铝制氢的特征不适宜商业化储氢
经过十多年的发展,氢气的制备已不再是行业的难题,所以利用金属铝制氢,目的在于解决高效存储和运输氢气的难题。这并不是特别的创建,比如美国军事研究院(the Army Research Laboratory)开发了一种铝合金粉末,通过与水反应,可以为单兵和战斗小分队提供氢气和热量,进而为携带的燃料电池供能和提供烹饪所需的热量。“南阳水氢发动机”利用铝水反应制氢,“水+铝粉”的制氢过程和装置(添加了成分依然保密的催化剂),所得氢气作为燃料,输入电堆(MEA)产生电流,驱动电机做功,除了水氢装置取代了储氢罐,“水氢发动机”与普通氢燃料电池车没什么两样。在“南阳水氢”事件中,水作为制氢的介质,却被当做一种能源进行重点宣传,是有极大误导性的。以铝制氢,其实是一个化学能转换释放的过程,也就是金属铝氧化的过程,最终得到的除了氢气还有大量的氧化铝和热能。
水氢汽车引起能源业界关注,在于其代表着解决储、运氢气难题的一种思路:通过车载更安全、易得的原料水、铝粉而获得储存氢气的便利。不过我们并不需要“水氢发动机”的下线来试错,仅从能源科学和经济学角度即可证伪。
从水的化学属性上看,根本不可以称其为能源,在热稳定性上,水是自然界中最稳定的物质之一,堪比难于处置的温室气体──二氧化碳。但水又是氢氧化合物,理论上有足够的能量作用,跨过氢氧间势垒并打开氢氧化学键,可以令水分解成氢和氧。氢循环与碳循环一般,可以为生物体直接提供能量;地球孕育生命的初期,星球表面和大气中存在有较多的氢气,但氢气密度最小的这一事实,使大量的氢气逃离了地球引力的束缚漫溢到外太空里。剩下的氢气则在高压环境下自燃生成水,所以即使成分复杂的常压空气中也几乎不存在单一的氢气成分(常温常压空气中低于两百万分之一),可资利用的氢能源主要以氢氧化合物的形式(如H2O)、碳氢化合物的形式(如甲烷)或有机体内的糖、脂肪和醇类等形式存在于自然资源中,需要依赖其他能源提炼、制备纯氢,所以纯氢与电一样都属于二次能源产品。
从现有铝制氢适用性看,铝制氢更适宜特殊情况下的一次性储氢,比如军事用途储氢。直接将铝作为燃料,“加铝上路”则是另一个故事。能源作为一种商品,开发、应用、排放的处置成本永远是其大规模应用的基础,从经济上制约着任何一种能源产品的能源主体地位,决定了某些能源经济意义的枯竭和丰饶。“南阳水氢发动机”之所以抓人眼球,即在于它能一定程度上降低储存、运输氢气的成本。
但是制氢所增加的成本却使整个燃料系统的能源循环算不过账。能源的成本是市场充分条件下,技术和资源稀缺程度的集中体现,是一种时点上的均衡。“南阳水氢发动机”的使用成本主要集中于铝金属成本和氧化铝等催化剂成本,网上有粗略以铝价为基础计算的制氢成本,相对于电解制氢、煤气化制氢等主流路线成本要高几个数量级。实践上为了得到纯氢,同时提高反应的速度和稳定性,必须使用高纯铝粉和氧化铝催化剂,达到四个九即99.99%的纯度,这一纯度的特种铝制品价格远远高于普通铝价。
铝的成本曲线,来自于铝土矿的稀缺性和电解铝的高能耗,在可见的将来,作为工业原材料铝的价格也很难成量级地递减。氢气制备这一重要的工业化技术环节:包括化石能源制氢、电解水制氢等集中和分布式制氢的成本控制,以及尚在实验室阶段的核电站废热制氢、生物制氢、光电制氢等等非主流路线,这些制氢技术在绝大多数条件下都比“南阳水氢发动机”铝粉制氢成本便宜很多。