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王孟源:【工業】【能源】再談氫經濟 2020/02/14
送交者: Cambridge_BW[★品衔R5★] 于 2020-02-13 15:11 已读 550 次  

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我在五年之前,寫了《永遠的未來技術》一文,討論兩種被廣汎吹捧的新能源,也就是核聚變和氫經濟。當時我下的結論,是核聚變發電和氫動力汽車,都是不切實際的妄想,要在本世紀有經濟性地普遍部署是“不可能的”(在我的詞匯裏指低於0.01%的成功機率;不過中國現在所專注的Tokamak設計,其實成功可能性只有10^-10,德國的Stellarator才對應著10^-5)。五年後復盤,當年為Toyota Mirai鼓噪造勢的人早已噤聲;核聚變雖然仍舊吃香,但這是因爲它每一代實驗的周期長達30年(例如ITER計劃始於2007年,到2020年預計全規模實驗開始的時間已經被延到2035年),要等待真相大白於世,只怕我們這一輩人早都死光了。這正是Goebbels所說的,謊言越大越難揭發。反過來考慮,核聚變至少還建立在真正的科學理論基礎之上,投進去的錢也主要留在國内,所以遠遠沒有大對撞機那麽離譜,我個人力量有限,還是專注在揭發後者這個真正誤國誤民的大忽悠上吧。

最近幾周,又有了新一批鼓吹氫經濟的科普文章在表面上無關聯的西方媒體相繼刊出(例如https://earther.gizmodo.com/europe-has-a-130-billion-natural-gas-problem-1841448077,https://oilprice.com/Alternative-Energy/Fuel-Cells/Green-Hydrogen-Is-Right-Around-The-Corner.html# 和https://www.forbes.com/sites/patsapinsley/2020/02/11/its-time-to-talk-hydrogen/#196f8756470b ),這是有財團勢力在背後推動才會出現的現象,不過這次倒不是Toyota或其他汽車公司要推銷新型的氫動力汽車;事實上過去五年中,汽車工業界已經放棄了氫動力和柴油,準備在2030年之前把應對環保壓力的重點轉移到電動汽車上。這一波氫經濟公關要宣傳的,其實是我在《永遠的未來技術》的正文和留言討論中簡單提到的(例如這句話:“用氫來儲能,以備尖峰用電時發電,或許是可行的”),工業化集中處理氫氣,作爲電網儲能的一部分,所以它並不是無的放矢的吹噓。我預期在未來幾年,這方面的科普宣傳和投資計劃都會持續出臺,所以在這裏先向讀者解釋清楚此事背後的科技、經濟和商業考慮。

我們先回顧一下,氫能源在工業應用上的短處和困難。這其中最嚴重的,當然是我在《永遠的未來技術》裏特別强調的安全性問題。氫氣非常容易爆炸,天然氣與之相比都溫和得不得了,要在城市裏普建加氫站實在不是明智之舉;即使爲了政治或商業迷思而硬幹,也必然會在幾年内被現實打臉。事實上,當前世界只有極少數的消費者加氫站,但是已經不斷發生嚴重的爆炸案;只看去年,就有六月在美國加州Santa Clara和挪威的Oslo一連爆了兩次,到了九月南韓的五個站中也爆了一個。這樣的出事機率是每年百分之幾的級別,而且還是在大公司不惜工本來直營的背景下發生的;如果加氫站如同美國的加油站一樣,隨便哪一個個體戶都可以開,那麽其危險程度可想而知。

氫的危險性太高,不適合直接面向消費者,所以只能考慮工業上由專業人員集中管理的可能應用。但是現代石化工業已經有百年歷史,規模龐大、種類繁多,爲什麽氫氣始終沒有取得一席之地呢?這是因爲氫本身還有好幾個特性,使得生產、儲存、運輸和使用都很困難。

