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【工業】【能源】再談氫經濟
2020/02/14 01:07:28瀏覽22369|回應3|推薦34

我在五年之前,寫了《永遠的未來技術》一文,討論兩種被廣汎吹捧的新能源,也就是核聚變和氫經濟。當時我下的結論,是核聚變發電和氫動力汽車,都是不切實際的妄想,要在本世紀有經濟性地普遍部署是“不可能的”(在我的詞匯裏指低於0.01%的成功機率;不過中國現在所專注的Tokamak設計,其實成功可能性只有10^-10,德國的Stellarator才對應著10^-5)。五年後復盤,當年為Toyota Mirai鼓噪造勢的人早已噤聲;核聚變雖然仍舊吃香,但這是因爲它每一代實驗的周期長達30年(例如ITER計劃始於2007年,到2020年預計全規模實驗開始的時間已經被延到2035年),要等待真相大白於世,只怕我們這一輩人早都死光了。這正是Goebbels所說的,謊言越大越難揭發。反過來考慮,核聚變至少還建立在真正的科學理論基礎之上,投進去的錢也主要留在國内,所以遠遠沒有大對撞機那麽離譜,我個人力量有限,還是專注在揭發後者這個真正誤國誤民的大忽悠上吧。

最近幾周,又有了新一批鼓吹氫經濟的科普文章在表面上無關聯的幾個西方媒體相繼刊出(例如https://earther.gizmodo.com/europe-has-a-130-billion-natural-gas-problem-1841448077https://oilprice.com/Alternative-Energy/Fuel-Cells/Green-Hydrogen-Is-Right-Around-The-Corner.html#https://www.forbes.com/sites/patsapinsley/2020/02/11/its-time-to-talk-hydrogen/#196f8756470b ),這是有財團勢力在背後推動才會出現的現象,不過這次倒不是Toyota或其他汽車公司要推銷新型的氫動力汽車;事實上過去五年中,汽車工業界已經放棄了氫動力和柴油,準備在2030年之前把應對環保壓力的重點轉移到電動汽車上。這一波氫經濟公關要宣傳的,其實是我在《永遠的未來技術》的正文和留言討論中簡單提到的(例如這句話:“用氫來儲能,以備尖峰用電時發電,或許是可行的”),工業化集中處理氫氣,作爲電網儲能的一部分,所以它並不是無的放矢的吹噓。我預期在未來幾年,這方面的科普宣傳和投資計劃都會持續出臺,所以在這裏先向讀者解釋清楚此事背後的科技、經濟和商業考慮。

我們先回顧一下,氫能源在工業應用上的短處和困難。這其中最嚴重的,當然是我在《永遠的未來技術》裏特別强調的安全性問題。氫氣非常容易爆炸,天然氣與之相比都溫和得不得了,要在城市裏普建加氫站實在不是明智之舉;即使爲了政治或商業迷思而硬幹,也必然會在幾年内被現實打臉。事實上,當前世界只有極少數的消費者加氫站,但是已經不斷發生嚴重的爆炸案;只看去年,就有六月在美國加州Santa Clara和挪威的Oslo一連爆了兩次,到了九月南韓的五個站中也爆了一個。這樣的出事機率是每年百分之幾的級別,而且還是在大公司不惜工本來直營的背景下發生的;如果加氫站如同美國的加油站一樣,隨便哪一個個體戶都可以開,那麽其危險程度可想而知。

氫的危險性太高,不適合直接面向消費者,所以只能考慮工業上由專業人員集中管理的可能應用。但是現代石化工業已經有百年歷史,規模龐大、種類繁多,爲什麽氫氣始終沒有取得一席之地呢?這是因爲氫本身還有好幾個特性,使得生產、儲存、運輸和使用都很困難。

