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内容来源: 心灵充电站正文开始A.氢、因其能量密度高，而被人们误认为是最佳的能源载体。氢气作为车载能源能量密度低于汽油、也低于甲醇、二甲醚。在本文看来氢作为能源载体可有可无。B.除地热、核能外，人类能利用的能源都是太阳能。在科学理论、科技发展达到一定高度的今天，太阳能的终极利用方案已经有条件形成。关键词：氢能；能源载体；太阳能终极利用方案。CCTC®30600背景说明能源问题是当前人类迫切需要解决的难题。不只是为了解决温室效应，降低能源成本，更重要的是在信息技术、智能自动化制造技术的帮助下，已经具备了解决这一问题的能力。工业革命后的两三百年，所有在能源方面的努力都是为了提升太阳能转为服务人们生产生活的有用功转换效率和提高能源载体的有效能量密度。以前、所有的研究者都只着眼于单个环节的。如提高光伏发电效率、提高汽油发动机热效率。未曾将从太阳能到有用功当成一个系统研究。晶硅、薄膜、钙钛矿结构等等光伏技术，聚光光热技术、锂电池、锂硫固态、氟阴离子、氢氧燃料等电池技术和新能源汽车。研究者投入了巨大成本、大量的人力物力精力。但是、研究人员未曾认识到一个可怕的事实，那就是不管他们多么努力，方向选择错了。即便他们的电池技术达到所有的理论上的最大值。他们研究出来的技术都会是昙花一现。那么什么样的技术方向才是正确呢？且看下面分析。CCTC®30601氢能？未来能源？你有没有搞错！氢能作为一种能源载体，被人误认为是未来的最佳能源。这种错误的想法源自两个事实，一个是氢能量密度高达143MJ/KG，另外一个氢的燃料电池理论效率高，实际最高效率已达到80%。论据是正确的，结论却错了。氢气如果是车载能源，将储罐和氢气当成一个整体，其能量密度远低于汽油、甚至低过甲醇。氢燃料电池的整体效率也不高。1.1常见能源载体的能量密度。我们先看看常见的氢气储存技术。A.高压储氢：氢质量含量1~5.8wt%，压力为35/45/70/90MPa，目前已经商业化。对于氢能汽车中的高压储罐，一般有35Mpa和70Mpa两种，采用碳纤维复合材料组成铝内胆外面缠绕碳纤维材料。日本通过将减少碳纤维强化树脂的用量，使重量效率比原来提高了20%,储氢重量密度达到了5.7wt%。B.液化储氢：氢质量含量>5wt%，将纯氢冷却至-253℃储存，超低温消耗能量大，成本高，优势在于储氢密度高，多用于航天、军工领域。C.固态吸附储氢：氢质量含量5.3～9wt%，使用以碳材料为主进行物理储氢，环境为77k、4MPa，纳米碳材料储氢性能好，还处于实验阶段。D.液态有机化合物储氢：氢质量含量6～8wt%，常温常压，储氢容量大，目前还处于实验阶段。E.金属氢化物储氢：氢质量含量1.4～3.6wt%，常温常压，安全性好，但是储氢合金存在易粉化、能量衰减和变质，目前还处于实验阶段。F.自然储氢：包括水储氢、甲醇储氢等。其中，水储氢的氢质量含量为11.1wt%，常温常压，能量比度高，成本高，以电解水制氢为主。甲醇储氢的氢质量含量为12.5wt%，常温常压，能量密度高，低成本，大规模甲醇制氢技术早已实现商业化，微型化甲醇制氢技术已实现突破，商业化价值极高。上面的六种氢储能方法中，甲醇的储氢质量分数是最高的了。并且，甲醇利用热重整、质量占比12.5%的氢会成为氢单质。而甲醇的能量密度是20MJ/KG,经过热重整后得到的氢能量必定有损失。显然，氢，作为能源载体。考虑储罐后，其整体能量密度不及汽油一半，也低于甲醇。此外，还要考虑氢能冷却压缩灌装造成的能量损失。氢气的极度危险性。那么氢氧燃料电池的能量转换效率高呢？电池发电环节，氢能效率高，并不能弥补整体系统的能量效率。借助“油井-车轮”（WTW）效率理念。本文提出“STS”即solar toservice。即太阳能转换为服务人们生产生活的有用功。STS的效率中，氢能因为经过了太阳能发电、电解水、燃料电池转换电能，这个中间多了一个氢形态的变换环节。其STS效率也低于光伏、更低于太阳能生产甲醇，甲醇直燃、内燃、重整制氢的效率。由此可见、那些错误认为氢能是终极能源并大规模投入的人最后可能赔的很惨。发展新能源汽车，能靠住的，还得是纯电动。 最近，一篇发表在 Nature上的论文研究得出，虽然氢燃料具备零排放的优势，理论上来看，可以作为解决交通领域碳排放的完美解决方案。但不幸的是，气候变化的紧迫性，无法给氢燃料电池汽车足够的时间进行商业化落地。 不管是业界还是政策制定者，都需要把重点放在纯电动车方向。论文还指出，目前，全球各大汽车厂商也看到这样的趋势，包括曾经押注氢燃料电池的日韩车企，都在将资源往纯电动车方向集中。最后，作者用一句话，直接判定氢燃料电池的结局：The window of opportunity to establish a relevantmarket share for hydrogen cars is as good as close。