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分类: 工业

氢动力汽车已离我们不远!

埃莱娜·皮埃尔 / 法国燃气苏伊士集团研究与技术部市场经理、法国氢燃料电池协会出纳 / 2015-04-03

行业正致力于将电能转化为氢来存储,然后再以气体或碳氢燃料的形式加以利用,还有一种办法是用燃料电池的形式提供能量。优点有很多:它能存储可再生能源,可以与天然气、电动汽车电源相结合等等。但是,想要将氢化能源作为永久的正式能源来利用,困难重重。目前科学家们正在努力应对这些挑战。

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巴黎高科评论:近来,氢燃料电池的话题很热。那么,它到底是指什么?

埃莱娜·皮埃尔氢是早在几十年前就在工业上得到应用的元素。和氧元素结合,它能产生电、热和水。这个反应正是在燃料电池中发生的。换言之,在电流的帮助下,电解水能产生氢。更进一步也就是说,氢燃料电池如今提供了一种转换并储存过剩的可再生能源(比如风能和太阳能)的方式。这就是为什么在谈到能源转型时,氢总是能激起科学家们极大的兴趣。

这种方式的优势是什么?

有很多。首先,把未利用的可再生能源转化为氢并储存起来已成可能。换句话说,我们可以长久地保存本来可能被丢弃的电能。然后再将氢重新转化为电能利用。无论是单独的氢还和天然气等气体的混合物,都可以用在碳氢电池上或者把作为热源,提供更多价值。

最后,氢促进了一种本地化的能源生产方式。特别是在可再生能源领域,能源的生产越来越分散,所以因地制宜地用能源从而使生产更贴切消费的需求是很重要的。

既然氢早就在工业上得到了应用,我们为什么在今天又对它重新产生兴趣?

通过电解技术(特别是在碱性电解技术)的能量转换早在几十年前就实现了。但是电解技术又有了突破性的发展,比如市场上已经出现了PEM(质子交换膜)燃料电池。对这一领域的大量重要研究和开发工作加速了技术的变革并且显著地减少了设备成本。我们的目标是获得一个具有极高灵活性的电解槽,因为为了及时回收再利用过剩的可再生能源,我们要求这些设备能非常便捷地随时开始或停止工作,并且能在满负荷和低负荷状态下都能完美运行。在可再生能源市场上,灵活性是一项非常重要的指标,灵活性越高,就意味着越能在减少损耗的情况下回收电能。这些先进的电解材料在未来非常有前途,因为技术提高了效率。这就是为什么今天人们又重新对氢燃料电池产生兴趣。

氢的主要用途是什么?

除了用于电力的存储,氢也可以通过和天然气混合来提高价值。我们正在进行一些项目,比如在列克尔敦的GHRYD项目,该项目的目标是探索将氢注射入天然气网络的可行性。这个项目将带来提高可再生能源价值的新方式。它的目的是从科技、经济和环境角度来评估“电气转换”(Power to gas)技术。

GHRYD分为两部分。一方面,为了研究注入氢气的可行性,我们在一个有200户的新社区,在不改动原有设备或增加新设备的前提下,调整向天然气网络注入的氢气比例(0到20%不等)。研究的目的是利用多余的可再生能源(特别是风能),将它们以氢的形式存储,并根据需要注入网络。我们将研究在给锅炉供能时网络里混合物的性质,评估可能的变化。我们的目标是以一种非必须的方式,根据可用率来确定注入网络的氢气比例。因此,我们正在努力开发一种成本可接受的灵活系统。

另一方面,GHRYD项目把车用天然气(GNV)和氢气混合(氢气占比6%到20%),测试一种碳氢化合物。这种燃料被用于列克尔敦及它周边的50多辆公交车上,我们只需要研究这些车辆的数据。用这种燃料的好处是氢帮助“绿化”燃料,实际上,通过生产绿色能源,已经增加了可再生能源的份额,减少了二氧化碳排放量。另外,2004年到2009年在列克尔敦做的另一项研究表明,不必更换GNV发动机就可以改善氢气的效率。换言之,这是一个无论从生态上还是从经济上都非常引人注目的方案。

因此我们可以想象靠天然气-氢气混合物或者只靠氢气驱动的汽车吗?