首先,在地球表面常見的分子之中,氫是除了氦之外尺寸最小的。工業上一般應用的金屬材料,包括碳鋼、不鏽鋼、鋁合金、鈦合金、鎳合金和鋯合金,晶格間隙都容許氫分子的滲透,很快就會造成機械性能的嚴重退化,這叫做“氫脆”“Hydrogen Embrittlement”。另一方面,氫氣管道的密封隔離也格外困難;再加上氫氣密度太低,儲存起來不是極高壓就是極低溫,使得如氫氧火箭發動機的設計與製造上就是麻煩不斷。在航天這種高價值特殊用途還可以勉强忍受(即使如此,甲烷燃料火箭仍然是新一代的研發熱點),在一般能源供應上,氫的儲存筒和運輸管道,規格和價位都遠超天然氣,也就沒有經濟上的競爭力。

其次,許多科普文章喜歡吹捧的PEM(Proton Exchange Membrane,質子交換膜)燃料電池,其實非常地不實用。經過幾十年的研究發展,雖然名義上有60%的效率,至今仍然無法可靠地將壽命延長到超過幾個月的連續使用(參見https://www.intechopen.com/books/proton-exchange-membrane-fuel-cell/degradation-in-pem-fuel-cells-and-mitigation-strategies-using-system-design-and-control),所以基本也沒有什麽經濟性可言。德國勉强把它用在212型潛艇上,但這又是因爲特殊軍事用途對高昂成本的承受力比民用工業高得多,潛艇的AIP系統也不須要365天24小時持續運作。

第三,氫氣生產和使用過程的效率低得驚人。直接用水電解的話,陰極、陽極、電解液都很容易失效,以致於目前能工業化大量持續生產的最高能量效率只有25%!做爲對照,大型工業馬達在電能和動能之間的轉換效率已經達到99%以上。所以現在石化工業遇到非得用上氫氣的化學反應時,反而是采用天然氣做原料,通過效率大約70%的Steam Reforming Process(蒸汽重整)來產製氫氣;這也就是人類目前要生產氫氣最具經濟性的方法。接下來如果要長期儲存,壓縮氫氣會損失15%的能量,使用時減壓釋放再損失5%,這樣一來,就算未來有了技術突破,能解決PEM燃料電池的耐用性問題,從生產-儲存-釋放-發電的氫氣發電總效率也不會高於70%*85%*95%*60%=34%,這還不如小汽車上燒汽油的内燃機,更別提直接燒天然氣的聯合循環燃氣渦輪(Combined Cycle Gas Turbine,CCGT)發電站早已經有實用化的64%總效率。

既然氫能源技術的缺陷如此明顯而嚴重,爲什麽會有人想推動建立它的產業生態呢?這其實有其特殊的時代背景,倒不算是忽悠。我們先從臺面上的公開因素談起,也就是因應氣候變化而必須減少使用化石燃料來發電的全球共識。

在2015年巴黎協約訂定有關削減碳排放的議程之中,歐盟的態度最爲積極,采用可再生能源來取代核電、煤電和天然氣電廠的計劃也最爲激進。然而如同我在《台灣能源供應的未來》的正文和留言欄中解釋過的,風能和太陽能這兩種主要的可再生能源雖然在價格上已經有競爭力,但是它們看天吃飯、時有時無的特性,卻代表著先天不可能獨力滿足所有的電力需求。晝夜之間的變化,還可以靠將大型電池組聯入電網來解決;冬夏之間的季節差異,就需要能量密度更高、長期儲存更方便可靠的技術。所以在最近幾年,各式各樣的腦洞大開,如大型升降機或山頂蓄水池等等,居然都能得到投資。但是這些儲存物理位能的辦法,實用性明顯地可疑,真正靠譜的還是化學能。