首先,在地球表面常見的分子之中,氫是除了氦之外尺寸最小的。工業上一般應用的金屬材料,包括碳鋼、不鏽鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金和鋯合金,晶格間隙都容許氫分子的滲透,很快就會造成機械性能的嚴重退化,這叫做“氫脆”“Hydrogen Embrittlement”。另一方面,氫氣管道的密封隔離也格外困難;再加上氫氣密度太低,儲存起來不是極高壓就是極低溫,使得如氫氧火箭發動機的設計與製造上就是麻煩不斷。在航天這種高價值特殊用途還可以勉强忍受(即使如此,甲烷燃料火箭仍然是新一代的研發熱點),在一般能源供應上,氫的儲存筒和運輸管道,規格和價位都遠超天然氣,也就沒有經濟上的競爭力。

其次,許多科普文章喜歡吹捧的PEM(Proton Exchange Membrane,質子交換膜)燃料電池,其實非常地不實用。經過幾十年的研究發展,雖然名義上有60%的效率,至今仍然無法可靠地將壽命延長到超過幾個月的連續使用(參見https://www.intechopen.com/books/proton-exchange-membrane-fuel-cell/degradation-in-pem-fuel-cells-and-mitigation-strategies-using-system-design-and-control),所以基本也沒有什麽經濟性可言。德國勉强把它用在212型潛艇上,但這又是因爲特殊軍事用途對高昂成本的承受力比民用工業高得多,潛艇的AIP系統也不須要365天24小時持續運作。

第三,氫氣生產和使用過程的效率低得驚人。直接用水電解的話,陰極、陽極、電解液都很容易失效,以致於目前能工業化大量持續生產的最高能量效率只有25%!做爲對照,大型工業馬達在電能和動能之間的轉換效率已經達到99%以上。所以現在石化工業遇到非得用上氫氣的化學反應時,反而是采用天然氣做原料,通過效率大約70%的Steam Reforming Process(蒸汽重整)來產製氫氣;這也就是人類目前要生產氫氣最具經濟性的方法。接下來如果要長期儲存,壓縮氫氣會損失15%的能量,使用時減壓釋放再損失5%,這樣一來,就算未來有了技術突破,能解決PEM燃料電池的耐用性問題,從生產-儲存-釋放-發電的氫氣發電總效率也不會高於70%*85%*95%*60%=34%,這還不如小汽車上燒汽油的内燃機,更別提直接燒天然氣的聯合循環燃氣渦輪(Combined Cycle Gas Turbine,CCGT)發電站早已經有實用化的64%總效率。

既然氫能源技術的缺陷如此明顯而嚴重,爲什麽會有人想推動建立它的產業生態呢?這其實有其特殊的時代背景,倒不算是忽悠。我們先從臺面上的公開因素談起,也就是因應氣候變化而必須減少使用化石燃料來發電的全球共識。

在2015年巴黎協約訂定有關削減碳排放的議程之中,歐盟的態度最爲積極,采用可再生能源來取代核電、煤電和天然氣電廠的計劃也最爲激進。然而如同我在《台灣能源供應的未來》的正文和留言欄中解釋過的,風能和太陽能這兩種主要的可再生能源雖然在價格上已經有競爭力,但是它們看天吃飯、時有時無的特性,卻代表著先天不可能獨力滿足所有的電力需求。晝夜之間的變化,還可以靠將大型電池組聯入電網來解決;冬夏之間的季節差異,就需要能量密度更高、長期儲存更方便可靠的技術。所以在最近幾年,各式各樣的腦洞大開,如大型升降機或山頂蓄水池等等,居然都能得到投資。但是這些儲存物理位能的辦法,實用性明顯地可疑,真正靠譜的還是化學能。

照理説,天然氣目前供過於求,價格很便宜,碳排放也顯著低於煤電。雖然甲烷泄露(Methane Emission Slippage)是個大問題,而且向來沒有精確可靠的統計或監管(參見前文《統計與謊言》以及https://www.euractiv.com/section/energy-environment/interview/us-scientist-methane-leakage-reports-have-an-inherent-low-bias/ ),但是在2020年一月底,歐盟總算決定要動手彌補(參見https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/eu-working-on-plans-to-expose-climate-impact-of-natural-gas/1428789/ ),首先建立甲烷檢測體系,包括專職的監視衛星,十年之内可能會杜絕大部分的隨意工業排放。再加上天然氣發電效率高、啓動快、基礎設施完備、技術成熟,實在是最佳的調峰和尖載(Load Following/Peaking Power)電力來源。

