世界上存在“万能”的能源吗?

“万能”的能源存在吗?这篇文章告诉你!

我们的身边有各种各样的能源,做饭要用到天然气,看电视、玩游戏要用到电,开车出游要用到汽油或者柴油,有的地方冬天供暖要用到煤炭甚至马粪……每个领域使用的能源都不相同。

 

那么,是否有可能有一天,有一种能源可以通过“变身”,应用到交通、制造业还有楼宇等各个领域中,而且在使用的时候还不产生碳排放?这样“万能”的能源真的存在吗?带着这个问题,我们采访了西门子股份公司油气与电力集团发电运营首席技术及创新官赵作智博士。以下为采访记录。

谁是“万能”的能源?

问: “万能”的能源应该要能够贯穿各个不同的领域,如果它还足够绿色就更好了。不知道现在是不是存在一种能源,可以同时满足这两个要素呢?

 

赵作智:简短的答案是:有的。但是,在解释这个回答之前,我想先为大家介绍一下能源的几个基本属性。其实,能源有四个属性。第一个是“易得性”,就是它是不是很容易获得。第二个是它是不是够便宜,也就是“经济性”。第三个属性是现在大家非常关心的“可持续性”,或者说它是否足够绿色,比如它的排放是多少,对气候变化有什么影响等。第四个属性叫“安全性”。它的其中一个体现是国家的能源安全。第二个体现是能源是否可靠。例如,年纪比较大的朋友们可能还有印象,小时候我们曾经经历过停电。大家想象一下,如果在进行一台非常重要的手术,或在一个连续的工业过程中突然停电,这显然是不太好的。安全性的第三个体现与网络安全有关。现在,万物正逐渐互联,而产生能源的装置和输配电系统也会相互连接。互联会带来便利,但也会带来危险。如果病毒、黑客等入侵能源体系,这也会影响到我们的安全。

 

所以,易得、经济、可持续,还有安全是能源的四个属性。讲完四个属性,我要着重讲一下可持续发展。先给大家分享几个数据。从有数据记录开始,历史上最热的十个年头中有九个发生在 2000 年之后,而 2000 年之后的这九个最热的年头中有七个在 2010 年之后,包括 2010 年。这告诉我们什么呢?我们现在的气温是过去 80万年间最高的。此外,最近新闻也报道过大气中的碳浓度已经达到 415 ppm,是历史最高值。

 

全球气候变暖与人类用碳是紧密相关的。在所有碳排放中,40% 来自发电领域,或者说能源板块。那剩下 60% 从哪儿来呢?一个是交通板块,比如汽车、重卡、轮船和飞机等等。一个是工业板块,比如生产钢铁、混凝土、氨和乙烯等工业过程。还有就是楼宇和农业等领域。

 

那么,怎样同时降低所有领域的碳排放呢?我们需要打通这几个板块,也就是需要一种“万能”的能源。这其实就是氢。氢是一个万能的连接器。

“万能钥匙”

问:不知道您能否大概讲解一下氢是如何在不同领域间进行转化的呢?

 

赵作智:可以。首先,我们来看大家最熟悉的交通领域。现在我们有新能源汽车。它目前有两条技术路线,并且已经在不同国家和地区试行。一条路线是电动汽车,比如特斯拉,它将许多电池堆放在汽车底盘,可以续航好几百公里。另一条技术路线是基于氢燃料电池的汽车。这两条技术路线各有优缺点,在不同地区的经济可行性也不太一样。但是,电池这条线有几个局限性。首先,在特别冷的情况下,电池的性能下降非常快。此外,生产锂电池等电池时需要不同的元素。这些元素的产量在将来也会是一个瓶颈。所以,从这个角度来讲,我们还是需要基于氢燃料电池的汽车。接下来,我们来看飞机。飞机的燃料以化石能源为主。在交通领域还有其他许多使用化石能源的交通工具和基础设施。

 

现在的一些技术路线已经证明我们可以基于氢去合成一些绿色燃料,或者说可持续的合成燃料。这样你就可以将它充分应用到现有的交通工具和基础设施中,例如汽车的发动机、飞机的发动机,还有加油站等。所以,如果能够找到一种可以替代化石燃料的绿色燃料,你就可以打通交通这个板块。

 

第二个板块是工业。我刚才提到许多工业过程。其实,工业过程中的碳排放有40%与“热”相关。在工业过程中,你需要用到许多热能。现在,绝大多数的热是由化石燃料产生的。所以,如果你能找到一种可以替代化石燃料的绿色燃料,例如用氢气产生热,那么你就能极大地降低工业板块中的碳排放。

 

所以,这就是为什么氢可以作为一个连接器,直接用到工业和交通领域。此外,氢还能用来合成绿色燃料,应用到更多领域中。这样一来,我们就把各个板块都打通了。

生活中的氢能

问:不知道生活中有没有应用氢能的案例呢?