照理説,天然氣目前供過於求,價格很便宜,碳排放也顯著低於煤電。雖然甲烷泄露(Methane Emission Slippage)是個大問題,而且向來沒有精確可靠的統計或監管(參見前文《統計與謊言》以及https://www.euractiv.com/section/energy-environment/interview/us-scientist-methane-leakage-reports-have-an-inherent-low-bias/ ),但是在2020年一月底,歐盟總算決定要動手彌補(參見https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/eu-working-on-plans-to-expose-climate-impact-of-natural-gas/1428789/ ),首先建立甲烷檢測體系,包括專職的監視衛星,十年之内可能會杜絕大部分的隨意工業排放。再加上天然氣發電效率高、啓動快、基礎設施完備、技術成熟,實在是最佳的調峰和尖載(Load Following/Peaking Power)電力來源。

但是歐洲白左文化盛行,不講究理性權衡折衷;在他們眼中,燒天然氣也會產生CO2,那麽就只能是中短期内的過渡辦法,到了2050年全電網都必須是100%的可再生能源。美國加州也在2018年提出以2045年為最後期限的計劃(模仿夏威夷的前例;但是加州比夏威夷要大得多了,執行起來的現實問題也就更困難許多),MIT隨即發表論文(參見https://www.technologyreview.com/s/611987/how-california-could-affordably-reach-100-percent-clean-electricity/ )指出硬要追求100%的可再生電力來源,會比以80%為目標貴上許多倍(“…costs begin to rise exponentially once the share of variable renewables crosses roughly the 80 percent threshold”)。這是因爲不但可再生能源的供應有很大的不可控波動,電力需求曲綫本身也有它自己的各種規律和隨機起伏,如果硬是要求可再生能源的低谷也要高過電力需求的高峰,那麽就必須有數十倍於長期平均值的應急供應量。由於電池的能量密度很低、壽命又短,所以即使大規模應用在電網儲能上,仍然沒有經濟上可接受的解決方案。

不過MIT的論文假設了儲能技術不會有突破性的進展,於是很多人在這裏看出商機。既然前面提到的儲存物理位能的辦法,明顯地不實用,自然有人開始檢視各種化學能儲存方案。最近冒出來好幾篇試圖直接用CO2合成甲烷的論文,也是這個背景下的產物,但這比物理位能還要更不切實際;真正在乎經濟性和實用性的大企業,最後還是覺得氫氣是目前已知最不壞的選項。

他們會得到這個結論,有以下的一些考慮:

1)電解得氫和燃料電池的耐用性和效率問題,相對來説還算是容易解決的。花10-20年來做研發,把電解的效率提高到60%,燃料電池的壽命提升到3-5年,成功的機率在50%上下,遠高於學術界和創投界的那些狂想。他們甚至已經説服政府掏腰包來做這些研究,例如英國的Gigastack計劃。

2)MIT論文論證了這些尖載電力需求的頻率,發現以年度總發電量來計算,是很小的百分比(亦即x%,x<10),那麽氫能源循環的效率雖低(假設60%*85%*95%*60%=29%),浪費的仍然只是百分之幾(x%*(100% 29="" -1="" 2="" 44="" x="" p="">

3)這些企業很多是化石燃料能源體系的既有玩家,而在所有的無碳能源選項中,氫最靠近他們的核心技術能力(Core Competence);例如輸氣管道雖然必須改進材料,但與現有的天然氣基礎設施還是有許多類似之處。趕快把氫能源扶持上位,是他們在這場技術革命中維持營收和利潤水平的最佳途徑。

瞭解了這些背景資訊,我們就能正確解讀最近的一些新發展。例如法國的Engie公司剛剛投資在Cappelle-la-Grande村,對100家用戶提供混入20%氫氣的天然氣,而這些氫氣來自特別安裝在當地的小型電解製氫設備。這樣的系統毫無經濟效益可言,除了公關價值之外,其實是用來實驗既有天然氣管道所能承受混入氫氣百分比的極限(似乎是25%)。Engie的資產包括了法國的天然氣管道系統,所以這是他們關心的議題之一。

