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雷洪钧:电是二次能源,也是用户端终极能源形式
分类:
行业资讯
作者:
来源:
起点锂电大数据-名人堂
2018/11/26 16:54
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当前在讨论氢能产业及氢能汽车的发展时,有专家提出,氢是终极能源;也有专家质疑地提出,氢不是终极能源。笔者的理解是,提出“终极能源”这个概念还是有积极意义的:如何理解“终极能源”,对目前能源结构转型的理论探讨很有帮助。笔者经过认真研究,得出的结论是,电是二次能源,也是用户端终极能源形式。
一、如何理解“终极能源”的概念
地球上的能源来自天上的太阳,这是基本常识。如果认为太阳有无限的生命力,地球上的能源就不会枯竭。这个道理在逻辑上是行得通的。但是就具体能源形式而言,煤炭、天然气、石油等化石能源,最终将会枯竭。这个道理,大家也基本认可。后来有报道说,地球对天然气、石油等化石能源有自我修复能力,说科威特和伊拉克的油田能持续出油,不会枯竭。进而提出了“天然气、石油枯竭是骗局“的结论。到目前为止,也没有权威的专家出面,予以肯定或者否定。
但是,行业内外对如下客观事实的认可,还是基本一致的。
①人们对幸福生活的追求,人类消耗化石能源速度越来越快了。化石能源,消耗的量也是越来越大;
②化石能源的源消耗现状,对人类的生存环境即主要是指空气、水、土壤三个方面,破坏力度也是空前的;
③当前过度消耗化石能源直接导致城市空气污染的日益加重,问题已经比较严重。
为了改变目前对化石能源依赖度,政治家提出了发展新能源的理念。但是什么是新能源呢?这个是科学家要回答的问题。科学家已经早提出了“能量守恒定律”,即能源消耗的过程是能量形式的转化而已。用科学家观点解释,能源只有形式的不同,没有新旧之分。于是科学家又提出了“清洁能源”的概念,这里的清洁是相对人生存环境而源的。无论是“新能源或者清洁能源”的提法,到了工程技术层面,就是“要用新形式的能源,来保证人类生存环境是清洁的、是绿色的”。见图1。
接下来,用一用句话表述:目前能源结构必须要优化,优化就是要转型。往哪个方向转型?如何转?于是主张发展氢能产业及氢能汽车的人,提出了“氢是终极能源”。其意思是其他能源要朝氢能方向转型。如果“氢是终极能源”的提法是正确的、科学的,自然一件大好事。
二、“氢是终极能源”吗?
自然界里,氢分子结构最简单,常态下是气态的。在常态下,人们可以直接用地面上的木材(草)烧水、做饭;地下煤、天然气、石油等化石能源可以直接做为工业用。在中学化学课本里,有电解水产生氢气(见图2),氢气是可以燃烧的实验。但是能燃烧的物质,不一定是能源,比如说,木材(草)。
什么是能源呢?关于能源的定义,目前约有20种。通俗的解释:能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。实际上,这个物质资源要能上升到国家掌控层面的高度来,才是目前要讨论的、通常意义上的能源。或者说,能源是国家战略层面要把控的物质。
对氢能开发和利用,目前已经提高到了国家能源战略层面了。当然,对今天而言,氢能是能源了,是国家层面提倡、要重点开发和利用的能源了。
但是,氢是终极能源吗?这个要科学论证了。显然,目前下这个结论为时过早。但是下面的结论,还是可以得到认可的:
①常态下,氢气是可以燃烧的,是符合人们对能源概念的一般性理解;
②电解水产生氢气,也是常见的、工业上的生产方式,即电能消耗后,可以变成氢能。于是太阳能、风能(见图3)转化成电,进一步再转变成氢能。
③化石能源加工过程中有富氢产生,也是能源的转化。
氢能被人类利用的形式基本有两种,一是氢气燃烧做功,历史上有过氢气内燃机。
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目前也有不少科学家在研发这类发动机,供车用。二是通过电化学的方法,氢气加氧气变成水和电能。这个装置,就是目前大家在讨论的氢燃料电池。
氢能燃烧做功,其他能源也在燃烧做功。这一点,就不能说氢是终极能源。氢气加氧气变成水和电能,接下来,最后是电在做功。这就再次说明,氢不是终极能源。但是氢气已经是比较清洁的能源了。
三、氢气可以做二次能源,同时是比较优秀的储能介质
电不是分子层面的物质,看不见,摸不着。所以说,电自己没有能力将自己的能量存储起来。电能必须转化,借电池的正负极物质存储能量。氢气是分子层面的物质,氢气自己具有能量。其能量大小与其物质(分子数量)多少成正比。
可以这样理解,氢源于其他能源的转化,在单位体积内,氢气分子数量越多,其存储能量越多。用高压办法存储在工业罐瓶里(见图4),可以提高氢能比重(密度)。
换一句话,氢气可以做二次能源,同时也是比较优秀的储能介质。氢气作为能源存储介质,有独特的优势:
①氢是气体,可以压缩气体、还可以是液体。这个比压缩空气、压缩惰性气体有优势;
②氢气可以通过电化学的办法,直接将氢能转化成电能。天然气做不到,必须要燃烧做功,再才能发电。
在大力提倡新能源推广应用的今天,太阳能、风能等,并不具备直接提供给终端用户使用的能力。即使发了电,这个电上网比较困难,离终端用户距离较远。终端用户对这种电,也只能望梅止渴。
于是,能看到氢气的是比较优秀的储能介质,尤其是电能存储介质,其意义重大。
化学存储电能的装置是电池,氢气是物理存储电能的介质,氢燃料电池是电化学方法,能把氢能转化为电能,电能再做功,服务于终端用用户。
四、经过上面的推导,得出的结论
①电是二次能源,也是用户端终极能源形式;
②氢气可以做二次能源,同时是比较优秀的储能介质;
③氢气可以做功,但是终极能源,用氢气发电是最好的模式。
理解了电是用户端终极能源形式,其意义重大:
①发展新能源汽车,就是发展电动汽车;
②发展电动汽车,就可以拉动不同的新能源的充分利用;
③氢能汽车也是电动汽车的一种;
④保持内燃机模式的混合、增程动力的电动汽车,是权宜之计,是三电技术和氢能技术不太成熟期的过渡产品。
注:本文作者雷洪钧博士为扬子江汽车公司高级工程师,中科智能网联汽车科学院院长,中国新能源企业家俱乐部专家委员会主任(为12月份的“2018中国新能源企业家俱乐部(SNEC)年会”提供支持)。
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