜,而且比柴油干净。如果全世界所有的船都烧绿色的甲醇,第一可以降低所有港口城市的污染,第二可以对碳中和有很大的贡献,因为现在烧一吨柴油要排放3.5吨二氧化碳,大型的船只都是油老虎,每天都要烧很多的油排放大量的二氧化碳。像这种技术可以在大湾区做,做好了到全世界推广,我们有信心在这个领域走在世界前列。其实这个领域的竞争已经开始了,欧洲的最大船公司已经签订26条远洋货轮烧甲醇来取代脏的柴油的订单,这一块我们如果不抓紧也可能会落到别人的后面。这个领域是全球竞争,但我们还是有一定的优势,我们希望把这块做好,至少在中国先开始在内河的船、长江的船、珠江的船和靠近大湾区周围跑的船先做好,然后再上升到万吨货轮,为全世界船舶的污染的减排和碳中和作出贡献。
而且我们也不必要再去依赖中东的石油来解决我们的能源问题,而是用我们中国的便宜的风能太阳能来解决能源问题,这就是其中的一个创新创业的案例。
      

 

 

06“资本向善”投向绿色经济,跟踪热点切忌专业不精

“绿色金融”是一个非常好的概念,从银行行长、政府政策都希望“资本向善”,资本能够促进对人类生存环境的改善、降低碳排放、避免气候变暖,对人类发展有积极贡献,就像各个企业重视ESG,所以现在资本都希望投资一些绿色的产业。我想投资界的人还是要跟这些做能源的多交流,因为隔行隔山,不能说看了几篇文章就说这个是方向,那个是方向,资本往往喜欢炒题材,我觉得炒作越少越好,能源的问题恰恰又是一个非常复杂的系统工程,能源也是一个非常宽泛的领域。

 

“碳中和”形势下,绿色金融有很多的机会,但也有很多的陷阱和误区,能源这个行业如果投不好,几百亿打水漂可能连泡都不冒。这么多年我见证包括发达国家几次大的热潮,一会儿这个热几年,一会儿那个又热几年,最后真正在能源领域有成功的案例,但也有很多非常沉痛的失败案例,砸了几百亿连水花都不冒的案例也有。我在几个不同能源领域的公司都工作过。在美国拿到博士学位后,第一份工作就是加入当时全球最大的石油公司埃克森,后来埃克森与美国第二大的石油公司美孚合并成埃克森美孚,成为巨无霸的石油公司,我在石油公司工作了很长时间,对石油天然气有一个学习过程。
到上世纪90年代末,2000年左右,美国的氢能很热,比中国今天的氢能更热,当时机电巨头道琼斯指数公司联合技术、欧洲最大石油公司壳牌和尼桑合资搞一家氢能公司,我被猎头公司挖到壳牌,与壳牌中国的CEO搭班子一起搞氢能。当时阿波罗登月就是我在美国的老板带着团队一起做的,后来这个团队归到联合技术,普惠飞机发动机、奥的斯电梯、凯雷空调、西科斯基直升机都是联合技术下的子公司,这段时间我对氢能有所学习。后来GE因为有个有趣的现象,2004年、2005年美国当时天然气价格暴涨,突然觉得这个世界没有天然气了,卖燃气轮机的企业怎么办?就搞零污染火电厂,因为我在美国制氢领域还有一点小名气,GE公司又通过猎头挖我到公司负责一个很大的项目。而GE有各种各样的发电技术,包括火电、天然气发电、核电、风能、太阳能,甚至是三峡的水轮机,青藏高原柴油发电机、青藏高原的火车头,我又在这里学习到各种各样的发电技术。后来响应中国的人才战略回到国内,当时筹建国家能源集团北京低碳清洁能源研究院,国家能源集团前身就是神华集团,全世界最大的煤公司和火电公司国华电力,又了解了各种煤化工技术,包括煤制油、煤制氢、煤制甲醇,后来是从中国神华研究院的副院长到南科大当院长。就这样阴差阳错地在能源领域的几个板块如石油天然气、氢能、发电、煤都是在全球四家顶级的公司工作过,有了能源各领域的特殊经历,就有深刻的体会,大家都说到能源,但很多人搞石油就一辈子搞石油,搞天然气一辈子搞天然气,搞电网的一辈子搞电网,搞发电的一辈子搞发电,搞燃料电池的一辈子搞燃料电池,所以对整个能源有整体概念的人不多,对碳中和系统深入了解的人不多。绿色的核心是能源转型,能源这么大,很多人都是盲人摸象,碳中和怎么搞,能源革命怎么搞?绿色金融都说能源转型,到底怎样转型?你对能源的理解有多少,如果没有理解盲目地转型都是喊口号。所以这里有机会也有陷阱,搞不好几百亿打水漂都有可能,2003年GE花了28亿美元做零污染火电厂,结果刚做完美国的页岩气革命来了,美国的天然气从17美金降到1.5美金。我们是经历过能源的风风雨雨的,搞绿色金融的人去学习这些东西,三年五年甚至十年都学不会。能源首先资本需求量很大,第二不要以为挂一个“绿色”就可以投,你搞不好了几百亿水漂都打不起来。所以,投资人要与专业人员多沟通。当然,资本,尤其是风险投资,对创新产生巨大的促进作用。因为风险投资就是试错的过程,创新的过程就是试错的过程,创新就必须要容忍失败,创新也意味着巨大的生机。

 

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