 

赵作智:有的,我们分成两个部分来介绍。第一个部分是现阶段氢都用在哪儿了?第二个部分是将来氢还能用在哪儿?现阶段,氢应用在下面几个领域。首先是大家身边的航空航天领域。现在,我们国家的航天事业发展得如火如荼,神舟飞船也飞上太空。其实,飞船燃料中很重要的一部分是液态氢,当然,它要和氧在一起使用。除了航空航天,加工首饰时要做许多焊接,这也要用到氢。还有有机玻璃的抛光、精制汽油等等。有一点大家可能不知道。互联网时代要用到许多芯片。制造芯片时半导体技术很重要,而半导体加工过程中要用到纯度特别高的氢。这也是氢在我们身边的应用。还有我们刚才讲过的基于氢燃料电池的汽车。这是现阶段我们身边可以看到的氢。

 

未来,我们要深度减排。要想降低全球二氧化碳的排放,我们就必须要在工业、交通、楼宇和农业等方面大力推动氢能应用。我个人还是很乐观的。我相信在将来对氢能的应用一定会普及开来。

氢能是十全十美的吗?

问:但是,氢能真的是“十全十美”的吗?目前在应用和推广上遇到了哪些困难呢?例如,我想很多人应该都会担心氢能在储存和使用时的安全问题吧,比如它是否有爆炸的风险等等。

 

赵作智:肯定是有的。大家对氢的危险性的认知最早可以追溯到一个多世纪以前。那时我们造出了飞艇,实现了人类的飞行梦想。当时,飞艇里面充有氢气,曾发生过好几起爆炸事故。从此,大家的脑海中就留下了“氢很危险,它会爆炸”的印象。这是对的。但是,我想再说几件事。

 

第一件事是现在我们身边的许多能源其实也是很危险的。大家想想,汽油、柴油和天然气也都是很危险的。但是没关系,它们就像难驯的野兽一样。人类很聪明,技术也很发达,所以能够驯服这些野兽。我刚才讲到,现阶段我们已经在许多场景中应用氢了,比如火箭的燃料和各种工业过程。所以,其实我们已经研发出了可以安全处理氢的技术并成功应用。另外,只有当它跟氧气混合且在一定的压力或者温度下时它才容易爆炸。这个混合比例有一个范围,比如氢气在空气中的体积分数在 4%到 75% 左右。在这个范围里你要格外小心。但是,如果占比能够小于 4% 或者大于75%、76%,那么即使有火花,它也不会爆炸。所以,从各个角度来讲,我们都已经拥有很成熟的手段来保证氢的安全性。

 

问:那氢能目前在推广方面有没有遇到一些什么困难呢?

 

赵作智:推广方面肯定有困难。今年氢特别火。在国内和国际会议等各个场合,大家都在谈论氢。为什么呢?这是因为大家意识到了全球气候变暖,我们必须要深度减排,所以必须要走这条道路。其实,在 10 年、20 年,甚至 30 年前,专家也在大力推广氢。但是,为什么当时推广不起来呢?其实,氢的制造不成问题。但是,你还要把它存储起来。无论是在压缩还是液态的状况下去存储它,我们都有相应的技术手段,但是这需要很多投资。

 

另外,氢的运输也没有那么容易。无论用压力容器还是管道运输,技术手段也都有,但是我们也要考量经济性。因此,要大范围地推广氢就一定要解决氢的储存和运输问题。这意味着很大的投资。因此,它需要全世界各国政府在政策和补贴等层面的支持。同时,氢能产业链的各个参与方都要进行合作。

如何工业制氢?

问:我们知道,其实最近几年政策已经开始渐渐向氢能这个方向去倾斜了。所以虽然目前还有一些局限性,但是行业里对氢能的发展还是整体看好的。不过,我们知道氢气不像煤这样的化石能源是通过开采得到的。为了在各个领域应用氢能,我们需要一种高效的方法来大规模制氢。不知道现在在工业领域主要的制取氢气的方法有哪些呢?

 

赵作智:主要有几种。2018 年,全世界使用了大概六、七千万吨氢气。这些氢气有95% 都是通过两种方法制取的。一个是天然气水蒸气制氢。天然气又叫甲烷,它的化学分子式是 CH4,就是一个碳原子和四个氢原子。而一个水分子是两个氢原子和一个氧原子。那怎么去制氢呢?你需要通过加热把碳原子和四个氢原子分离开来,之后碳就可以和水蒸气当中的氧发生化学反应,产生一氧化碳和二氧化碳,同时天然气和水蒸气当中的氢也会被分离出来。

 