至於不受白左思想控制的經濟體系,其實可以直接忽略最新這一波歐美能源公司有關氫能源的公關推銷。用天然氣、核電和電池儲能來輔助風能和太陽能發電,是遠遠效率最高、經濟性最好的低碳能源方案;投入大量人力、物力、財力去追求100%的零碳指標,不但是無意義的虛榮,而且會造成很大的浪費。

【後註一】有讀者私下問一個問題,我覺得可供大家參考:《問》孟源先生您好!想再請教一些您有關核聚變的問題,希望有空時不吝解惑。現在中國大力推進的以託卡馬克裝置為主體框架的核聚變研究,我了解它是採用高能微波加熱反應物到等離子態、用強環形磁場來實現約束高溫等離子體在一定空間,那麼實現聚變反應是在同一空間內還是導入另一處空間?聚變後的高溫氦核能量又是考慮採用什麼方式轉化利用?這種裝置要具備實用價值除了可控以外還應該要有一定的較高密度的正向能量輸出,這其中主要的工程技術難點是什麼?

《答》Tokamak原本是蘇聯的設計,是對美國的Stellarator的一個簡化修正。其實Stellarator才是一般人想象的,用強磁場把高溫等離子體穩定地局限在環狀空腔之中,讓它持續進行聚變。這裏的重點,是“穩定”兩字;等離子體在環形强磁場下,並不會乖乖地轉圈圈,而會自然地發生扭曲和紊流,所以美國人做不出來。然後蘇聯的研究人員說,我們在等離子體裏故意產生電流,電流產生次級磁場,就能暫時抑制紊流,結果比美國人好了兩三個數量級,於是大家一窩蜂地跟上去,成爲世界的主流設計。但是Tokamak這個花樣,本身其實並非真的穩定(專業術語是它有MagnetoHydroDynamic Instabilities,MHD不穩定),只不過是把等離子體崩潰的時間減緩,所以像是ITER和後續設計要發電,必須是脈衝式的,也就是等離子體被注入、加熱、聚變、崩潰、排出的循環必須以每隔一段時間(ITER號稱400秒)重來一次不斷進行,就像内燃機的氣缸那樣。換句話說,不但是佔聚變產能80%的14MeV中子,全部會打在内腔壁上,幾億度的等離子體也是每一輪回都把絕大部分能量釋放到内腔壁。所以客觀的評估(例如我的),早早就可以確定,不論投入多少錢和時間,也不可能製造出能承受60年(目前核裂變反應爐的壽命)這樣打擊的内腔壁材料,因爲連能承受10個輪回的,都遠超人類現有的材料技術。

近年計算機能力持續進步,有科學家回頭去看Stellarator内的等離子體紊流現象,發現超級計算機可以做出精確的預測,那麽腔室該有的奇異形狀就能被精確算出,於是就有人(主要在德國)開始建設大型的Stellarator實驗反應器,發現可以以低一個數量級的尺寸/費用,達到新型Tokamak的聚變指標;因爲幾乎沒有MHD不穩定性,它在等離子體的壽命上,也有很大的優勢。不過高能中子的遮擋吸收問題,仍然無解,這也就是五年前我的文章《永遠的未來技術》只抓高能中子一個問題來討論的原因。

其實另外還有一個無解的普世問題,就是高溫等離子體處於熱平衡,所以個別離子的能量必須遵守波茲曼分佈,有快有慢,那麽用來局限等離子體的强磁場只能針對離子的平均速度來設計,最快和最慢的離子必然會脫離“磁場瓶”“Magnetic Bottle”而撞上内腔壁,這是Stellarator也無法解決的(這些問題叫做“Plasma Transport”,我只簡單描述了其中的一種)。所以你問的那些工程問題,答案都是“無解”、“不知道”和“不可能”。Tokamak沒有“主要”的工程技術難題,而是每一步向前都是難題,其中多數是明顯無解的。

《問》裂變產物也會有高能中子流,那麼目前核裂變電站是如何轉化利用高能中子流的?為什麼不能適用於聚變情況?

