刘科:太阳能、氢能、甲醛……如何组合后实现碳中和?

2021年9月16日
文章来源:文汇报
为什么前一百年电动车未能战胜燃油车? 电动车这个概念并不新。1912年,纽约、伦敦、巴黎,还有洛杉矶的大街上,跑的电动车远远多于燃油车。以爱迪生为首的一批科学家…

为什么前一百年电动车未能战胜燃油车?

电动车这个概念并不新。1912年,纽约、伦敦、巴黎,还有洛杉矶的大街上,跑的电动车远远多于燃油车。以爱迪生为首的一批科学家,认为将来电动车可以统领世界,而以福特为代表的汽车公司走的是燃油车路线。到了20世纪30年代以后,电动车就几乎销声匿迹了,今天燃油车仍然占有绝对统治地位。

*电池的能量密度经100年开发,依然和燃油密度差几十倍,而后者易于储存

为什么一百年前电动车多于燃油车?因为铅酸电池早于内燃机发明二十多年。有了铅酸电池,再接一个发动机,就是今天高尔夫球场开的车,上面再加一个车体就是汽车了。

世界前100年选择了燃油车的根本原因是什么?

第一,燃油的能量密度远大于电池。汽车有压舱钢板,轮船有压舱水,这个能源略微重一点对汽车、轮船的影响不大,但油箱不能无穷大。假设油箱都是1立方米,每种能源蕴含的能量密度大小,也就决定了汽车能跑的距离远近。

100年前,铅酸电池的能量密度是90千瓦时/立方米,人类花了上千亿美元和100多年的探索,电池能量密度到现在特斯拉的电池、比亚迪的刀片电池,也就是260千瓦时/立方米。而汽油的能量密度是8600千瓦时/立方米,柴油是9600千瓦时/立方米。稍后即将提到的甲醇液体是4300千瓦时/立方米,远大于电池。

第二,液体是最好的储能的载体。液体能源有个非常好的特点,陆上可以管路输送,海上可以非常便宜地跨海输送,并可在常温常压下长期储存。举例,2016年我到深圳工作,当时很长一段时间深圳油费为7块钱左右一升,但假设从休斯敦的炼油厂用船拉到深圳盐田港再到加油站,这一升的运费是多少钱?我说7分钱没人相信。大油轮一船可拉30万吨,折算汽油是约4亿升(折算原油约3.6亿升)。路上耗费的就是船的油钱和折旧费,4亿升,一升一毛钱就是4000万元。所以,液体运输有很多好处,且可长期储存。高度酒(如苏格兰烈性伏特加、中国的二锅头、茅台等)存50年没问题,但电和气都不能长期储存。常见的高度酒也是一种醇类液体。

这也是为什么冬天到加拿大那些靠近北极的镇子只有一个加油站,一罐汽油、一罐柴油拉过来就可以满足日常生活了。但电和天然气管网没那么容易可以铺设到。这就是液体能源的优势。

*电动车的电池需要各种矿,成本难以下降难量产,也很难解决冬天续航

第三,电动车主要成本在于原材料,很难量产。内燃发动机是机械的东西,造一台很贵,但量产成本会极大降低。1913年,福特的流水线量产,美国的汽车从4700美元降到380美元,让每个蓝领工人都可以买得起汽车。然而电动车的不同之处在于,每个电池都需要一定量的镍、钴、锂,车上还有铜等各种金属。产能扩张后每台成本会有所下降,但是下降不多。电动车的材料成本占大头,加工成本并不是主流。

中国的电动车从2016年底的51.7万辆增加到2018年第一个季度的79.4万辆,增量为28万辆,相对于当时整个汽车市场一年2900万辆的产量的1/1000,但同期追踪全世界的钴的价格和锂的价格,分别涨到了原来的四倍和两倍。如果技术不突破,不把钴和锂的用量降下来,造得越多材料越贵。这反过来告诉我们,电池的回收技术还有待突破。

最近很多原材料涨价,一方面是因为美国的量化宽松,另一方面就是这些金属原来的供需关系发生了变化。工业上用到的钴、镍这些的量非常有限。现在突然来了这么多造车新势力,供需关系就变了。

我列出来,每辆车需要铜53.2公斤,锂8.9公斤,镍39.9公斤,锰24.5公斤,钴13.3公斤,石墨66.3公斤,稀土0.5公斤,其他0.3公斤。最近,磷酸铁锂电池出来,钴的用量可以降来,但是最大的问题是冬天温度一低它的性能不好了。所以,今天的这个价格,一辆最好的宝马、奔驰的内燃机成本在2300美元左右,特斯拉的电池成本则是在2万美元左右。一个工业要发展必须是可以大规模量产的时候,越大规模越便宜。这就是为什么人类的第一条流水线是福特的流水线。现在资本市场很热,但是一旦补贴政策停止了,能不能挣钱冷暖自知。