当然,许多国家正在开展这方面的开发工作。燃料电池有从1kw到1mw不等的功率,以满足从工业到私人家庭的不同使用需求。实际上它非常适合在装有氢蓄电池的汽车上使用,通过把氢转化为电能,驱动汽车的电动引擎。我们目前可以确定,一个燃料电池可以提供300到500公里的续航里程,这远远高于传统的电动汽车;而且,电动机本身并不需要做大的调整。许多致力于开发嵌入式电池和存储技术的研究也正在进行中,这意味着占用更少的车身容量,就能提高续航里程并减少成本。第一批搭载燃料电池的车辆在刚刚开始的商业化过程中取得了圆满成功。以丰田为例,它在今年已经开始生产和销售Mirai系列电动车型。

科学家们同样也在开发固定燃料电池用于安装在私人住宅,这种电池为住宅同时提供电能和热能,也就是所谓的热电联产;固定燃料电池同样也可以为电动汽车充电。在日本,有超过10万的固定燃料电池已经被安装并在天然气网络中直接发挥效用,这也就证明了这项技术正在迅速地发展并普及。

这就意味着要建设大量充电基础设施,并在服务站里大量安装固定燃料电源。

是的,而且我们目前正在处在这一过渡时期,我们将需要建设很多的充电站和氢站。为了促进移动氢能的发展,一项由德英法三国共同开展的研究已经确立了未来20年推广基础设施建设的线路图。在法国,参与“法国移动氢气”(H2 Mobilité France) 计划的企业选择了集群发展的道路。这个计划首先在拥有大量电动汽车的局部地区建设充电站,因为这些地区的汽车通常是短途行驶,而且车主每晚都会开车回家,所以非常合适。之后,这个计划将要把各个已经建好充电站的地区逐渐地连接起来,从而建立完整的网络。

这也涉及到电热联产的问题……

燃料电池能高效率地生产电和热,尤其是电能。那些已经安装在住宅并通过已有的天然气网络的固定电池已经开始为个人提供电和热了。对城市而言,天然气输送网络或气-氢混合物将会成为实现高效能源必不可少的工具。这就是GHRYD计划所要表明的内容。

要振兴燃料电池行业,主要需要应对哪些挑战?

立法层面是根本性的,因为法规能保证各种使用过程的安全。目前,氢几乎仅仅在工业上得到了应用,现有的规章制度主要是针对工业应用,而不适用于在移动电话或者车辆上的应用。如果氢能在公众中得到广泛应用,就必须修改针对固定电池和移动电池的相关规定。然而,规则需要通过协商来制定,最终要达到一个平衡点,而不能用死板性和复杂性而阻碍这个行业的发展。

另一个挑战是成本问题,目前它的成本远高于现有能源体系的成本。研发工作的重点也在于提高生产效率并降低成本(也就是说获得好的性价比)。将电解产业化并大批量投产能有效降低成本。(事实上,目前成本正在迅速地降低)氢气的生产成本最终是与电力成本挂钩的。可以肯定,从长远来看,大规模地引进可再生能源将会大幅降低电力成本。

最后,能否被社会上广大消费者接受是一个真正的挑战!因为人们知道许多与氢有关的潜在风险。要将氢推向市场,提高公众的认知度与接受度是一项很重要的工作。

氢燃料电池的发展已经完成了基础研究阶段?

是的!虽然不再去做新的研究,但由于它的重要性,对氢燃料电池的研发工作不会停止。我们目睹了氢燃料电池在日本、欧洲地区的初步发展,氢在某些市场上是成熟的,而在其他市场上还处于预审阶段的应用研究和首批原型。在一些已经成熟的领域,燃料电池也可以得到应用,比如在电信天线领域,有些发射基站是十分偏远的,将来可以给这些基站装配燃料电池作为备用能源,与传统能源相比它具有巨大优势。

尽管如此,商业模式尚未建立,燃料电池并不等同于气体锅炉,科学家还需要做很多工作来提高设备的竞争力。可能需要政府的参与来使成本更具竞争力。氢气和天然气的融合可以帮助氢气实现价值。(陈昕/译)