氫氣轉(zhuǎn)化：規(guī)避氫能事故，開辟應(yīng)用新途徑

氫氣易燃易爆，眾所周知。防止氫氣燃爆，廣受關(guān)注。

近日，國家能源局綜合司發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求(2022年版)(征求意見稿)》，其中第2項“防止火災(zāi)事故”的第6條是“防止氫氣系統(tǒng)爆炸事故”，提出發(fā)電機(jī)氫氣冷卻系統(tǒng)、氫站或氫氣系統(tǒng)在運(yùn)行、維修、氫氣純度、排放等方面的8項要求。這是電力生產(chǎn)中用鮮血換來的寶貴經(jīng)驗，價值極大，應(yīng)該推廣執(zhí)行，也值得其他涉氫部門學(xué)習(xí)借鑒。

能源用氫比工業(yè)用氫更危險

氫氣可以用作工業(yè)原料，我國年產(chǎn)氫氣超過2500萬噸，80%用于合成氨。這些工業(yè)部門已經(jīng)建立起完善的安全操作規(guī)程，再加上氫氣從生產(chǎn)、傳送到使用都在企業(yè)內(nèi)部的密封管道和容器中，除非泄漏、破裂會造成事故外，正常生產(chǎn)中的事故很少，安全是有保障的。

現(xiàn)今，氫氣作為能量的載體進(jìn)入能源領(lǐng)域，一方面是由于可再生能源電解水制得的氫氣可以長時間存放，這一點(diǎn)勝過儲能電池;另一方面，燃料電池技術(shù)的進(jìn)步使得氫氣有了用武之地。于是，發(fā)展氫能和氫燃料電池電動汽車呼聲很高。

但是，以相同用氫量預(yù)計，能源氫氣的事故概率將遠(yuǎn)高于工業(yè)氫氣，主要有如下理由。

首先，我國氫能生產(chǎn)地與使用地距離遙遠(yuǎn)，不僅高壓管線建設(shè)耗資巨大，而且管材的氫脆容易引起安全問題。例如，用管狀高壓容器運(yùn)輸，短途可行，長途的能耗過高，經(jīng)濟(jì)上不可行。而工業(yè)用氫是就地生產(chǎn)、就地使用。其次，能源氫氣從生產(chǎn)到終端使用要經(jīng)過產(chǎn)地儲存、壓縮、輸運(yùn)、用地儲存、再行壓縮分裝等許多環(huán)節(jié)，要在不同容器間發(fā)生多次轉(zhuǎn)移，引發(fā)安全問題的可能性增加，而工業(yè)用氫多在一個密閉的管線系統(tǒng)中完成。最后，加氫站高度分散，點(diǎn)多面廣;燃料電池電動汽車更是星羅棋布，發(fā)生事故的概率要比工業(yè)集中用氫大得多。

能源氫氣現(xiàn)在用量尚少，但國內(nèi)外已經(jīng)多次出現(xiàn)事故。北京大學(xué)教授李星國新出版的《氫與氫能》一書以43頁的篇幅詳細(xì)講述了“氫氣的安全性”，介紹事故、分析原因、列舉措施，內(nèi)容豐富，值得研讀。

氫氣轉(zhuǎn)化有利于提高安全性

能源氫氣的儲存、運(yùn)輸、分發(fā)等環(huán)節(jié)難題多，安全性差。將氫氣轉(zhuǎn)換為液態(tài)能源主要有體積縮小、體積能量密度提高等優(yōu)勢，但是還需綜合對比安全性、生產(chǎn)成本，以及全過程的能量轉(zhuǎn)換效率。

液氫的密度比常溫氫氣約高780倍，顯然有利于儲運(yùn)。但是，液氫需在20K的低溫下保存，壓縮—液化耗能很高，容器要用極好的低溫絕熱材料，每天還會蒸發(fā)產(chǎn)生約1%氣態(tài)氫。因此，其除具有氫氣所有的安全隱患外，還有超低溫引起的一系列問題，如金屬延展性降低、連接部失去密封性、對人體的凍傷等。因此，除航天等不計工本的特種用途外，液氫并不適于作為普遍使用的氫能。日本目前正在嘗試從海外運(yùn)回液氫，其后效當(dāng)拭目以待。

將氫氣轉(zhuǎn)化為能源液氨，可以工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，工藝成熟，設(shè)備齊全，可實(shí)現(xiàn)較高密度儲存、運(yùn)輸。但是，液氨的儲存、運(yùn)輸也需加壓，而且使用時分解放氫既要吸熱又有毒，弊大利小。

數(shù)據(jù)顯示，乙醇的體積能量密度高。乙醇可從二氧化碳經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化生成的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，是可再生的能源。遺憾的是，它至今還難以簡易地從氫氣轉(zhuǎn)化而成。

相比之下，在高溫和催化劑作用下，可以一步將氫氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳制甲醇，能量轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)已大于50%。其體積能量密度不低，又易于儲存運(yùn)輸，安全性遠(yuǎn)高于氫氣。不僅如此，此舉還消除了本要排放到大氣中的二氧化碳，為碳中和作貢獻(xiàn)。這種甲醇可稱之為“綠氫甲醇”。

迄今為止，冰島已實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)4000噸的甲醇生產(chǎn)。中國科學(xué)院上海高等研究院與兩家企業(yè)合作，開展了二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)及中試放大研究，于2020年7月建成5000噸/年的工業(yè)試驗裝置。

由此可見，此“綠氫甲醇”之路已通。

“綠氫甲醇”開辟電動汽車新路徑

甲醇作為能源，可通過多種燃料電池發(fā)電，也可重整為氫氣用于質(zhì)子交換膜燃料電池。但是，燃料電池發(fā)電的全壽期能量轉(zhuǎn)換效率未必高過內(nèi)燃機(jī)。現(xiàn)在，國內(nèi)用煤制甲醇(可稱為“灰氫甲醇”)的內(nèi)燃機(jī)汽車技術(shù)已經(jīng)成熟，制作成本和使用方便性遠(yuǎn)勝過燃料電池。“綠氫甲醇”當(dāng)然也可這樣使用，這就成就了零排放的“綠氫甲醇汽車”。

為了大幅度節(jié)約“綠氫甲醇”，應(yīng)該發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動車”，其裝量較少的電池由風(fēng)力或光伏發(fā)電提供充電電能;用內(nèi)燃機(jī)作增程器，不燒油而用“綠氫甲醇”;車上蓄電與發(fā)電并聯(lián)，節(jié)省燃料50%;不必常充電即可行長里程。這種復(fù)合動力系統(tǒng)堪稱珠聯(lián)璧合，是氫能汽車的升級，也是未來純電動車的發(fā)展方向。

氫氣轉(zhuǎn)化為甲醇，開辟了氫能應(yīng)用和增程式電動車的美好應(yīng)用新途徑，亟待政府布局。上海市具備條件率先發(fā)展“綠氫甲醇增程式電動車”，可將其列入相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，與氫燃料電池電動車發(fā)展并行不悖，為全國開路。

如此，則用了氫能而回避了遍用氫氣的風(fēng)險，且實(shí)現(xiàn)了汽車的碳中和。

(作者系中國工程院院士)