*能源全生命周期分析能得出“数据决策”,碳中和也需要用数据说话

能源全生命周期分析概念很重要,我们曾经做过一百多条线的“油井到车轮子”或者是“矿井到车轮子”的分析,要知道中国的能源40%在新疆,怎么把能源输过来,这是一个复杂的系统。

我在GE曾花了几百万美元和很多博士一起做能源的全生命周期分析研究的模型,每一步的排碳是多少,效率是多少,最后用数字说话。回国后,我花了很大的代价把这套方法论引进来,专门在低碳所和美国的最大的EPC公司及国家实验室合作启动了“能源的全生命周期的分析”的项目,从零开始培养这方面的人才。这种软课题在国内很难拿到大的经费支持,但是很重要,因为要用“数据决策”。就像碳中和,将来也要做好各种渠道的碳中和数据搜集,从油井、矿井、天然气井到车轮子、到电灯泡等等,每一步的全生命周期分析,建立模型,用模型分析完以后大家用数字说话。

电动车遇到这些问题,并不意味着不去发展电动车和电池技术,电池技术的研发永远是重要的。

为什么氢能汽车还没有产业化?

氢能一点也不新,早在上个世纪六十年代,阿波罗登月的时候就是带着液氢液氧上天,氢能发的电供仪器用,产生的水宇航员喝。

*氢不是一次性能源,去年全世界氢能源车只卖出1900辆

图为我国氢能汽车生产线,其没有产业化最根本的原因是氢气不适合于作为你我大众共有的能源载体

我曾经在美国联合技术(UTC)-壳牌合资公司工作,很多年美国所有宇宙飞船的燃料电池就是联合技术公司(UTC)生产的。上世纪90年代一直到2005、2006左右,这个期间美国花了上百亿美元在燃料电池上的研发。我记得2003年小布什总统在他的国情咨文演讲时说,他会宣布一个计划,美国能源部花12亿美元开发氢燃料电池汽车,15年后每一个美国人开的车后边排放的都是水蒸气。然而到现在,全世界的燃料电池(车)可能加起来也就是3万多辆,美国不到1万辆。去年全世界氢能源车只卖了1900多辆,丰田也没卖多少辆。

燃料电池汽车,也就是我们说的氢能汽车,为什么没有产业化?最根本的原因是氢气不适合于作为你我大众共有的能源载体。

有媒体渲染说“氢是人类的终极能源”,这句话是不严谨的。氢不是一次能源,而是一种二次能源,或者更确切地说是能源的载体。这个世界有煤田、油田、天然气田,但没有氢田。氢和电以及甲醇一样,是通过别的能源制造的,但是作为载体,氢不具备上面提到的液体能源在能量密度、管道及跨海输送、长期储存方面的优势。

*制氢容易,但储氢、运氢有难度

氢气不适合于做大众能源载体,主要的原因在于有几个方面人们无法通过研发改变。

第一,氢气是体积能量密度最小的物质,我们要求是体积能量密度越大越好。

第二,氢气高压会有一个问题,氢气是元素周期表中最小的分子,最小的分子就意味着最容易泄露,长期储存是问题。

第三,氢气在露天没有问题,但在封闭的空间里,氢气是爆炸范围最宽的气体,可以从4%到74%。小于4%是安全的,大于74%只着火不爆炸。但是在4%到74%这个很宽的范围内,遇火星就爆。因此所以在封闭的空间里,使用氢气要非常注意。因为氢气的爆炸性,现在都不让运输氢超过一定的范围的车辆过隧道,如果把隧道炸掉了怎么办?当然,将来是不是能够建氢管道是另外一个问题。同样建设加氢站要特别小心,因为这些问题,尽管氢能现在很热,但是要谨慎。

疫情前,科技部几位同志可能听说我做过几届全美氢能与燃料电池峰会主席并且二十多年来一直是国际氢能协会的理事,带了几个专家到深圳来调研,我们谈了一下午,之后我把氢能的一些现状、问题以及解决途径写了一个简单的报告,后来他们就把它放进《科技日报》的头版头条里《制氢容易,但储氢、运氢有难度》。

世界上其实氢气的使用很广泛,中国的氢气产能已经达到3000多万吨/年了,今天我们用的每一克的化肥都是氢造的。世界上有这么多的化肥厂、炼油厂都要大量的氢气,但是目前没有一个化肥厂、炼油厂是靠太阳能、风能制氢、制化肥。什么原因?太贵,要是便宜的话,这些化肥厂,炼油厂早就改了用太阳能、风能制氢了。

氢也不是没有优势,也可以做,怎么做?跟我们的碳中和有关系。

为什么甲醇可能是作为最好的储氢载体?

