為何不能用水力發電再加電解水來反應出氫氣來作為燃料?

騰訊財經訊5月22日晚6時54分的南陽日報網和次日的南陽日報頭版先後刊發了同一條內容——《水氫發動機在南陽下線,點贊!》,報道稱水氫發動機在該市正式下線啦,這意味著車載水可以實時製取氫氣,車輛只需加水即可行駛。5月22日上午,南陽張文深到氫能源汽車項目現場辦公時,為氫能源汽車項目取得的最新成果點贊。

文章第一句就強調“水氫發動機在我市正式下線啦,這意味著車載水可以實時製取氫氣,車輛只需加水即可行駛。”

這篇文章隨即被網友“發現”,很快就有網友提出質疑,汽車只要加水就能自由上路行駛?水氫能源到底靠不靠譜?

以下為知乎電力話題的優秀回答者“Kevin Zhang”關於“用水力發電再加上電解水來反應出氫氣來作為燃料可行性”的解答,騰訊財經稍作整理:

為什麼不能用水力發電再加上電解水來反應出氫氣來作為燃料?

一方面水力發電沒有汙染。另一方面氫氣是清潔能源,與氧氣反應的生成物是沒有汙染的水,並且熱值很高,而電解水產生的副產品氧氣即可以供氫氣燃燒,又可以供呼吸作用,看起來百利而無一害。

題主談到的是電解水生氫,那我就把答案的討論限定在這個範圍內。但是需要強調的是:當前制氫的主要方法還是對碳氫化合物進行蒸汽改質。

題目結尾的那句結論(電解水生成的氫氣和氧氣“百利而無一害”)或許是對的,而且我可以很明確的說相應的硬件技術(比如electrolyser)也已經開發出來瞭如下圖的高分子電解質膜電解示意圖[1](陰極生成氫氣,陽極生成氧氣)。這個話題在學術界也很火,簡稱Power2Gas。歐盟甚至投了幾千萬去專門研究氫能源應用,比如我參與的H2ME項目。

為何不能用水力發電再加電解水來反應出氫氣來作為燃料?

那麼問題來了,這麼“好”的東西為什麼沒有得到大規模推廣呢?

究其原因還是“

成本”二字。以下是來源於美國能源部的報告裡的氫能源生產路線圖[1],其中紅圈代表了主流的電解水生氫技術:

為何不能用水力發電再加電解水來反應出氫氣來作為燃料?

現階段電力系統和氫能源最直接的聯繫之一就是使用氫能源的交通設施,比如燃料電池汽車(Fuel cell vehicle)。但相較於直接充電的電動汽車,如果氫能源汽車的燃料來源是電解水,則增加了一道工序,那也就意味著相應的能量損耗和額外的設備需求,造成了成本上升。

那麼我們為什麼還要研究電解水技術呢?

首先燃料電池汽車是真實存在,比如經典的豐田Mirai[2]。那麼隨著燃料汽車的推廣(雖然相對緩慢),加氫的需求必然是越來越大的。相較於答案開頭提到的工業提煉方式,eletrolyser的兩個主要原料(水和電力)基本都可以就地取材。這也就避免了氫燃料在工業提煉後到加氫站的運輸環節。其次,當前電池領域在技術革新上不可否認的出現了一些瓶頸。從能量密度的角度上來說,氫儲能的這一參數會更高。所以當我們把能源的生產成本與其對應的儲能成本加在一起去考慮的話,氫能源在未來也未必不可與電力配電池一戰。另外從充放速度上來考慮,電池恐怕也無法與氫氣和汽油這類燃料的儲存設備相匹敵。那麼在能源互聯的大背景下,電力儲能方式的多樣化也是一種必然的選擇。氫氣的使用也是多樣化的,比如合成甲烷混入天然氣網絡。在英國就有ITM Power,Nantional Grid和National Gas合作拿到了ofgem的funding,對電解水生氫和加氫站的建設在做一些示範性的商業項目。

為何不能用水力發電再加電解水來反應出氫氣來作為燃料?

上面簡述了電解水生氫技術上的可行性。只是相較於直接使用電力,電解水看起來貌似還是有些貴。

那麼在下文裡我來解釋一下這種電解水生氫的商業運營模式要在什麼樣的場景下才能經濟層面上可行。(以下結論是根據我們組內之前的一些日常討論得出的,可能會存在不嚴謹的地方,歡迎知友們指出。)

首先需要強調,電解水生氫的加氫站成本主要來源於三部分:

電解設備的平攤成本(考慮到設備的使用壽命)。加氫站的加氫設備和儲氫設備成本(也需要考慮到設備的使用壽命)。發電和輸配電成本。

可以明確地是前兩點屬於設備成本,那只有技術提升或是大規模生產才能進一步降低成本。所以當前“最容易”降低的是第三點,也就是用電成本。

根據我們組另外一個RA的調研結果想要讓電解生氫變得經濟可行,首先需要將其用電成本降低到接近零才行。那麼這一成本可能接近零麼?是有可能的。比如丹麥這種風力發電資源豐富的國家,經常會出現電力富餘的情況下,甚至出現負電價。那麼在這種環境下與其切掉多餘的風電,不如將它們利用起來,比如說用來電解水生氫。

關於題主所提到的水力發電,為什麼我們不太用來電解水?因為水力發電本身具備一定的儲能特性,所以它的輸出調節能力比風電和光伏要強上不少。這使得他們跟火電類似,具備發電議價能力。那麼從水電站的角度上來說不太可能將自己的電免費送出。

所以綜上所述,概括到以下三點:

電解水生氫?技術可行。水電拿來電解水生氫?成本不允許。什麼情況下電解水生氫經濟性上也可行?當電力系統中經常出現過剩的清潔能源發電情況,成本上或許可行。

(本文轉載於知乎,作者:Kevin Zhang,文章僅代表個人觀點。)

(來源:騰訊財經)

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