但是这里面的问题在哪儿呢?第一、制取氢时用到的能源要远远多于制造出来的氢所含的能源,所以从能源效率上来讲,其实你是不赚的。另外一件很讨厌的事情就是天然气中有一个碳原子,所以在这个过程中产生了大量的二氧化碳,碳足迹是非常多的,所以这其实是不可持续的。目前,天然气水蒸气制氢是最主要的方法,也是最经济的。大概有 45% 的氢气都是这么来的。

 

还有一种大量产生氢气的方法则是基于炭。将炭和水结合在一起产生一氧化碳,一氧化碳再和水结合在一起产生二氧化碳,这样就把氢剥离出来了。但是,你使用的能源同样多于你产生出来的氢气所含的能源。同时,你也产生了好多二氧化碳。

 

第三种方法在全球只占不到 5% 。它就是电解水制氢。我们知道可再生能源有枯季和旺季。太阳不是总是在照耀,大风也不是天天吹。你可以把多余的可再生能源产生的电力利用起来去电解水。水是两个氢原子和一个氧原子。我们可以用电把它们分解开来。如果电解水用的电来自于可再生能源,那么它本身就没有碳足迹。再加上水分子里也没有碳。所以你产生氢气的过程中是没有任何碳足迹的。

 

当然,你可以说整个过程的能源转换效率不是很高,因为你要先产生电,再电解水产生氢气。但是,我们国家有无数风能和太阳能都非常丰富的地区。这些地方产生可再生能源的条件是非常好的,发电成本很低。那么,如果你用这些电力来电解水产生氢,这会是非常好的未来大规模制氢的方法。但是,现在这种方法还没有推广开来,成本还降不下来,所以还不能和天然气以及煤炭制氢相比。不过,我相信在各国政府和整个生态链的相互协同下,我们这条路可能会走得更快一些。

电解水制氢,西门子来帮忙!

问:不知道在整个电解水制氢的过程中,西门子能提供什么产品或解决方案呢?

 

赵作智:西门子是一家专注于能源,尤其是可再生能源发展的具有先进技术的公司。首先,西门子歌美飒在海上和岸上风电等方面有完整的解决方案。所以,怎么产生电解水用的电,西门子有解决方案。电解水制氢的核心是能把水分离成氢和氧的电解器。在这方面,西门子投入了许多人力和资金来研发质子交换膜电解器。在2015 年我们就已经有很成熟的商用案例了。

 

在电解水方面,业界主要有两条技术路线。一是碱液制氢法,这个比较普遍。另一个就是质子交换膜电解水制氢。这两种技术各有优缺点,也各有不同的应用场景。那么,西门子为什么要在质子交换膜上投入这么多人力和物力来推动它的研发和商用呢?这是因为在将来对可再生能源的利用会越来越多,但是像风能和太阳能这样的可再生能源可能在几秒钟之内就会有很大幅度的波动。因此,你需要一种技术方案来追上这种大幅度波动,而质子交换膜电解器的反应速度是极快的。从这个角度上来说,我们十分看好这项技术,也会在将来更大规模地去推广它。

 

问:我们知道,制氢其实只是整个氢能应用过程中的一部分。不知道西门子有没有可以覆盖整个氢能生产及应用过程的解决方案呢?

 

赵作智:有的。刚才我们讲到我们不光要把氢气制造出来,还要存储。西门子有成熟的存储氢气的解决方案。另外,存储氢气的时候你要压缩它。西门子也可以生产用来压缩氢气的压缩机。好了,现在你有了大量的氢气,要怎么用呢?你可以用在交通、工业,还有发电等领域。现在在世界各地,包括中国,都投资建设了很多基于天然气的燃气轮机的电厂。因此,我们需要能燃烧氢气的燃烧器来对现有的燃气轮机机组进行升级改造。在这方面,西门子也走在行业前列。例如,不久前我们为巴西的一个化工行业的客户提供了两台 SGT-600 型燃气轮机。在使用干式燃烧法的情况下,它燃料中氢气的比例已经达到了 60%。如果使用湿式燃烧法,也就是把一些水蒸气注入到氢气当中,那么我们已经能够利用航改型燃气轮机实现 100% 氢气的燃烧。因此,在不久的将来,如果客户有需要,我们完全可以提供燃烧氢气的解决方案。

从电力到无限可能

问:不知道对于这种覆盖从生产到使用的上中下游的综合性解决方案,西门子是否有一个单独的名称呢?