如果今后真正想实现碳中和,并且太阳能、风能可以卖碳税的时候,可以把风能、太阳能和煤结合制出比较便宜的甲醇,通过车载甲醇制氢并与燃料电池系统集成,这就比直接燃烧的发动机效率高。这条路线未来是有可能的。我只能说有可能,不能保证,主要取决于各种政策的调整和碳税。如果碳税上去了,这条线路就有经济性。

*20年前,我曾带领尼桑和壳牌工程师制造出汽油在线转化制氢技术

1L甲醇和水反应可以放出143克的氢。储氢要么压缩,要么冷凝。即使冷凝,1L的液氢也就72克,而1L甲醇和水反应的产氢量是1L液氢的2倍。

为什么这个技术有可能这样做?二十年前,全世界第一辆汽油在线转化制氢的燃料电池汽车,是我领着尼桑和壳牌的一些工程师造出来的。

那时丰田、本田、GM的高压氢燃料电池已经造出来了,尼桑发现落后了,于是找到壳牌,又找到我们,说能不能造一辆车,加的是汽油,汽油在车上和水、和空气反应造氢,然后推动燃料电池,这样燃料电池的效率高,同时也可以不用加氢站。

当时为什么没有做甲醇?因为页岩气革命还没发生,天然气当时很贵。2005年,如果我们预测到会发生页岩气革命,就不会花28亿美元建零污染火电厂。但技术是不可预测的。页岩气革命让世界上突然发现了上百年用不完的天然气,也使得天然气从17美元/百万英热单位狂降到1.5美元,而后平盘到3美元左右。

在天然气价格那么高的时候,甲醇没有经济性。所以,当时我们公司考虑用油,说能不能在车上汽油制氢。老板找我的时候,我说这个项目肯定不挣钱。但是他跟我说,我做阿波罗登月的时候根本没有想到挣钱,但事实上我们阿波罗登月开发的技术后来在各个领域用上了,现在有尼桑给我们钱,只要把技术做到极限,最后也能在其他领域有用。后来,几年之内我们就把第一辆汽油转化制氢的燃料电池汽车造出来了。

*利用甲醛制氢技术,可以将甲醇作为液态储存降低60%碳排放

碳中和路径之一:绿色甲醇氢能的分布式能源热电联供

有了这个技术做积累,甲醇制氢比汽油转化容易很多,因为一方面甲醇干净得多,没有硫;另一方面汽油转化需要850度以上,甲醇和水反应200多度就可以了。

为什么我提甲醇这条线路?甲醇可以从煤、天然气来制,未来可以用太阳能制氢与CO2反应制,或太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇,就变成绿色的甲醇。中科院在兰州已经建设了1000吨的论证示范工厂。现在中国甲醇产能全世界最高,大概8000多万吨。另外,页岩气革命让世界发现了100多年用不完的天然气。有100多年用不完的天然气,就有100多年用不完的甲醇。未来如果碳税真正上去了,我们也可以用风能和太阳能制氢,这样生产的甲醇就完全是绿色甲醇了。

我个人觉得,从中国的天然能源禀赋和工业基础来看,中国有很成熟的煤制甲醇技术,只是要产生很多的二氧化碳,因为要补氢以达到甲醇合成所需要的碳氢比,然而通过水煤气变换将一氧化碳转化成氢气的同时会排放二氧化碳。如果那部分的氢可以在西部用太阳能和风能制,同时副产氧气供煤气化用,能够解决很多排放问题;煤制甲醇的工厂里,空气深冷分离制氧气的空分装置是投资最大的,这块投资未来省下来可以做太阳能电解水装置生产氧气和氢气供煤制甲醇用,这样煤转成甲醇就不用排放二氧化碳,再用甲醇作为能源的载体就可以做到减碳60%以上,这可能是未来比较现实的一条碳中和路线。说穿了是利用现有的基础设施把太阳能以甲醇液体的形式储存下来;这是未来风能,太阳能储能的另外一条途径。

这样风能、太阳能虽然贵一点,但煤很便宜,这两个一中和,成本就可控了。如果在车上用甲醇,就按今天的市场价格买甲醇,每公斤氢气的成本只有15元每公斤。

所以一方面是甲醇制氢的成本低了;另一方面,甲醇常温常压下是液体,甲醇站可以用已有的液体加油站改装。对于一般的加油站,近年可能是6个罐,前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐,再过十年,替换成2个甲醇罐,4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。

