加水就能跑的氢能源汽车?理论上可行但不代表操作上可行

  作者 |魏昕宇

  最近有一则新闻引发了广泛关注:河南南阳某汽车企业宣称成功开发出了“水氢发动机”,使用这种发动机的汽车无需加油,只要加水就可以让汽车通过燃烧氢气获得的能源来行驶。

  消息一出,大部分网友斥之为骗局,但也有人认为这种技术是可行的。那么所谓“水氢汽车”究竟有没有可能呢?

  在分析这个问题之前,我们首先需要搞清楚,为什么要开发包括氢气在内的新能源?

  主要原因无非在于:

  第一,寻找更具有可持续性的能源来源,减轻对传统化石能源的依赖。煤、石油、天然气等化石能源储量再丰富,总有枯竭的那天,未雨绸缪确实是应该的。

  第二,化石能源燃烧时会产生温室气体二氧化碳,导致全球气候变暖,因此人们希望能找到温室气体排放更少甚至为零的能源。

  从第二条来看,氢气确实是很理想的新能源,因为它的燃烧产物是水,完全不产生任何二氧化碳。

  然而我们不要忘了,氢气和煤炭、石油、天然气等化石能源不同,没有现成的资源供我们开采,用于燃料的氢气都是要从其它化学物质转化而来。

  比如说电解水可以得到氢气,那么电从哪里来呢?如果说通过火电厂燃烧化石能源发电,然后电解水生成氢气作为汽车燃料,那我们不如老老实实地让汽车烧汽油好了,因为这样得到的氢能源对于摆脱化石能源的依赖和减少温室气体排放这两条要求都没有实质性的贡献。

  当然有的朋友可能要说,火电厂发电的能源利用效率要高于汽车的内燃机,但经过电解水这一额外的步骤后,是否还有利用效率上的优势,恐怕要打一个问号了。

  除了电解水,氢气也可以通过常规的化学反应制备,比如天然气的主要成分甲烷在适当条件下可以与水反应生成氢气和一氧化碳,这一过程称为蒸汽重整。

  这样得到的氢气,也仍然是化石能源换了个“马甲”而已,其意义往往更多在于将氢气用于其它化工生产,例如合成氨等。

  但如果能够利用太阳能、风能等新能源产生的电能来电解水,那意义就完全不同了。当然,太阳能、风能产生的电也可以直接使用,但首先这些新能源存在发电不稳定、与需求不同步的问题。

  例如太阳能电池是目前发展比较迅速的新能源,然而太阳能电池的一个问题在于发电集中于白天,然而居民的用电需求却在夜间更高。

  相比太阳能发电,风力发电就更加不稳定,完全是“靠天吃饭”。

  如果利用太阳能、风能产生的电去电解水制备氢气,就可以把多余的电能储存起来。其次,太阳能、风能等新能源产生的能量密度不能满足一些场合的需求,例如靠太阳能发电来驱动飞机显然是不太现实,所以我们需要将电能预先转化为化学能。

  同理,如果能够把生物质设法转化为氢气,也是具有积极意义的。众所周知,生物质是地球上植物和一些微生物通过光合作用将太阳能转化为化学能的结果,因此也是一种可持续利用的新能源形式。

  但直接燃烧生物质效率太低,想一想木柴和汽油哪个烧起来更容易吧。如果能够从生物质中获取氢气,就有可能更好地利用生物质能源。

  不难看出,氢能源必须和其它形式的新能源挂钩,才能真正解决现有化石能源存在的资源和环境问题。

  不过氢气作为一种气体,其储存和运输是个老大难,一直没能得到很好的解决,这成为妨碍氢能源发挥作用的一大绊脚石。

  接下来我们谈谈所谓的“水氢发动机”。如果真的像报道所说的那样,只需要一点催化剂,就可以不断加水产生氢气作为燃料,那只有一种可能,即通过太阳能电池产生的电能来电解水。

  刚才提到,这一方法理论上确实可行,但实际上目前利用太阳能电解水的效率并不高[1,2]。

  如果真的把这种技术用于汽车,车能不能跑得起来,恐怕要打一个大大的问号呢。

  不过更多的后续信息表明,所谓“水氢汽车”实际上可能是“铝氢汽车”,即让铝和水反应生成氢气。

  这在理论上也没有问题,而且不少研究人员认为这种途径或许可以解决氢气存储运输难的问题。然而理论上可行不等于实际操作中可行。简单分析一下就可以发现,这种技术的槽点实在太多。

  首先,在这一途径中,铝可不是什么催化剂,而是实打实的反应物,因此消费者不仅需要给车加水,还要不断购买添加铝粉,然后将生成的氢氧化铝不断地移除出去。真有这工夫折腾的话,直接烧汽油不是更好吗?电动车也比它强多了啊。

  其次,铝的表面很容易氧化形成一层致密的氧化铝薄膜,阻止内部的铝与水反应,否则我们家里的铝壶烧一次水就会面目全非了。因此,怎样有效移除这层氧化铝薄膜,保证铝的反应活性,是用铝制备氢气相关技术中面临的一大挑战。另外,如何控制铝和水的反应,让氢气稳定地产生,也是一个不小的难题[3]。

  如果这一点控制不好得话……大家都见过钠和水的剧烈反应吧,谁希望自己的爱车变成一个大号的炸弹?

  当然,这些都是相对次要的问题,我们不妨相信南阳这家公司有能力解决这些技术难题,但最为关键的一点在于:铝从哪里来?地球上的铝确实很多,但与氢一样,单质形式的铝在自然界也不存在,必须通过铝的化合物冶炼而来,而这必须通过高温下电解氧化铝才能实现,因此铝的冶炼是臭名昭著的耗能大户。

  所以归根结底还是同一个问题:电从哪里来?如果像前面说的那样,靠燃烧化石能源产生的电去电解铝,然后再让铝和水反应生成氢气,那么笔者看来这样的“铝氢能源”基本上没有什么意义。

  如果这样的“铝氢汽车”真的遍布大街小巷,对于资源和环境问题恐怕无异于一场灾难。

  这次事件中,颇有一些人出来辩解说,“铝氢技术”不是骗局,理论上可行,有很多人在做相关研究。

  笔者认为,这方面的研究当然可以做,也不能说没有意义,比如提供特殊情况下的应急能源,或者预先提供技术储备,待有了更加经济环保的炼铝手段时再拿出来用。

  而且基础研究本来就是要为实际问题考虑各种可能的方案,哪怕最终不能走向大规模应用。但如果在各种实际问题根本没有得到解决之前就把所谓技术拿出来忽悠圈钱,这和骗子又有什么区别呢?

  参考文献

  [1]Jieyang Jia et al. “Solar water splitting by photovoltaic-electrolysis with asolar-to-hydrogen efficiency over 30%”, Nature Communication, 2016, 7, 13237

  [2]Florida Solar Energy Center, “Hydrogen Basics – Solar Production”,http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/production-solar.htm

  [3]Xiani Huang et al. “A review: Feasibility of hydrogen generation from thereaction between aluminum and water for fuel cell applications”, Journal ofpower Sources, 2013, 29, 133

  -完-