但是歐洲白左文化盛行,不講究理性權衡折衷;在他們眼中,燒天然氣也會產生CO2,那麽就只能是中短期内的過渡辦法,到了2050年全電網都必須是100%的可再生能源。美國加州也在2018年提出以2045年為最後期限的計劃(模仿夏威夷的前例;但是加州比夏威夷要大得多了,執行起來的現實問題也就更困難許多),MIT隨即發表論文(參見https://www.technologyreview.com/s/611987/how-california-could-affordably-reach-100-percent-clean-electricity/ )指出硬要追求100%的可再生電力來源,會比以80%為目標貴上許多倍(“…costs begin to rise exponentially once the share of variable renewables crosses roughly the 80 percent threshold”)。這是因爲不但可再生能源的供應有很大的不可控波動,電力需求曲綫本身也有它自己的各種規律和隨機起伏,如果硬是要求可再生能源的低谷也要高過電力需求的高峰,那麽就必須有數十倍於長期平均值的應急供應量。由於電池的能量密度很低、壽命又短,所以即使大規模應用在電網儲能上,仍然沒有經濟上可接受的解決方案。

不過MIT的論文假設了儲能技術不會有突破性的進展,於是很多人在這裏看出商機。既然前面提到的儲存物理位能的辦法,明顯地不實用,自然有人開始檢視各種化學能儲存方案。最近冒出來好幾個直接用CO2合成甲烷的論文,也是這個背景下的產物,但這比物理位能還要不切實際;真正在乎經濟性和實用性的大企業,最後還是覺得氫氣是目前已知最不壞的選項。

他們會得到這個結論,有以下的一些考慮:

1)電解得氫和燃料電池的耐用性和效率問題,相對來説還算是容易解決的。花10-20年來做研發,把電解的效率提高到60%,燃料電池的壽命提升到3-5年,成功的機率在50%上下,遠高於學術界和創投界的那些狂想。

2)MIT論文論證了這些尖載電力需求的頻率,發現以年度總發電量來計算,是很小的百分比(亦即x%,x<10),那麽氫能源循環的效率雖低(假設60%*85%*95%*60%=29%),浪費的仍然只是百分之幾(x%*(100%/29%-1)=2.44*x%);這比起只用電池,還是便宜了好幾倍。

3)這些企業很多是化石燃料能源體系的既有玩家,而在所有的無碳能源選項中,氫最靠近他們的核心技術能力(Core Competence);例如輸氣管道雖然必須改進材料,但與現有的天然氣基礎設施還是有許多類似之處。趕快把氫能源扶持上位,是他們在這場技術革命中維持營收和利潤水平的最佳途徑。

瞭解了這些背景資訊,我們就能正確解讀最近的一些新發展。例如法國的Engie公司剛剛投資在Cappelle-la-Grande村,對100家用戶提供混入20%氫氣的天然氣,而這些氫氣來自特別安裝在當地的小型電解製氫設備。這樣的系統毫無經濟效益可言,除了公關價值之外,其實是用來實驗既有天然氣管道所能承受混入氫氣百分比的極限(似乎是25%)。Engie的資產包括了法國的天然氣管道系統,所以這是他們關心的議題之一。

至於不受白左思想控制的經濟體系,其實可以直接忽略最新這一波歐美能源公司有關氫能源的公關推銷。用天然氣、核電和電池儲能來輔助風能和太陽能發電,是遠遠效率最高、經濟性最好的解決方案;投入大量人力、物力、財力去追求100%的零碳指標,不但是無意義的虛榮,而且會造成很大的浪費。

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