氢能将成低碳时代“新能源宠儿”

新能源是绿色经济的最大推手,在太阳能、风能的利用已被人们熟知时,氢能却没有得到应有的表现。氢能专家认为,从理论上讲,氢能取代石油可减碳8%以上,地球上没有天然的氢,但可以用无污染制取来获得。作为重要的二次能源,将会对我国的低碳经济作出贡献。

要完成2020年全国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%,这是一个很艰巨的任务,需要统筹部署、从多方面入手,例如狠抓节约能源,提高能源利用率,多种树和草、扩大碳汇、调整能源结构、提升低碳能源份额等。

减碳先锋

从技术层面讲实现低碳能源,一个很重要的工作是改变我国能源结构,扩大可再生能源、核能和氢能的份额。2009年底的哥本哈根会议之后,我国进入了绿色经济、节能减排的新阶段,氢能的发展和利用将对实现中国减碳40%-45%的目标有实质性的帮助。表现在如下三个方面:一是氢直接代替石油,用于交通燃料;二是在高碳化石燃料煤的利用中,未来将采用二氧化碳捕集及贮存技术(即CCS技术),此时,氢气是煤气化的主要产品,实际上是将煤制氢、同时捕集二氧化碳,再利用氢的能量;三是氢在可再生能源利用中起提高能源质量的作用。

2007年我国消费能源26.5亿吨标煤,其中交通运输行业用2.06亿吨标准煤。占我国能源消耗的7.7%。未来的氢能完全可以取代交通运输和化学工业用石油。这样从宏观看相当于减排CO2达8%以上。

发电是煤的主要用途,2007我国发电用煤为13.05亿标吨,占全年煤炭消耗的50%以上。根据化石燃料低碳利用新技术,未来将采用的CCS技术的关键是将煤先气化为富氢燃料气体,然后捕集二氧化碳并采用高效IGCC技术发电,其中,氢起关键作用。

新华社2008年5月24日报道,根据我国能源发展规划,2010年,我国可再生能源将占到全部一次能源的10%,2020年,可再生能源占有率将达到15%。但是可再生能源的不稳定性,使得太阳能、特别是风能很难利用。目前很大一部分风能发的电不能上网,白白浪费。现在正在研究中的可再生能源发电(不稳定的低品质的电)――电解水制氢(此时,氢起储能作用)――燃料电池高效发电(高质量、高品质的电),将使可再生能源切实为国民经济服务,而不像现在,示范成分多,实际效果小。

最佳燃料

汽车是人类文明生活的重要组成部分,富裕起来的中国人民自然渴望并实现拥有自己的汽车的权利。我很赞成中国民众的正当要求,不赞成一些人发表的所谓中国人要达到美国人的生活水平,需要几个地球的资源。当然,那么多汽车的燃料是很大的问题,但不是不可解决的问题。到那时,各种汽柴油替代燃料完全可以开动我们的汽车。这些替代燃料有电、生物燃料、甲醇、乙醇、天然气、氢气等。考虑到替代燃料的普适性,目前,最现实的替代燃料是天然气、氢。氢作为无碳能源,在使用中不排放CO2温室气体,满足环境友好的要求。同时,氢来自于水,氢使用后又生成水的循环性使得氢成为汽车的最理想的燃料。

氢能汽车分为氢燃料电池车和氢内燃机汽车。前者的效率应是后者的两倍以上,是汽车发展的终极解决方案。氢内燃机车是目前汽柴油内燃机汽车转向氢燃料电池汽车的过渡方案。

氢燃料电池车用氢气代替汽柴油开动现有的内燃机汽车,由于其价格便宜,有现有的汽车工业基础支持,将会迅速占领汽车市场。氢燃料电池车是用一种叫做“燃料电池”的发电设备代替现有的内燃机,使用氢气作原料,不排放CO2,不排放碳氢化合物、氮氧化物以及微米尺寸的微粒,只排放水汽,是地道的“零排放”汽车。目前的氢燃料电池车在最高车速、续驶里程、加注时间等方面都已经达到或超过现有汽油车的指标,加之氢燃料的环保性,氢燃料来源的多样性与可靠性,氢燃料电池汽车已经成为人们追求的终极的新能源汽车,是汽车史上的第二次革命。目前,全世界大约有二百多辆氢燃料电池的车正在示范。我国在2008年北京奥运会示范23辆氢燃料电池车,这些国产的氢燃料电池车成功地完成了奥运会的任务。今年6月开幕的上海世博会,将有近200台不同大小的燃料电池车为观众服务,其中绝大部分为国产氢燃料电池车。

燃料电池汽车的主要问题是自身性能还需要进一步提高,燃料电池的工作寿命应该提高一倍。燃料电池车应用的主要障碍是氢能加注站的建设严重滞后。在现阶段,氢能汽车开始阶段,加氢站建设商无利可图,不愿意建站,而没有加氢站则大大限制人们购买氢能车的欲望。为此,2009年9月,世界最著名汽车厂商,丰田、通用、德国奔驰、大众、本田、现代等的总管们,共同签署一封给能源公司的公开信。信中指出到2015年全世界将生产10万台氢燃料电池汽车,呼吁能源公司加速建加氢站。根据作者对燃料电池的了解,到2015年,燃料电池的寿命将不是问题。到那时,一辆行驶30-40万公里的汽车报废时,其中的燃料电池还可以工作。不过,本人认为公开信应明确要求各国政府首先拨款在若干大城市先建几个加氢站,这样能源公司更容易跟进。另外,如果2015年氢燃料电池车达到10万台的话,那么,氢内燃机汽车的数量会更多些。

中国政府已经出台氢燃料电池车的补贴政策,对燃料电池大客车和小轿车分别补助60万和25万元人民币,表示政府推动氢燃料电池车的决心。

走进寻常百姓家

除了在交通工具上使用氢能这种清洁能源,在日常生活中,氢能还有更多的用处,例如代替高污染的乙炔切割钢材,代替天然气在医药工业制成更可靠的玻璃瓶封口,代替铅酸蓄电池,制成超长时间可供电几十小时的备用电源等。其中,氢能重要的用处则是氢能分布式电站。分布式供电站是指将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出电、热或冷能的系统。

分布式电站最大的优点是不需远距离输配电设备,输电损失显著减少,并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或冷热电三联产。常规电站发电效率约为35%,还要减去供电损失4%左右。而燃料电池电站的综合效率可达70%-80%,没有供电损失,提高了能源利用率;另外,直接安置在用户近旁的分布式电站与大电网配合也大大地提高供电可靠性。

氢能是二次能源,地球上没有天然的氢,现在的96%-97%的氢来自煤、天然气等化石能源与水反应来制取,在传统能源日渐减少的情况下,氢能必然用可再生能源来制取。那时,太阳氢风氢会应运而生。因为最终是电解纯水得到氢和氧,所有不会在制取的过程中,对环境造成任何影响。

各种氢能技术目前处于不同的应用水平,有的处于科研探索阶段,如可再生能源制氢;有的处于示范,如氢燃料电池汽车;也有的氢能技术已经在市场应用,如分布式电站、备用电源等。虽然科技部积极支持氢燃料电池车,在北京奥运会示范和将要在上海世博会示范,但是产业化推动应该是多个政府部门联合行为。氢能利用的难点在于没有国家氢能计划,盼望在“十二五”规划中,能给氢能一席之地,以便为我国的低碳经济做出贡献。

(作者简介:清华大学核能与新能源技术研究院教授、中国可再生能源学会 副理事长)