 

赵作智:有的,我们有一个英文名称叫 Power-to-X。Power 就是电力。To 就是转换。X 是未知数。什么是未知数呢?就是一切有价值的东西。我们可以将电能转换成氢。基于氢,我们还可以进一步合成氨、甲醇和其它有价值的合成燃料。我们将这一整套解决方案称为 Power-to-X。

 

这个概念不光是纸面上的东西。其实,我们已经与全球一些有先进理念且技术领先的客户进行了方方面面的合作。在这里,我想特别提一下,Power-to-X 解决方案并不是指一款标准的产品。当然,你可以只买一个电解水的电解器。但是,在氢能的利用上,我们往往需要针对不同需求来定制化地调整整体方案。你所在的领域是工业、交通还是电力?你为什么要用氢?怎么制取氢?需要存储吗?怎么存储?需要运输吗?怎么运输?怎么应用?怎么形成多能互补?我们需要保证方案的整体经济效益和技术路线都是最佳的。

 

西门子有很专业的团队来与客户和开发商一起坐下来探讨。我们把经验、教训和知识都摆在一起,共同讨论要如何实现这样一个前瞻性的应用。举个例子,最近,一个在美国加利福尼亚州的客户问我们,我的电厂使用这个机组后,如果要保证到2030年它可以只燃烧氢气,你们有这样的解决方案吗?氢从哪儿来?我要如何将我的电厂在未来变成一个优质资产而不是被遗弃的资产?像这样的讨论每天都在发生。

 

问:不知道除了刚刚提到的巴西和加利福尼亚相关案例之外,西门子还有没有综合利用氢的案例呢?

 

赵作智:有。在2015年,西门子和合作伙伴一起助力一个叫“能源产业园”的园区在德国 Mainz 建成了当时世界上最大的质子交换膜技术路线的电解工厂。工厂里面安装了三台西门子质子交换膜电解器,最大功率达到 6 兆瓦。这也是世界上第一个兆瓦级的电解水制氢工厂。园区内有风机。风机产生的电一部分被直接送入电网,另外一部分用于电解水制氢。得到的清洁的氢气一部分被注入当地管网当中,和管网中的天然气混合起来供用户使用。还有一部分被运送到周边的化工企业作为原料。还有一部分会供给当地的加氢站。在这个项目中,氢被用在工业上,比如输送给当地工业企业,被用在能源领域,比如注入管网当中,它还被用到交通上,就是加氢站。2018 年,这个项目已经建成并实现了盈利。其实,不久前,国内的一些企业已经去过这个园区参观,也在探讨这样的项目在中国落地是否可行,边界条件会有什么改变等等。

迈向低碳未来

问:刚刚我们聊了很多与氢能和 Power-to-X 相关的话题。其实这些技术背后的核心理念都是相同的,那就是可持续发展和低碳。不知道除了刚刚提到的氢能相关的技术之外,目前在市场上还有哪些低碳的创新技术呢?

 

赵作智:有许多。首先,我们先来看一组宏观数据。2013年,也就是六年前,全世界与能源相关的投资总额达到 1.6 万亿美元,大概是全球 GDP 的 2% 左右。这些投资中超过 67% 都投在了化石能源相关领域。接下来我们来看一下四年后,也就是2017 年的数据。好消息是 1.6 万亿美元涨到了 1.8 万亿美元。更好的消息是只有不到一半跟化石能源相关,而超过一半跟化石能源完全没有关系。你可以认为这一部分与低碳相关。它可以是电网,如为了适应太阳能和光能而进行的电网升级改造。它还包括对现有体系的减排提效,也就是提升目前楼宇、工业和能源等领域的效率。

 

还有其他低碳技术。比如工业热泵。许多工业过程需要用到热,尤其是高温的热。如果不采用燃烧化石能源的方法,工业热泵可以利用电能把低温度的热转化成高温度的热,它的效率也是很高的。

 

还有之前提到的储能,比如,西门子在美国的一个合资企业就可以生产电池。此外,我们还在做数字化与整个能源体系的耦合。为什么我们要讲数字化?因为将来会有越来越多的发电形式。不光是化石能源,煤电、气电、太阳能、水能、潮汐……电力的来源会越来越多。集中式发电和分布式发电会并存。超高压、超超高压直流和交流输电会与微网并存。在应用侧,不光有纯粹的能源用户、电用户或热用户,无论你是工业企业还是居民,你都可以将多余的电和热卖回管网。基于这个,能源的交易也会进一步发展。

 

总结一下,在未来,整个能源体系会越来越复杂、越来越灵活。更高的复杂度会带来很多挑战,而去迎接这个挑战就需要数字化的手段。因此,工业 4.0 和能源 4.0 要结合在一起。数字化也是实现低碳的技术手段。

 

问:那不知道西门子作为一个全球性的技术企业,它在降低全球碳排放方面能够做哪些贡献呢?

 

赵作智:首先,西门子自己要在不久的将来实现碳中和。其次,通过刚才的介绍你可以知道,西门子和生态链的各个环节、各国政府以及全球客户和开发商都在积极合作。我们首先要提高现有资产的效率,比如热电厂和燃气电厂,来降低碳排放。还有就是积极推动包括氢能应用在内的不同低碳技术。西门子将用自己的技术和知识来推动全球低碳。