《答》裂變的中子只有2MeV的能量,而且燃料直接泡/包在中子減速劑(一般是水、重水或石墨)裏,所以不會危害承重結構。聚變的等離子體必須處在真空,内腔壁不但要屏蔽中子,還要吸收反應產能的大部分(幾個GW!),然後還不能釋放粒子污染等離子體;人類距離有這樣的材料還遠得很。

【後註二】今天是2020年三月15日。新冠疫情引發全球金融和經濟危機的許多後果之一,是過去12年因爲美聯儲量化寬鬆而得以輕鬆獲得投資的那些核聚變初創企業,應該會倒下一片,參見https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-03-15/billionaires-chasing-fusion-energy-face-a-credibility-test

【後註三】今天是2020年四月28日,我上網查了一下全釩液流電池的最新進展,發現的確是因爲鋰電池技術成熟、批量生產的成本優勢太大,使得過去幾年很難找到投資人。在建造成本上,釩雖然儲量相對豐富,但是以往沒有什麽工業應用,所以既有的產能嚴重不足,導致單位價格居高不下;在營運成本方面,則由於交換膜和液流泵還處於第一代設計,壽命依舊過短,必須時常更換,以致電池液的極長壽命優勢無法發揮。

中國研發全釩液流電池的領頭單位,似乎是大連融科儲能。目前在建的計劃有大連液流電池儲能調峰電站項目,是經國家能源局批准建設的首個大型化學儲能國家示範項目。這是目前全球在建規模最大的釩液流電池儲能電站,規劃容量200MW/800MWh,總投資35億元,其中一期項目總投資19億元,建設規模100MW/400MWh,2016年立項,2017年資金到位,預計2020年6月30日前完工;不過由於受新冠疫情影響,是否延期還有待觀察。

【後註四】2020年七月15日消息(參見https://www.pv-magazine.com/2020/07/15/new-alliance-aims-to-break-600-w-threshold/)傳出,中國的光伏企業組成兩個制定新工業標準的聯盟:首先是39家公司一起推動600+W的光伏模組,以突破現有的500W上限,然後有7家企業成立了一個國際聯盟,要以182mm硅片取代舊有的157mm標準,不過這面臨天津中環半導體的挑戰,後者使用專有的210mm規格(參見https://www.pv-magazine.com/2020/06/25/manufacturing-industry-seeks-unity-on-wafer-size/)。

這是中國光伏產業稱霸全球的表徵。

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 回應文章

無知者,無畏
等級:8
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高風險,且不可控!
2020/02/21 05:25

王兄提到的兩種未來主要可能出現的能源,氫以及核聚變,從風險分析和管控的角度來看,是典型的“風險已知,但是控制成本過高”的案例。

至於燃油(汽油,柴油,煤油等)和燃氣(碳氫化合物之甲烷到丁烷等)則是屬於另外一個典型的,“風險已知,而且控制成本低”的案例。

未來的科技進步,如果不能有效解決上述兩種(氫和聚變能)的風險控制,而且控制成本可以接受,那麼這兩種能源,就會一直僅存在於紙面上。

近些年,有一個實例證明科技進步可以帶來新能源(含可再生能源)進入實際應用的可能,那就是太陽能。若干年前,太陽能還僅存在於紙面和太空應用,對於民用來說,不合算,因為它的成本太高。但是隨著科技進步(主要是兩個方面,一,光電轉換率提高到接近20%,二,光電轉換單元的製造成本大幅下降),使得太陽能的成本(含設備折舊的長期性)接近(尚有距離)水力和煤電,所以太陽能就可以實用化。