电池对小型设备比如说手机非常重要,但是靠电池做大型的储能要非常谨慎。最近国家也非常注意,把梯级利用的大电站停下来了,因为安全性是一个问题。

*冬天续航,通过甲醇转换,相当于车上带了一个车载充电宝

电动车和燃料电池最大的问题在于基础设施的土地成本问题和冬天续航问题。要知道全世界80%主要发达城市位于北纬25度以上,纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、北京、多伦多,这些城市都是有冬天的地方,如果一辆汽车只能夏天开冬天开不了,你会买吗?如果风能、太阳能和煤炭结合转成甲醇,我车上永远装50升的甲醇就好办了。就相当于你晚上睡觉把手机充满,同时还带了一个充电宝。没电的时候,就可以用车上的甲醇和水制氢,用氢发电。这样根本不需要再建那么多充电站和加氢站,而且甲醇和水反应只需要200多度,它的余热就可以把电池维持在最佳的温度,也解决电动车冬天的续航里程问题。

这样,我们就可以谈碳中和的几个现实路径。

第一,通过现有煤化工与可再生能源结合实现低碳能源系统。一方面可以让现有的煤制甲醇实现近零碳排放,另一方面是通过太阳能、风能、核能电解水制备绿氢和氧气,合成气不经水汽变换,这样让煤制甲醇厂不在排放CO2;再用甲醇取代汽柴油开车,或甲醇和水在线制氢发电推动燃料电池汽车或作为电动车的充电宝;这样可大大降低交通运输业的CO2排放,也可以部分解决中国石油不够的问题。因为太阳能风能电解水既可以生产制备甲醇需要的氢气,又可以生产煤气化制甲醇需要的氧气;而且我们的微矿分离技术可以用廉价的劣质煤结合太阳能一起制甲醇,成本上在碳中和的背景下也会有竞争力。这样把中国强大的太阳能风能发电能力释放出来,把风能和太阳能以甲醇液体的形式储存下来;是值得去探索的另外一条储能战略,让太阳能,风能能够大力发展减碳。

第二,利用煤炭领域的碳中和技术——微矿分离技术。在煤燃烧前,把可燃物及含污染物的矿物质分离开,制备低成本类液体燃料+土壤改良剂,源头解决煤污染、滥用化肥及土壤生态问题,同时低成本生产甲醇、氢气等高附加值化学品。

因为传统的煤炭使用方式燃烧二氧化碳排放产生的灰渣有10%的碳,通过分离之后,该做燃料就做燃料,该做土壤做土壤,分流以后,这边释放二氧化碳,更多的森林长起来把二氧化碳吸回来,这样做了完全可以达到碳中和。

这是比较现实的碳中和的路径,而且不需要那么高的成本,适当花一点钱就可以做到的。

第三,实现光伏与农业的综合发展,将光伏与农业、畜牧业、水资源利用及沙漠治理并举,实现光伏和沙漠治理结合,及光伏和农业联合减碳。

西部缺水,水一浇就漏下去了,因此,我们可以采用非常保水的材料。但是西部再保水,大太阳晒还是长不出来,怎么办?有了太阳能板,底下的挥发减少了,就可以种东西。太阳能有一个最大的好处,就是要定期冲这个板,有了发电,大家可以花一点钱拿PVC管子接点黄河水过去,每几周给光伏板冲水,同时,水资源宝贵,冲过的水我们还可以用来给农作物做滴灌。这样,发电的同时还可以把底下全部变成绿色,变好了再把太阳能板搬个几百米,一片片土地可以治理出来。

第四,峰谷电与热储能综合利用。现在中国的火电厂在半夜12点到早上的6点电这个区间,在排放大量CO2,但发的电没人用,可用热的形式储存下来,利用分布式储热模块,在谷电时段把电以热的形式储下来,再在需要时用于供热或空调,这样可以让1/4甚至是1/3的时间的电不至被浪费,可大大降低CO2排放,实现真正的煤改电,再配合屋顶光伏战略及县域经济,进一步减少电能消耗。能量不仅仅是电能,国内储能领域对于储电关注较多,但实际上大多数的能量从消费端来看都是用在了热能领域,储热技术也是需要我们去关注和发展的。

第五,利用可再生能源制甲醇,然后做分布式的发电。可以使用甲醇氢能分布式能源替代一切使用柴油机的场景,和光伏、风能等不稳定可再生能源多能互补。用甲醇液体作为太阳能及风能的载体,甲醇和水制氢再发电取代柴油发电机做分布式热电联供,结合屋顶光伏及储热及热泵技术在广大农村取代燃煤,不仅低碳,环保而且可以减碳。

最后总结与展望,在“碳达峰、碳中和”的时代背景下,需要对一些误区进行澄清,同时认清技术的发展逻辑,找寻现实发展路径。

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