氢燃料电池，在商业层面，已经失去机会。被看作解决交通排放完美能源形式的氢燃料，却被直接被判定出局。为什么？事实上，论文并没有质疑氢燃料电池汽车技术上的可行性，氢燃料电池汽车没前途，源于商业层面的 3 大劣势。首先，动力电池的技术发展，挤压了氢燃料电池汽车的生存空间。 研究表明，在‘动力电池续航低于 150公里，充电时间需要几个小时’的时代，氢燃料因其更远的续航，以及补能时间堪比加油的优势，确实有存在的合理性。 但随着技术的发展，目前主流动力电池，续航突破400 公里已经习以为常，最新的动力电池，甚至已经突破 1000 公里。 在补能时间方面，800V 超冲，可以在 15 分钟内充电续航 200 公里。至于在氢燃料电池具备优势的重卡物流运输方向，纯电动重卡也可以完成补位，作者表示，用于长途运输的卡车，每天行驶超过 500公里，这对纯电动重卡的续航来说挑战不小。但欧洲法规要求，卡车司机每行驶 4.5 小时后必须停车休息 45 分钟。在 4.5 小时内，一辆重型卡车最多可以行驶400 公里左右。 而国内也有类似的规定，也有类似的规定：连续驾驶 4 小时，必须休息 20分钟。因此，如果用于纯电动卡车的快充电池，以及补能网络能够大规模铺开，450 公里的续航，对于纯电动重卡来说已经足够了。简言之，你能做的我能做，你做不到的我也能做，那氢燃料电池汽车，还有存在的必要？其次，对比纯电动车的落地速度，全球碳排放的时间表，已经给不了给氢燃料电池汽车足够的时间，来解决成本和技术问题，完成商业化。 论文数据显示，在 2021年初，全球氢燃料电池汽车保有量，约在 25000 辆左右，在售车型有两款，分别是丰田 Mirai，和现代 Nexo。补能方面，全球大约有 540 个加氢站。相比之下，截止到 2022 年初，全球纯电动车和插混式新能源汽车保有量在 1500 万辆左右，在售车型超过 350 个。也就是说，仅从保有量来看，纯电动车已经成为主流，而全球主要的汽车市场，包括北美，欧洲和中国，都已经做出有关减少碳排放的承诺： 美国和欧洲，到 2030年碳排放减少至少 50% 以上，中国达到碳达峰。 8 年的时间，氢燃料电池汽车，能否大规模商业化落地？是一个大大的问号。除此之外，还有纯电动车补能网络建设的优势。论文作者认为，电动车的补能网络，建立在全球电网基础设施基础之上，换句话说，世界上几乎每一个电源插座都是潜在的充电站。而氢燃料电池汽车补能，就需要另起炉灶，不仅成本高昂，在技术方面，氢燃料的储存、运输都还存在问题。要解决这些问题，投入的时间和资源，都远远大于纯电动车。3 大劣势，条条致死。在作者看来，氢燃料在交通领域，命已休矣。 氢燃料电池，产业现状怎么样？界如此，在业界，氢燃料电池，国内国外出现两个截然不同的趋势。从国内来看，虽然纯电动车仍然占主流，但氢燃料电池汽车的研发落地，不管从产业还是政策支持上，从未停滞。重卡领域，中国重汽董事长谭旭光曾断定，重型汽车不可能用纯电动，燃料电池可能是重型商用车的终极路线。2020 年底，潍柴宣布首台国产 200 吨以上氢燃料-锂电池混合能源矿用卡车自卸车成功下线。去年 4 月 22日，川威集团、亿华通、大运汽车三方签约，联合开展“西部首条氢燃料电池重卡示范线”项目。一个多月后，长城控股旗下未势能源科技与大运、东风、福田三家企业合作发布“百辆氢能重卡示范项目”。同时在乘用车赛道，长城汽车在去年初发布氢能战略，还自研车规级“氢动力系统”全场景解决方案 —— 氢柠技术。同时在去年发布首款氢能 C 级 SUV。除此之外，红旗、吉利、广汽等主流车企，也在最近两年集中推出自己的氢燃料电池汽车。 同时在本届冬奥会，示范运行超 1000 辆氢能源汽车，同时运行 30多个加氢站，一时间氢燃料电池汽车热度直线上升。CCTC®30602什么才是未来能源？在所有非直接利用太阳能利用方式中太阳能光伏、光热的效率是最高的，电能、热能都是服务人们生产生活的有效形式。基于STS的观点，未来能源必定是最高效利用太阳能服务人们生产生活的能源方式。当然，作为太阳能在地球上的能量载体，STS的评价至少包含经济价值、能量密度、系统效率和适用场合等等方面的考虑。首先太阳能光伏是太阳能利用的方式的最优方式，但光伏不能解决储能问题。以生物质为原料、太阳能为能量来源，利用碳氢氧元素为热储能工质储能。并在夜晚发电，生产甲醇、二甲醚。而在甲醇、二甲醚的使用端。将太阳光聚光产生光热温度180~500℃的中低温太阳能，重整甲醇、二甲醚、水、沼气等组份，得到氢气、一氧化碳供给直燃、内燃机、燃料电池等方式利用。这样的太阳能利用方式和光伏发电方式将会是太阳能的终极利用方式。这种太阳能利用方式简称为太阳能利用LY系统。