日前，被大家親切地稱為“胖五”的長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空，成功將搭載的實踐二十號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。
“胖五”是我國首款重型運載火箭，具備將14噸載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運載能力。那么，何種燃料才能助推這一“大家伙”一飛沖天?“液氫—液氧”就是其中之一。
不同于目前常規(guī)火箭使用的化學燃料，“胖五”的燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氫，因此又被稱為“冰箭”。而此次“胖五”的成功發(fā)射，不僅證明液氫在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成熟，也為如火如荼的氫能產(chǎn)業(yè)吹來了一股新的東風。
全國氫能標準化技術(shù)委員會(氫能標委會)高級顧問、中國電子工程設(shè)計院研究員陳霖新說，由于液氫儲運具有明顯優(yōu)勢，對于200公里以上的氫運輸有很好的應(yīng)用前景。他認為，液氫要想規(guī)模化發(fā)展，一定要解決液氫制取的產(chǎn)能問題和裝備技術(shù)的“卡脖子”問題。
積極研發(fā)液氫是大勢所趨
為“胖五”減負增力，液氫—液氧推進劑功不可沒。液氫能夠用于航天、軍事領(lǐng)域，依據(jù)液氫的特性和液氫儲運的優(yōu)越性，在氫能發(fā)展備受關(guān)注的當下，液氫在民用領(lǐng)域，尤其是氫能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用場景十分廣闊。
據(jù)記者了解，一直以來，制約我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一就是氫的高密度儲運。而液態(tài)氫是通過預(yù)冷和節(jié)流膨脹等工藝，把氫氣降溫到-253℃從而變成液體，液態(tài)氫的密度是氣氫的780倍，使得氫可以高效地儲存和運輸。
陳霖新對記者表示，液氫的體積能量密度大約是35MPa高壓氣氫的三倍，是70MPa高壓氣氫的1.8倍。雖然從氣態(tài)氫液化為液態(tài)氫需在-253℃實現(xiàn)，能耗較多，但是對于超過200千米的運輸距離，采用液氫時的運輸費和能耗費之和均低于高壓氣氫，所以液氫在規(guī)模化發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的儲存、運輸方面具有明顯的優(yōu)勢。
當前，氫的輸送主要有三種方式：一是高壓氣態(tài)運輸，這是目前氫能汽車發(fā)展的主流技術(shù);二是管道輸送;三是低溫液氫輸送。雖然我國當今尚以高壓氣態(tài)氫為主流，但陳霖新建議還應(yīng)積極進行民用液氫的生產(chǎn)及應(yīng)用示范。
我國在液氫的制備、儲運及應(yīng)用裝備技術(shù)上要想取得突破，尚需時日，但預(yù)計2030年液氫儲運所占比例將會明顯增大。陳霖新表示，目前在我國積極開發(fā)液氫生產(chǎn)技術(shù)及其裝備制造是大勢所趨，應(yīng)采取軍民融合方式加快發(fā)展進程。
為此，陳霖新介紹，從2017年開始，全國氫能標委會組織國內(nèi)涉及液氫生產(chǎn)運營和液氫裝備研究、制造企業(yè)，高等院校編寫制定了《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》《液氫貯存和運輸安全技術(shù)要求》《氫能汽車用燃料液氫》三項國家標準，在調(diào)查研究、試驗檢測和總結(jié)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上完成了送審稿，已在2019年10月審查通過，可望在今年年中發(fā)布實施。
氫源綠色 氫能才綠色
“胖五”的成功發(fā)射，不僅推動液氫民用的步伐，也為整個氫能產(chǎn)業(yè)吹來一股東風。
對于我國氫能的發(fā)展，全國氫能標委會委員、國家能源集團北京低碳清潔能源研究院氫能技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理何廣利向《中國科學報》介紹了 “大氫能”的概念，即規(guī)模化、多元化地利用氫能。
目前，歐洲、日本等國都給予了“大氫能”極大的重視，例如，日本將氫氣用于家庭電聯(lián)產(chǎn)裝置，既滿足供熱需求也能發(fā)電，或用氫氣驅(qū)動燃氣輪機等;歐洲一些國家也在天然氣管網(wǎng)中摻入氫氣，另有一些工廠直接用氫煉鋼、煉鐵。
反觀我國，何廣利表示，目前國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)主要集中于燃料電池汽車，而對別的領(lǐng)域關(guān)注較少。相比歐洲、日本等國，國內(nèi)的氫能應(yīng)用仍有待開發(fā)。
實際上，除了儲氫，制氫也是我國氫能應(yīng)用的一大障礙。如何選擇氫源就是一個很重要的問題。“現(xiàn)在對于氫能的一個誤區(qū)是總是片面地強調(diào)氫能的清潔性。然而，作為一種二次能源，氫能是否清潔取決于氫源的選擇。”陳霖新說。
何廣利告訴記者，制氫主要有幾大來源，即化石燃料制氫、可再生能源制氫和副產(chǎn)氫(化工生產(chǎn)的某些環(huán)節(jié)作為副產(chǎn)物產(chǎn)出的氫)。面對中國富煤、貧油、少氣的狀況，有人提出中國氫源主要就是副產(chǎn)氫。
“這句話不十分準確。”陳霖新說，“副產(chǎn)氫本身并不一定是綠色的，生產(chǎn)過程中也會排放出二氧化碳，那么這樣產(chǎn)出的氫算藍氫還是灰氫?以焦爐煤氣為例，其生產(chǎn)過程產(chǎn)出的焦炭和大量副產(chǎn)品，存在碳的分攤問題。”而天然氣轉(zhuǎn)化制氫不僅同樣存在二氧化碳排放，而且還面臨中國天然氣缺乏的問題。
“制氫、氫儲運”仍需技術(shù)攻堅
陳霖新認為，副產(chǎn)氫在氫能發(fā)展初期可以發(fā)揮作用，但是氫能的長遠發(fā)展還是應(yīng)該以可再生能源電力水電解制氫為主，或者研究開發(fā)太陽能光解水制氫等。
“中國每年因棄光、棄風、棄水棄掉1000多億度電，如果用來制氫可以制造200多億立方米氫。”陳霖新痛心疾首。他告訴記者，“堿性電解槽可以應(yīng)付20%~110%的波動，而PEM(質(zhì)子交換膜水電解制氫)電解槽可以應(yīng)付0%~150%甚至200%的波動。”
“如果能在風能、太陽能資源豐富的西北地區(qū)以及水資源豐富的西南地區(qū)建設(shè)水電解制氫和氫儲能設(shè)備，并以氫管道、液氫運出，既可以解決可再生能源浪費的問題，還可以實現(xiàn)低成本、零碳/低碳制氫。”陳霖新說。
但是，陳霖新強調(diào)，目前我國的規(guī)模化風電、水電、光伏電力制氫及其相關(guān)的氫儲運裝備和工程示范，尚存在嚴重短缺，為實現(xiàn)可再生能源制氫獲得近零碳低成本的氫源，還應(yīng)積極規(guī)劃建設(shè)從制氫、氫儲存到輸送的示范工程，并著力解決其中的關(guān)鍵技術(shù)。
