鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1175次 | 2019年07月31日
氫除了昂貴的燃料電池車，還能干什么？
幾乎所有交通工具都出現(xiàn)了燃料電池的身影。但燃料電池并不是氫能應(yīng)用的唯一代表。
像水一樣平凡，像造物主一樣偉大。
近代化學(xué)之父拉瓦錫在發(fā)現(xiàn)這個(gè)宇宙豐度第一的元素后，以古希臘語的水和創(chuàng)造者為詞根，將這個(gè)一號(hào)元素命名為氫。
除了遙不可及的可控核聚變技術(shù)外，當(dāng)下概念大熱的氫能，是否擔(dān)得起拉瓦錫兩百年前的期望？
西門子集團(tuán)CEO凱颯（JoeKaeser）對(duì)此深信不疑。氫能替代火力發(fā)電的騰籠換鳥，是他的答案。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
7月15日，西門子宣布將在德國邊境小城格爾利茨（Gorlitz）投資3000萬歐元新建氫能創(chuàng)新園。就在一年前，凱颯宣布關(guān)閉當(dāng)?shù)厝細(xì)廨啓C(jī)工廠，引發(fā)了大規(guī)模抗議游行。
看好氫能發(fā)展的不僅僅是凱颯。氫能概念在一年之內(nèi)火遍全球。
今年1月17日，韓國政府發(fā)布了《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》；3月，中國將“推動(dòng)加氫等設(shè)施建設(shè)”首次寫入《政府工作報(bào)告》，國內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)園、小鎮(zhèn)遍地開花；6月15日，在日本長野縣召開的G20能源與環(huán)境部長級(jí)會(huì)議，確立了“日美歐氫能經(jīng)濟(jì)同盟”。
內(nèi)需下的內(nèi)虛：叫好不叫座
“大干快上”的背后是冷冰冰的數(shù)據(jù)——至少在市場最為廣大的乘用車領(lǐng)域，燃料電池車的商業(yè)化之路并不順利。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
中汽協(xié)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，今年1-5月，全國燃料電池汽車銷量同比增長近18倍，但只有1264輛。去年全年的燃料電池汽車銷量僅為833輛。相比之下，2018年全國新能源汽車銷量為125.6萬輛，差距為三個(gè)數(shù)量級(jí)。
放眼全球，燃料電池車同樣叫好不叫座。據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)，截至2018年，全美燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷量6500輛，2018年銷量為2368輛，同時(shí)期全美的電動(dòng)車銷量則為112.6萬輛，差距同樣是三個(gè)數(shù)量級(jí)。即便是大力投資氫能和燃料電池技術(shù)的日本，截至2018年底，日本燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷量也僅為2800余輛。
一直以來，燃料電池大規(guī)模商業(yè)化之路受到兩大致命缺陷的掣肘。
一方面，無論是天然氣重整制氫還是水電解制氫，效率都僅在70%區(qū)間內(nèi)。以乘用車為例，電動(dòng)汽車行駛100公里需耗費(fèi)15-25kWh的電能，燃料電池汽車則需要約1公斤氫氣，制取這些氫氣需要40kWh的電力。在批評(píng)者看來，此舉與通過“造橋-拆橋-再造橋”來拉動(dòng)GDP一樣毫無意義。
另一方面，燃料電池需要昂貴的催化劑鉑，加上高企的上游制氫成本，及比充電樁更加稀少的加氫站，使燃料電池汽車的生產(chǎn)和運(yùn)營成本居高不下。