本人也對未來氫和聚變能的風險控制持悲觀展望,最少30-50年內不會有實質性進展。

王孟源(MengyuanWang) 於 2020-02-21 08:18 回覆:
太陽能和風能即使在20年前,技術路綫已經很明確,沒有基本的工程難關或安全性隱患,所需的研發純粹在於減低成本和提高效率,這只要有政府和企業肯花大錢來支持(例如爲了環保),逐步量產後持之以恆,成功沒有疑慮。換句話說,它們失敗的可能性,主要來自市場選擇,這和氫能源以及核聚變是技術本身内建的固有缺點,完全不同。
像是我以前提過的全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Flow Battery,VRFB)也沒有什麽嚴重的固有缺點,但是爲什麽我說它成功的機率只有10-50%之間呢?就是因爲VRFB面臨鋰電池的競爭,至今沒有政府和企業的全力支持共識。雖然鋰電池先天不適合電網級別的作業,但是因爲消費者電子產品、PC、然後電動車一共30多年的量產和投資,成本和效率上已經高度優化,而VRFB仍然停留在第一代設計,電極、電解液和尤其是薄膜都有問題。你只要拿第一代鋰電池和現在的比一比,就會知道爲什麽VRFB被最新的鋰電池壓著打。但是鋰電池在電網儲能上的發展潛能顯然不如液流電池,所以這是真正需要政府出手,突破初始難關的一個襁褓技術,如同20年前的太陽能一樣。

schrodingjier‘s cat
等級:2
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2020/02/15 23:56
100%这个数字,恐怕只在数学和普罗大众的一厢情愿中才存在。在自然科学和工程实践中追求100%,实在是对抗规律自讨苦吃。

文中对氢能源的优劣说的很透令人信服。关于氢储存和输送,近年来似乎有合成材料(塑料玻璃纤维碳纤维)储氢罐,这方面的进展能否解决一部分安全性和可靠性的问题?

另外pumped storage hydroelectricity作为调峰已经广泛使用,山顶蓄水池脑袋大开的原因是否因为极难在无自然形成的峡谷地形建造足够大的水池?
王孟源(MengyuanWang) 於 2020-02-16 04:13 回覆:
氫氣的儲存和運輸比甲烷貴,願意多花點錢,當然也做得到。問題在於現成的基礎設施是為天然氣設計的,從頭新建的耗費自然是天文數字。

目前的水電儲能,都是用現成的水庫+水電站,雖然效率很低,但是沒有什麽初始投資,效益聊勝於無也沒有關係。

在山上新挖蓄水池+隧道+水渦輪機比新建水庫還貴,卻沒有了傳統水庫的防洪、節流、灌溉、發電等等作用,自然不可能有經濟效益;這純粹是在忽悠創投公司的那些MBA。

frank060606
等級:8
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2020/02/15 12:15
版主學問豐富
我想請問版主一個問題
大陸是世界稀土輸出大國,為何大陸沒拿稀土要脅列強?
王孟源(MengyuanWang) 於 2020-02-15 21:06 回覆:
三周前我對《觀察者網/風聞》的這篇文章(https://user.guancha.cn/main/content?id=232130&fixcomment=19962682)做過評論,其實是以往我在博客留言欄回復的總結,所以沒有重發到這裏來。請先讀完《讀者須知》然後小心遵守規則;我不是馬英九那樣的膿包,執行紀律並不會手軟。

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有關稀土,還有一個重要的細節你沒提,就是中國在儲量和技術上領先(也就是你引述的那些數據),指的是傳統稀土礦中經濟效益最高的一類,其實還有其他沒有被大量開采或仔細研究過的礦石,從工程觀點來看,完全沒有實用性的障礙。它們之所以被忽略,正是因爲稀土並不稀缺,所以基於歷史、經濟和環保的原因而被閑置至今。

這其中對中國主宰稀土供應威脅性最大的,是和釷共生的礦石。恰恰是因爲釷的放射性,所以處理起來困難而昂貴;但是如果釷基的裂變發電技術成熟(參見我的文章《熔鹽堆簡介》),那麽這個缺點立刻會轉化為優點。這種釷和稀土的共生礦石,在地表的總可開采量比中國特產的傳統稀土礦還要大,而其中儲量遠遠最高、品相最好的在印度。。。