氢能商业化之路:除了昂贵的燃料电池车 还能干什么?


a684-iakuryx1199212.jpg图像源: Vision China

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作者:薄倩妍

像水一样平凡,和造物主一样伟大。

在发现了宇宙丰富的第一个元素之后,现代化学之父拉瓦锡将古希腊水和创造者命名为氢。

除了可远程控制的核聚变技术外,目前的氢能概念是否符合两百年前拉瓦锡的期望?

西门子集团首席执行官Joe Kaeser对此深信不疑。氢可以取代火力换笼,是他的答案。

7月15日,西门子宣布将投资3000万欧元在德国边境城市格尔利茨的新德国氢能源创新园区投资。就在一年前,凯茜宣布关闭当地燃气轮机厂,引发大规模的抗议游行。

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路透社

不仅仅是凯茜对氢的发展持乐观态度。氢能概念在一年内传播到世界各地。

今年1月17日,韩国政府发布了《氢能经济发展路线图》; 3月,中国将首次“推动加氢等设施建设”《政府工作报告》,国内氢能工业园区,城镇随处可见; 6月15日,在日本长野县举行的G20能源与环境部长级会议建立了“日美欧水能经济联盟”。

内部需求下的内部缺陷:叫叫不叫座

“大干快”的背后是冷冰数据至少在市场上最广泛的乘用车领域,燃料电池汽车的商业化并不顺畅。

据中国汽车协会统计,全国燃料电池汽车销量同比增长近18倍,但仅增加1,264辆。去年的燃料电池汽车销量仅为833辆。相比之下,2008年全国新能源汽车销量为125.6万辆,差距为三个数量级。

放眼世界,燃料电池汽车也不错。根据美国能源部的统计,截至2018年,美国燃料电池汽车的累计销量为6,500辆,218辆的销量为2,368辆。与此同时,美国电动汽车的销量为112.6万辆,差距也是三个数量级。即使在对氢能和燃料电池技术投入巨资的日本,到2018年底,日本燃料电池汽车的累计销售量仅为2,800辆。

燃料电池大规模商业化的道路受到两个致命缺陷的制约。

一方面,无论是天然气重整制氢还是水电解制氢,效率仅在70%范围内。以乘用车为例,电动汽车消耗15-25千瓦时的电力100公里,而燃料电池汽车需要大约1千克的氢气,这需要40千瓦时的电力。在批评者的眼中,这一举措与通过“修建桥梁 - 桥梁 - 重建桥梁”拉动GDP一样毫无意义。

另一方面,燃料电池需要昂贵的催化剂铂,加上高的上游氢生产成本,以及比充电桩更罕见的储氢站,使得燃料电池汽车的生产和运行成本高。

2014年,丰田推出了世界上唯一的大规模生产的燃料电池汽车Mirai(未来),该汽车在美国的销量达到了惊人的3700辆。但80%的销售集中在加利福尼亚州,那里不惜一切代价建造了30多个加氢站。

将Mirai的成功经验扩展到中国仅有的25个加氢站吗?还是在法国,英国和韩国的氢气加油站不到20个?很难不被质疑。

燃料电池技术也面临着最大的竞争对手动力电池技术,并不断降低成本。

“就整个社会的脱碳而言,我们需要一个整体观点,但政府更愿意相信电池技术。”丰田燃料电池项目负责人Hirats Katsuhiko也在G20部长级会议上承认电动汽车正在行业中。政府越来越关注政府。

动力电池不能:燃料电池的机会

2016年,戴姆勒宣布推出全球首款纯电动卡车eActros。它清楚地暴露了动力电池的两个主要缺点:寿命和重量。巡航范围仅200公里,只能在170公里的固定线路之间运行。与柴油版Actros相比,负载减少了近一半。

以锂电池的1000次循环为例,电动汽车不难保证总里程为200,000-300,000公里。这个数字可能足以满足城市交通的需求,但很难在商用车领域与一个100万公里的转弯车进行竞争。再加上电动卡车重达数吨电池并挤压货物重量这一事实,很少有物流公司对商业化感兴趣。

动力电池不能做的是燃料电池的强度。

件,燃料电池的寿命比动力电池的寿命长。

6月17日,德国Jülich研究中心宣布了一项新纪录。其高温燃料电池在700°C下连续运行100,000小时,相当于11年的使用寿命。

出于这个原因,燃料电池在耐用性和重量至关重要的一些商业领域中显示出独特的优势。

代号为Project Portal的丰田燃料电池卡车已经在长滩港和南加州洛杉矶港运营了两年多。在叠加两台丰田Mirai燃料电池单元后,燃料电池卡车获得了670马力和320公里的续航里程。在20国集团峰会上,日本人特意将他们运回长野,作为日本氢能战略的最佳写照。

今年4月16日,由美国公司Nikola Motors和德国博世集团共同开发的Nikola Two Alpha正式上市。 1000马力和1600公里的电池寿命,即使是特斯拉的第一辆电动半卡车,也难以匹敌。

在商用车领域,燃料电池技术和动力电池仍处于同一起跑线上。在铁路运输领域,只有燃料电池解决方案可以取代在非电气化铁路线上运行的内燃机车。

2018年7月12日,法国阿尔斯通开发的世界上第一台氢燃料电池列车Coradia iLint正式获得了欧盟颁发的许可证。同年9月,德国下萨克森州的一家铁路运营商LNVG宣布已经从阿尔斯通订购了两列火车进行试运行,并预留了另外12列火车。