2014年，豐田推出全球唯一一款量產(chǎn)燃料電池汽車Mirai（未來），其在美國已取得累計(jì)3700輛的不俗銷量。但其中八成銷量集中于不惜成本建設(shè)了30余座加氫站的加利福尼亞州。
Mirai的成功經(jīng)驗(yàn)?zāi)芊裢茝V至目前僅有25座在運(yùn)加氫站的中國？或是在運(yùn)加氫站低于20座的法國、英國、韓國？這很難不令人產(chǎn)生疑問。
燃料電池技術(shù)還面臨著最大的對(duì)手——成本持續(xù)降低的動(dòng)力電池技術(shù)。
“在全社會(huì)脫碳問題上，我們需要全局觀，但政府更愿意相信電池技術(shù)。”豐田燃料電池項(xiàng)目負(fù)責(zé)人廣瀨勝彥教授（KatsuhikoHirose）在G20部長會(huì)議上也承認(rèn)，電動(dòng)汽車在產(chǎn)業(yè)化道路上得到了政府機(jī)構(gòu)更多的垂青。
動(dòng)力電池所不能：燃料電池機(jī)遇所在
2016年，戴姆勒公布了全世界第一款純電動(dòng)卡車eActros。它明顯暴露出動(dòng)力電池的兩大缺點(diǎn)：壽命和重量。續(xù)航里程只有200公里，僅能運(yùn)營于170公里固定線路之間，相比柴油版本的Actros，載重量縮水近半。
以鋰電池1000次循環(huán)為例，電動(dòng)汽車保證20萬-30萬公里的總行駛里程并不困難。這個(gè)數(shù)字對(duì)于城市交通或許足夠，卻難以勝任連軸轉(zhuǎn)、百萬公里級(jí)別的商用車領(lǐng)域。加上電動(dòng)卡車上重達(dá)數(shù)噸的電池?cái)D占了載貨重量，很少有物流企業(yè)對(duì)其商業(yè)化產(chǎn)生興趣。
動(dòng)力電池所不能的，卻是燃料電池之所長。
相對(duì)原子質(zhì)量為1的氫元素在輕量化上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，沒有活動(dòng)部件、工況穩(wěn)定的特點(diǎn)，又使燃料電池的壽命長于動(dòng)力電池。
6月17日，德國尤里希（Jülich）研究中心宣布了一項(xiàng)新紀(jì)錄，其高溫燃料電池已在700度高溫下連續(xù)運(yùn)行了十萬小時(shí)，相當(dāng)于十一年的壽命。
正因如此，在部分對(duì)耐用性及輕量化要求嚴(yán)格的商用領(lǐng)域，燃料電池已展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢。
豐田代號(hào)為ProjectPortal的燃料電池卡車已在南加州的長灘港和洛杉磯港運(yùn)營了兩年有余。將兩具豐田Mirai的燃料電池單元進(jìn)行疊加后，該型燃料電池卡車獲得了670匹馬力及320公里的續(xù)航里程。G20峰會(huì)時(shí)，日本人特意將其運(yùn)回長野，作為日本氫能戰(zhàn)略的最好寫照向世界展示。
今年4月16日，美國公司NikolaMotors和德國博世集團(tuán)合作研發(fā)的NikolaTwoAlpha也正式面世。1000匹馬力以及1600公里的續(xù)航，即便是特斯拉推出的首款電動(dòng)卡車Semi，也難以匹敵。
如果說在商用車領(lǐng)域，燃料電池技術(shù)和動(dòng)力電池仍處于同一起跑線，在軌道交通領(lǐng)域，只有燃料電池方案能夠替代在非電氣化鐵路線上運(yùn)行的柴油機(jī)車了。
2018年7月12日，法國阿爾斯通研發(fā)的全球首款氫燃料電池列車CoradiaiLint正式取得歐盟頒發(fā)的許可證。該年9月，德國下薩克森州的鐵路運(yùn)營商LNVG宣布，向阿爾斯通訂購兩輛列車進(jìn)行試運(yùn)營，并保留追加12列的權(quán)力。