2.1LY太阳能利用系统CCTC®3060氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择，其产业链较长，能够带动上下游产业共同发展，为经济增长提供强劲动力。氢能的发展具有重要意义：①推动能源结构转型，保障能源安全；②降低碳以及污染物排放；③带动产业链发展，促进经济增长。氢能及燃料电池产业链的上游氢能源行业符合能源转型需求。根据国际能源署预测，到2070年，全球对氢气的需求预计将从2019年的7000万吨增长7倍达5.2亿吨。随着化石燃料燃料的减少，叠加氢气低碳化生产因素，全球能源行业和工业加工领域有望在2070年实现碳中和。我国的能源结构则自2005年起发生较大改变，原油和煤炭消费量占比较高但总体呈下降趋势；清洁能源占比逐年稳步提升。伴随着能源结构逐步转型，氢能源作为清洁能源将具备良好的发展前景。1.2发展历程：上世纪50年代起步，十三五期间步入快车道中国的氢能与燃料电池研究始于上世纪50年代。20世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016 年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划（2016 ～ 2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ～ 2020 年）》、《中国制造2025》等顶层 规划。2019年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4 月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》 （征求意见稿）。2020 年9 月21日，五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》采取“以奖代补”方式，对入围示范的城市群，按照其目标完成情况核定并拨付奖励资金，鼓励并引导氢能及燃料电池技术研发。目前政府累计支持氢能与燃料电池的研发投入已超20亿元。1.3政策规划：国内持续加码，全球政策共振2021年以来，在国家层面上有关氢能和燃料电池相关的政策持续加码，推进氢能及燃料电池的推广和应用。与此同时，各地方政府也陆续发布政策支持氢能产业的发展。截至2020年10月，我国有23个省、市、自治区，40个城市及地区已发布氢能相关的发展战略或规划。氢能已经成为国际议程的新焦点，已有多个国家制定全面的国家氢能战略。全球各国陆续推出政策支持氢能的产业发展，其中，欧洲、美国、中国、日本和韩国等经济和科技较为领先的国家已规划了明确的发展目标，发展路线清晰，政策力度较强。全球各国有关氢能发展战略的政策同频共振，有望推动产业链快速发展和应用成熟。2 上游：制氢、储氢、运氢、加氢2.1制氢：化石能源制氢为目前主流，电解水制氢最具潜力我国是世界第一产氢大国，2019年全国氢气产量约2000万吨，但主要用作工业原料而非能源。氢的制取产业主要有三种较为成熟的技术路线：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢，三是电解水制氢。化石能源制氢为我国目前主流的制氢方式， 而基于可再生能源的电解水制氢方案的碳排放最低。2.2储氢：高压气储氢为主流，先进储氢技术待突破高压储氢主要利用气瓶作为储存容器，对于储气瓶，全球呈现出从I型储氢瓶到IV型储氢瓶的技术发展趋势。目前最为成熟且成本较低的技术是钢制氢瓶和钢制压力容器，如目前工业中广泛采用20MPa钢制氢瓶，并可与45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器进行组合应用于加氢站，但钢制氢气瓶重量大，并不适宜汽车用。目前车用高压储氢瓶的国际主流技术通过以铝合金/塑料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆（即III型、IV型瓶），提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。国外氢燃料电池汽车已经广泛使用70MPa碳纤维缠绕 IV型瓶；目前我国车载储氢方式大多为35MPa碳纤维缠绕III型瓶，70MPa碳纤维缠绕III型瓶也已少量用于国产汽车中。CCTC®关注更多碳（CO2）资讯请长按识别下方二维码关注3060CCTC®（华夏气候技术中心）致力于 1. 气候技术综合应用示范推广 2. 气候技术与绿色金融融通 3.碳达峰碳中和及与气候变化、能源相关研究传播与咨询 ……合作/投稿请联系电话：0755-21002565邮箱：995201502@qq.com若对气候变化感兴趣关注气候变化（狭义/泛义）资讯请长按识别下方二维码关注 华夏气候 |