今年5月21日,德国地区铁路运营商RMV也宣布将以5亿欧元从阿尔斯通购买27辆Coradia iLint。目前,前两个燃料电池列车已运行超过10,000公里。

虽然燃料电池列车的采购和运营成本仍比内燃机高出约40%,但随着排放要求变得更加严格,制氢成本下降,一些铁路线路通电,燃料电池技术已成为铁路部门。新星。

f784-iakuryx1199344.png Coradia Alstom

什么比轨道交通更重要?答案是发货。

与用于车辆的汽油发动机相比,燃烧柴油甚至重油的船用发动机是环境杀手。多年来一直被忽视的海运业逐渐感受到环保政策的压力。

许多港口城市,包括悉尼,阿姆斯特丹和汉堡,都瞄准了定期停放在城市中的巨型游轮。例如,在汉堡港的情况下,汉堡市中可用于游轮的三个码头中只有一个可以为游轮提供电力。在大多数情况下,为了确保海上电气和娱乐设施的持续运行,船用发动机停放在港口时不会完全停止。

据德国环境保护协会NABU称,世界上最大的15艘游轮的硫化物总排放量相当于7.6亿辆乘用车。

与负载敏感的商用车主一样,船主不愿意携带重达数千吨的动力电池。他们专注于燃料电池技术。

自2016年以来,ThyssenKrupp Marine Systems和Meyer Werft已投资5000万欧元开发了一种名为e4ships的船用燃料电池技术。

目前,赫尔辛基和斯德哥尔摩之间的MS Mariella已安装了两台共生产的30kW燃料电池,并已稳定运行两年多。两家公司预计该技术将在两到三年内广泛应用。

然而,燃料电池千瓦级电力目前仅负责为海洋电子设备供电。面对100MW船用推进系统,燃料电池至少在两年内显然不够强大。

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MS Viking Line

HySeas III是一艘计划于2021年在苏格兰奥克尼群岛之间旅行的渡轮,将成为船用燃料电池技术的里程碑。这是一艘高海渡轮,可容纳120名乘客和18辆车。

由瑞士ABB集团和加拿大巴拉德公司牵头的校企联盟已将燃料电池电力升级到MW级别,这使得渡轮的纯电气化成为可能。 HySeas III的另一个亮点是,受电网并网容量的限制,本地生产氢气所需的所有电力都来自过多的风力和潮汐能。

钢铁行业的救星?

不仅仅是轨道交通和船舶推进系统,燃料电池应用的清单远不止于此。

由德国航空航天中心(DLR)开发的第一个燃料电池四座HY4,由丰田和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合开发的燃料电池月球车,以及弗劳恩霍夫研究所开发的燃料电池自行车LiteFCBike和U212 。 AIP系统基于潜艇上的燃料电池技术.燃料电池几乎出现在所有车辆上。

但燃料电池并不是氢能应用的唯一代表。氢能的下一个大客户可能是钢铁行业。

根据《京都协议书》框架,欧盟计划到2050年实现将碳排放量从1990年的水平减少80%的目标。能源行业可以依赖可再生能源,而运输部门则希望采用电气化技术。钢铁企业在炼铁过程中的碳排放难以规避。

无论是使用焦炭的传统高炉方法还是使用天然气的直接还原方法,目前的主流炼铁方法基本上是基于碳或烃还原剂与铁矿石中的氧的反应。作为副产物的二氧化碳必须出现在化学反应配方的右侧。

这些温室气体不仅阻碍了欧盟的减排目标,而且还抬高了欧洲钢铁公司的运营成本。

仅在德国,根据德国钢铁工业协会的数据,如果目前的碳排放量保持不变,到2030年,德国钢铁公司将再花费35亿欧元购买碳排放许可证。

为了从根本上消除碳排放,优良的还原剂氢已经成为欧洲人的救星,因为它的最终反应产物只是水。

氢气炼铁的先驱是世界上第一个试点项目HYBRIT(氢气突破炼铁技术)。该项目位于瑞典北部城镇吕勒?由瑞典钢铁公司(SSAB)和瑞典最大的能源供应商Vattenfall投资1.5亿欧元。

在该项目的改进过程中,广泛用于直接还原过程的天然气被氢气取代,氢气将直接与颗粒反应,得到直接还原铁(即海绵铁)和副产物水。

如果在后续工艺中使用依赖可再生能源的电炉炼钢,理论上,整个冶炼过程的碳排放将减少95%以上。

该过程消耗大量氢气,其制备,储存,运输和供应均由Great Falls处理。目前,大瀑布公司提出的制氢方案是基于过剩风能的水解。

为了测试直接还原炉中氢气反应的稳定性,瑞典钢铁公司计划在2021年使用天然气和氢气混合物进行还原,并逐渐增加氢气比率直至完全氢化。

该项目于2016年开始,计划于2025年开始运营,并于2035年开始商业运营。到那时,瑞典的国家碳排放量预计将减少10%。

瑞典钢铁公司的创新迅速点燃了钢铁公司,包括世界最大的钢铁公司ArcelorMittal,以及蒂森克虏伯,萨尔茨吉特和奥钢联。氢能研究。

各钢铁企业的冶炼过程选择了直接还原和电炉炼钢相结合,但对如何确保氢气供应的尝试不同。

与瑞典钢铁公司不同的是,蒂森克虏伯选择与液化,运输,储存和运营的氢气加油站液化空气公司合作。链接中存在大量技术积累。

安赛乐米塔尔和萨尔茨吉特选择了自力更生。前者将注意力转向公司汉堡工厂生产过程中副产品高炉煤气中的氢气;后者计划建造自己的720kW功率的高温电解氢气装置。

(界面记者彭强也为本文做出了贡献)