今年5月21日，德國區(qū)域鐵路運(yùn)營商RMV也宣布，以5億歐元的價(jià)格向阿爾斯通采購27輛CoradiaiLint。目前，首批兩輛燃料電池列車已累計(jì)運(yùn)營了萬余公里。
盡管燃料電池列車的采購和運(yùn)營成本仍比內(nèi)燃機(jī)列車高約四成，但隨著排放要求的愈發(fā)嚴(yán)格、制氫成本的下降及部分鐵路線電氣化的不可操作性，燃料電池技術(shù)成為鐵路領(lǐng)域冉冉升起的新星。
比軌道交通更巨型化的是什么？答案是海運(yùn)。
與車用汽油機(jī)相比，燃燒柴油甚至重油的船用發(fā)動(dòng)機(jī)更是環(huán)境殺手。此前常年被忽視的海運(yùn)業(yè)，漸漸感受到了環(huán)保政策的壓力。
包括悉尼、阿姆斯特丹以及漢堡在內(nèi)的多個(gè)港口城市，已將目標(biāo)鎖定在了定期停泊在市區(qū)的巨型郵輪。以漢堡港為例，漢堡市區(qū)三個(gè)可供郵輪停靠的碼頭中，僅有一個(gè)能夠向郵輪提供電力。大多數(shù)情況下，為了保證船用電子設(shè)施及娛樂設(shè)施的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，船用發(fā)動(dòng)機(jī)在港口停泊時(shí)也不會(huì)完全停轉(zhuǎn)。
據(jù)德國環(huán)保協(xié)會(huì)NABU計(jì)算，全球15艘最大郵輪的硫化物總排放量，相當(dāng)于7.6億輛乘用車。
和對(duì)載重量敏感的商用車主一樣，船東們也不愿意隨船搭載可能數(shù)千噸重的動(dòng)力電池。他們將目光鎖定在了燃料電池技術(shù)。
2016年起，蒂森克虜伯船舶系統(tǒng)公司（ThyssenKruppMarineSystems）與邁爾造船公司（MeyerWerft）投入了5000萬歐元，合作研發(fā)名為e4ships的船用燃料電池技術(shù)。
目前，兩家合作生產(chǎn)的30kW級(jí)別的燃料電池，已裝在往返于赫爾辛基和斯德哥爾摩之間的MSMariella號(hào)船上，穩(wěn)定地運(yùn)行兩年有余。兩家公司預(yù)計(jì)，該技術(shù)可在兩至三年內(nèi)大規(guī)模推廣。
不過，燃料電池千瓦級(jí)別的功率，目前只能負(fù)責(zé)給船用電子設(shè)施供電。面對(duì)100MW級(jí)別的船用推進(jìn)系統(tǒng)，燃料電池顯然仍不夠強(qiáng)大——至少兩年內(nèi)如此。
HySeasIII，這艘計(jì)劃2021年起往返于蘇格蘭奧克尼（Orkney）群島之間的渡輪，將成為船用燃料電池技術(shù)的里程碑。這是一艘額定載客量為120人和18輛機(jī)動(dòng)車的公海渡輪。
由瑞士ABB集團(tuán)和加拿大巴拉德公司牽頭組建的校企聯(lián)盟，已將燃料電池功率提升至MW級(jí)別，這使該渡輪的純電動(dòng)化成為可能。HySeasIII的另一個(gè)亮點(diǎn)在于，受限于電網(wǎng)的并網(wǎng)容量，當(dāng)?shù)刂茪渌璧乃须娏詠碜远嘤嗟娘L(fēng)電以及潮汐發(fā)電。
鋼鐵行業(yè)的救星？
不僅僅是軌道交通和船用推進(jìn)系統(tǒng)，燃料電池應(yīng)用的名單遠(yuǎn)不止于此。
德國特種航天中心（DLR）研發(fā)的首架燃料電池四座客機(jī)HY4、豐田和日本宇宙特種研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作的燃料電池月球車、弗勞恩霍夫研究所研制的燃料電池自行車LiteFCBike、U212特種上基于燃料電池技術(shù)的AIP系統(tǒng)……幾乎所有交通工具上都出現(xiàn)了燃料電池的身影。
但燃料電池并不是氫能應(yīng)用的唯一代表。氫能的下一個(gè)大客戶或許是鋼鐵行業(yè)。
