以氫化鋰或氫化鎂為電動汽車能源的經(jīng)濟可行性分析*

魯 東，郭洪范

（1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

新能源汽車的發(fā)展方向分為混合動力和純電模式兩種。但鋰離子電池目前由于受能量密度、循環(huán)次數(shù)等所限，以及回收率低等缺陷，使得鋰離子電池綜合成本高、續(xù)航能力有限，無法大規(guī)模推廣。氫能作為一種清潔、高效、安全、可再生的二次能源，具有無污染、燃燒值高、來源廣泛的優(yōu)勢。氫可通過一次能源、二次能源及工業(yè)領(lǐng)域等多種途徑獲取，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、交通和電力行業(yè)，是未來構(gòu)建以清潔能源為主的多元能源供給系統(tǒng)的重要載體。

中國發(fā)展氫能的優(yōu)勢在于具有良好的制氫基礎(chǔ)與大規(guī)模的應(yīng)用市場。我國現(xiàn)有工業(yè)制氫產(chǎn)能已達到2.5×107t/a。2018年中國棄風(fēng)、棄光、棄水總電量約為1.0229×1011kW·h，國內(nèi)化工行業(yè)還存在部分無法循環(huán)利用的副產(chǎn)氫，均可作為大規(guī)模的氫源。同時，中國擁有全世界最大的能源汽車消費市場，除民用車外，礦山港口重型車、物流車、重柴油車、軌道交通、船舶及岸電設(shè)施，甚至航空器，這些都是未來氫能革新應(yīng)用的方向，中國已具備大規(guī)模氫能利用的供氫條件與市場空間。

目前，氫能源汽車的氫源主要來源于壓縮氫氣，但儲氫壓力高達35～70 MPa[1]，具有安全隱患高的缺點。水制氫氣也是目前研發(fā)的熱點。

氫化鋰、氫化鎂和硼氫化鋰等是重要的儲氫材料，可作為汽車潛在的動力氫源原料。氫化鋰常溫下較為穩(wěn)定，與水反應(yīng)迅速，生成的氫氧化鋰可與鹽酸反應(yīng)，生成氯化鋰，氯化鋰電解生成金屬鋰和氯氣，氯氣與氫氣反應(yīng)生成氯化氫，金屬鋰與氫氣反應(yīng)生成氫化鋰，這樣形成了一個閉路循環(huán)。氫化鎂與氫化鋰性質(zhì)相同，也可以形成閉路循環(huán)。

本文主要論述氫化鋰及氫化鎂在循環(huán)過程中的能量消耗問題，為其作為汽車的動力發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 氫化鋰（鎂）和金屬鋰（鎂）的性質(zhì)及制備

氫化鋰（LiH）為鋰的氫化物，相對分子質(zhì)量為7.95，密度為0.82 g/cm3，熔點很高，為680 ℃，且對熱穩(wěn)定，沸點為850 ℃。氫化鋰屬于類鹽氫化物，無色晶體，一般由于帶有雜質(zhì)而呈灰色，不溶于苯、甲苯，溶于醚，具有氫密度高和質(zhì)量密度低的雙重優(yōu)點，因可作為潛在的固體儲氫材料而備受關(guān)注，甚至可直接用作火箭推進劑。

氫化鋰可由熔融鋰與氫化合而得，其化學(xué)反應(yīng)方程式為

制備氫化鋰的具體步驟為：在干燥箱中把金屬鋰放入由不銹鋼制成反應(yīng)管中，加蓋并抽真空，在1 個標準大氣壓和725 ℃環(huán)境條件下通入氫氣，保持15 h 后，然后在保持通氫的情況下冷卻至室溫，從干燥箱中取出產(chǎn)物，裝入氮封的瓶里，保存于暗處。由純凈的金屬鋰和純凈的氫氣可以制得純度為99.8%的氫化鋰。

熔鹽電解法是金屬鋰的傳統(tǒng)制備技術(shù)[2]，目前90%以上的金屬鋰通過這種方法制備。工業(yè)上采用石墨陽極和低碳鋼陰極，以熔融的LiCl-KCl 為電解質(zhì)，在直流電作用下，陽極產(chǎn)生氯氣，陰極產(chǎn)生鋰。其中KCl 為支持撐電解質(zhì)，起穩(wěn)定和降低熔點的作用。

