氢气转化可规避氢能事故开辟应用新途径

氢气易燃易爆，众所周知。防止氢气燃爆，广受关注。近日，国家能源局综合司发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》，其中第2项“防止火灾事故”的第6条是“防止氢气系统爆炸事故”，提出发电机氢气冷却系统、氢站或氢气系统在运行、维修、氢气纯度、排放等方面的8项要求。这是电力生产中用鲜血换来的宝贵经验，价值极大，应该推广执行，也值得其他涉氢部门学习借鉴。能源用氢比工业用氢更危险氢气可以用作工业原料，我国年产氢气超过2500万吨，80%用于合成氨。这些工业部门已经建立起完善的安全操作规程，再加上氢气从生产、传送到使用都在企业内部的密封管道和容器中，除非泄漏、破裂会造成事故外，正常生产中的事故很少，安全是有保障的。现今，氢气作为能量的载体进入能源领域，一方面是由于可再生能源电解水制得的氢气可以长时间存放，这一点胜过储能电池；另一方面，燃料电池技术的进步使得氢气有了用武之地。于是，发展氢能和氢燃料电池电动汽车呼声很高。但是，以相同用氢量预计，能源氢气的事故概率将远高于工业氢气，主要有如下理由。首先，我国氢能生产地与使用地距离遥远，不仅高压管线建设耗资巨大，而且管材的氢脆容易引起安全问题。例如，用管状高压容器运输，短途可行，长途的能耗过高，经济上不可行。而工业用氢是就地生产、就地使用。其次，能源氢气从生产到终端使用要经过产地储存、压缩、输运、用地储存、再行压缩分装等许多环节，要在不同容器间发生多次转移，引发安全问题的可能性增加，而工业用氢多在一个密闭的管线系统中完成。最后，加氢站高度分散，点多面广；燃料电池电动汽车更是星罗棋布，发生事故的概率要比工业集中用氢大得多。能源氢气现在用量尚少，但国内外已经多次出现事故。北京大学教授李星国新出版的《氢与氢能》一书以43页的篇幅详细讲述了“氢气的安全性”，介绍事故、分析原因、列举措施，内容丰富，值得研读。氢气转化有利于提高安全性能源氢气的储存、运输、分发等环节难题多，安全性差。将氢气转换为液态能源主要有体积缩小、体积能量密度提高等优势，但是还需综合对比安全性、生产成本，以及全过程的能量转换效率。液氢的密度比常温氢气约高780倍，显然有利于储运。但是，液氢需在20K的低温下保存，压缩—液化耗能很高，容器要用极好的低温绝热材料，每天还会蒸发产生约1%气态氢。因此，其除具有氢气所有的安全隐患外，还有超低温引起的一系列问题，如金属延展性降低、连接部失去密封性、对人体的冻伤等。因此，除航天等不计工本的特种用途外，液氢并不适于作为普遍使用的氢能。日本目前正在尝试从海外运回液氢，其后效当拭目以待。将氢气转化为能源液氨，可以工业化规模生产，工艺成熟，设备齐全，可实现较高密度储存、运输。但是，液氨的储存、运输也需加压，而且使用时分解放氢既要吸热又有毒，弊大利小。数据显示，乙醇的体积能量密度高。乙醇可从二氧化碳经光合作用转化生成的生物质转化而来，是可再生的能源。遗憾的是，它至今还难以简易地从氢气转化而成。相比之下，在高温和催化剂作用下，可以一步将氢气转化为二氧化碳制甲醇，能量转换效率现已大于50%。其体积能量密度不低，又易于储存运输，安全性远高于氢气。不仅如此，此举还消除了本要排放到大气中的二氧化碳，为碳中和作贡献。这种甲醇可称之为“绿氢甲醇”。迄今为止，冰岛已实现年产4000吨的甲醇生产。中国科学院上海高等研究院与两家企业合作，开展了二氧化碳加氢制甲醇技术及中试放大研究，于2020年7月建成5000吨/年的工业试验装置。由此可见，此“绿氢甲醇”之路已通。“绿氢甲醇”开辟电动汽车新路径甲醇作为能源，可通过多种燃料电池发电，也可重整为氢气用于质子交换膜燃料电池。但是，燃料电池发电的全寿期能量转换效率未必高过内燃机。现在，国内用煤制甲醇（可称为“灰氢甲醇”）的内燃机汽车技术已经成熟，制作成本和使用方便性远胜过燃料电池。“绿氢甲醇”当然也可这样使用，这就成就了零排放的“绿氢甲醇汽车”。为了大幅度节约“绿氢甲醇”，应该发展“绿氢甲醇增程式电动车”，其装量较少的电池由风力或光伏发电提供充电电能；用内燃机作增程器，不烧油而用“绿氢甲醇”；车上蓄电与发电并联，节省燃料50%；不必常充电即可行长里程。这种复合动力系统堪称珠联璧合，是氢能汽车的升级，也是未来纯电动车的发展方向。氢气转化为甲醇，开辟了氢能应用和增程式电动车的美好应用新途径，亟