在《京都協(xié)議書》框架下，歐盟計(jì)劃2050年前實(shí)現(xiàn)碳排放比1990年降低80%的目標(biāo)。能源行業(yè)可以依賴可再生能源，交通領(lǐng)域寄希望于電動(dòng)化技術(shù)，鋼鐵企業(yè)在煉鐵過程的碳排放卻難以規(guī)避。
不論是使用焦炭的傳統(tǒng)高爐法，還是使用天然氣的直接還原法，目前主流煉鐵過程本質(zhì)上仍基于碳或碳?xì)浠衔锏倪€原劑與鐵礦石中氧元素的反應(yīng)。作為副產(chǎn)物的二氧化碳，一定會(huì)出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)式的右側(cè)。
這些溫室氣體不僅阻擾歐盟的減排目標(biāo)，還推高了歐洲鋼鐵企業(yè)的運(yùn)營成本。
僅以德國為例，根據(jù)德國鋼鐵行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，若保持目前的碳排放量不變，到2030年，德國鋼企將額外支出35億歐元用于購買碳排放許可證。
為了從根本上杜絕碳排放問題，絕佳還原劑氫氣成為了歐洲人的救星，因?yàn)樗淖罱K反應(yīng)產(chǎn)物僅為水。
氫能煉鐵的先驅(qū)者是全球首個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目HYBRIT（HydrogenBreakthroughIronmakingTechnology）。該項(xiàng)目位于瑞典北部城鎮(zhèn)呂勒奧(Lulea)，由瑞典鋼鐵公司（SSAB）及瑞典最大能源供應(yīng)商大瀑布公司（Vattenfall）投資1.5億歐元建設(shè)。
在該項(xiàng)目經(jīng)過改進(jìn)的工藝流程中，直接還原法中廣泛使用的天然氣被氫氣替代，氫氣將直接與球團(tuán)礦進(jìn)行還原反應(yīng)并得到直接還原鐵（即海綿鐵）和副產(chǎn)物的水。
如果在后續(xù)工藝過程中使用依托可再生能源的電爐煉鋼，理論上，整個(gè)冶煉過程的碳排放將降低95%以上。
該過程中消耗巨大的氫氣，其制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及供給均由大瀑布公司負(fù)責(zé)。目前，大瀑布公司給出的制氫方案是基于多余風(fēng)光發(fā)電的水解法。
為了測試氫氣在直接還原爐中反應(yīng)的穩(wěn)定性，瑞典鋼鐵公司計(jì)劃，2021年起首先使用天然氣、氫氣混合氣進(jìn)行還原反應(yīng)，并逐步提高氫氣比例直至完全氫能化。
這一開始于2016年的項(xiàng)目，計(jì)劃2025年示范運(yùn)行，2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營。屆時(shí)，瑞典全國的碳排放量有望因此降低10%。
瑞典鋼鐵公司的創(chuàng)新之舉，迅速引爆了包括全球第一大鋼企安賽樂米塔爾，以及蒂森克虜伯、薩爾茨吉特（Salzgitter）及奧鋼聯(lián)（Voestalpine）等鋼企對(duì)氫能的研究。
各家鋼企的冶煉過程均選擇了直接還原與電爐煉鋼的組合，但在如何確保氫氣供給的問題上，各家做出了不同的嘗試。
不同于瑞典鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)求助于本國的電力供應(yīng)商，蒂森克虜伯選擇與法國液化空氣集團(tuán)（AirLiquide）進(jìn)行合作，后者在制氫、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及運(yùn)營加氫站等環(huán)節(jié)上有豐富技術(shù)積累。
安賽樂米塔爾和薩爾茨吉特選擇自力更生。前者將目光投向了本公司漢堡工廠生產(chǎn)過程中副產(chǎn)高爐氣中的氫氣；后者則計(jì)劃自行建造功率達(dá)720kW的高溫電解制氫設(shè)備。