以氯化鎂為原料，采用電解方法制得金屬鎂，工藝較為成熟，此處不再詳述。

氫化鎂（MgH2）為灰白色粉末，單一輕金屬氫化物，常溫常壓下穩(wěn)定性較高，密度為1.45 g/cm3，儲氫量為7.6%，遠高于鎂基儲氫合金氫化物和其他金屬氫化物。

氫化鎂的制備需要在一定的壓強下由金屬鎂與氫氣反應(yīng)完成，金屬鎂的表面氧化膜會影響產(chǎn)品收率，制備條件較為苛刻。

2 以氫化鋰或氫化鎂為能源的電動汽車原理設(shè)計

圖1 為以鎂或鋰為儲氫材料汽車的工藝循環(huán)圖，設(shè)計原理是使用氫化鋰或氫化鎂為氫源，為燃料電池或內(nèi)燃機提供氫能。生成的氫氧化鋰或氫氧化鎂與鹽酸反應(yīng)生成氯化鋰或氯化鎂，過濾、烘干。然后將其加入至電解槽中進行電解，生成氯氣、金屬鋰或鎂。金屬鋰或鎂與氫氣反應(yīng)，生成氫化鋰或氫化鎂。氯氣與氫氣反應(yīng)生產(chǎn)氯化氫后制備鹽酸。整個系統(tǒng)達到閉路循環(huán)，最終產(chǎn)物為水。

圖1 以鎂或鋰為儲氫材料汽車的工藝循環(huán)圖

2.1 以氫化鋰為氫源計算

2.1.1 燃料電池為動力

以車載50 kg 氫化鋰作為基準，理論上可提供氫氣約12.5 kg。以日本豐田FCHV-adv 汽車為例[3]，該汽車儲氣罐容積為156 L，氫氣的充填壓力約為700 個大氣壓（70 MPa），質(zhì)量為9.75 kg。該車充一次氫氣可續(xù)航700 km，最大續(xù)航里程為830 km。所以以氫化鋰為能源的汽車理論上可提供汽車行駛的里程約900 km，最大續(xù)航里程為1060 km。

50 kg 的氫化鋰制備氫氣，可以生成150.75 kg的氫氧化鋰。回收時需要使用229.84 kg 氯化氫（即638.45 kg 的36%的鹽酸），生成267.24 kg 的氯化鋰。氫化鋰制備氫氣反應(yīng)方程式為

電解267.24kg 的氯化鋰可生成約43.7 kg 的金屬鋰，產(chǎn)生約223.54 kg 的氯氣，見電極反應(yīng)方程（3）和方程（4）。利用氯氣制備氯化氫需要氫氣6.297 kg，可生成229.84 kg 氯化氫，即36%的鹽酸638.45 kg。電極反應(yīng)方程式分別為

將43.7 kg 的金屬鋰加入氫氣，制備氫化鋰，需要6.297 kg 氫氣。由于氫化鋰制備過程中需要升溫、加熱，但氫化鋰的制備過程本身也是放熱過程，結(jié)合本系統(tǒng)內(nèi)的其他反應(yīng)過程也均為放熱反應(yīng)，可以提供這個反應(yīng)所需的高溫條件，因此在計算時可以忽略[4-8]。

2.1.2 內(nèi)燃機為動力

孫柏剛等[7]計算了氫內(nèi)燃機車的成本。經(jīng)過計算，該汽車百公里可消耗氫氣16.85 m3。以50 kg氫化鋰可以產(chǎn)生氫氣12.5 kg 計算，理論上可以行駛830.86 km。

2.2 以氫化鎂為氫源計算

2.2.1 燃料電池為動力

以車載100 kg 氫化鎂小型汽車作基準，理論上可提供氫氣約15.2 kg，可供汽車行駛約1091 km，最大續(xù)航里程為1295 km。

用100 kg 氫化鎂制備氫氣，可生成221.67 kg的氫氧化鎂，見方程式（5）。

回收時需要使用277.57 kg 氯化氫，生成36%的鹽酸約771 kg，氯化鎂362.35 kg。

電解362.35 kg 的氯化鎂可生成約92.40 kg 的金屬鎂，產(chǎn)生約269.95 kg 的氯氣，見方程式（6）和（7）。利用氯氣制備氯化氫需要氫氣7.6 kg，生成277.57 kg 氯化氫，約771 kg 的36%的鹽酸。

用92.40 kg 的金屬鎂加入氫氣制備氫化鎂，需要7.6 kg 氫氣。與氫化鋰的制備過程類似，氫化鎂制備過程中同樣需要高溫、加熱。結(jié)合本系統(tǒng)內(nèi)的其他放熱反應(yīng)，也可以滿足這個反應(yīng)的高溫條件，因此在計算時可以忽略。

2.2.2 內(nèi)燃機為動力

孫柏剛等[7]計算了氫內(nèi)燃機車的成本。經(jīng)過計算，汽車的百公里氣耗為16.85 m3。以氫化鎂為能源，理論上可產(chǎn)生氫氣15.2 kg 計算，可供汽車行駛約1010 km。

3 以氫化鋰或氫化鎂為能源的成本計算

3.1 氫化鋰為氫源計算

電解267.24 kg 的氯化鋰可生成約43.7 kg 的金屬鋰，而生產(chǎn)每千克金屬鋰用電量約38.62 kW·h[4]，故需用電1687.7 kW·h。

據(jù)陳俏俏[5]的計算，制備1 kg 氫氣約需9.933～12.564 元。工業(yè)用電平均價格約為0.3 元/kW·h。計算可得生產(chǎn)50 kg 氫化鋰所需氫氣的成本約為126～150 元，電力成本約為506 元，合計為632～656 元。以行駛900 km 計算，汽車行駛每百千米的能源成本約為70.2～72 元，內(nèi)燃機汽車行駛每百千米的能源成本約為76.1～78 元。

以氫化鋰為氫源，工業(yè)化生產(chǎn)勢必需要大量的鋰資源。目前中國汽車保有量為2.4 億輛，如果每輛汽車都采用氫化鋰為氫源，以每輛汽車平均使用100 kg 金屬鋰計算，大概需要2400 萬t 金屬鋰，這個量約是目前整個鋰資源探明儲量的60%。世界范圍汽車保有量更大，嚴重超過了鋰資源的總量。

3.2 氫化鎂為氫源計算

由于沒有制備氫化鎂的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，因此沒有計算氫化鎂的能源消耗。但其消耗的能源可以使用電解氯化鎂，或氫氣與氯氣反應(yīng)時放出的熱量進行補償。

生產(chǎn)每千克金屬鎂需要綜合能耗3.63 kg 標煤[6]。電解362.35 kg 的氯化鎂生成約92.40 kg 的金屬鎂，需要使用335.4 kg 標煤。以標煤400 元/t 計算，價值約134.2 元。

根據(jù)上述計算，以制備1 kg 氫氣需花費9.933～12.564 元為依據(jù)，生產(chǎn)100 kg 氫化鎂的氫氣成本約151～191 元，煤炭成本約134.2 元，合計總成本約為285.2～325.2 元。以氫化鎂為能源的汽車，理論上可產(chǎn)生氫氣15.2 kg。這些氫氣可提供燃料電池汽車行駛約1091 km，最大續(xù)航里程為1295 km。行駛每百千米的能源成本約25～26 元。內(nèi)燃機汽車行駛每百千米的能源成本約24～25 元。

4 結(jié)論

本文根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進行理想計算，忽略轉(zhuǎn)化率及部分能耗損失，部分反應(yīng)釋放的能量作為其他反應(yīng)的熱量來源，例如金屬氫化時可以放出熱量[8]，得到如下結(jié)論。

1）以氫化鋰或氫化鎂為氫源并作為燃料電池的能源，整個系統(tǒng)可以做到綠色循環(huán)。同樣的材料也可以是氫密度較低的氫化鈉、氫化鈣和氫化鉀。

2）工業(yè)化成本較高，主要成本來源于電解氯化鋰或氯化鎂時所耗費的電能。如果采用氫氣直接還原氯化鋰制備金屬鋰，成本可能會降低。

3）以氫化鋰作為氫源需要大量鋰資源，但鋰資源有限，如果大量推廣，存在鋰資源短缺問題。

4）以氫化鎂為儲氫原料為燃料汽車提供氫源，理想計算，可以實現(xiàn)綠色循環(huán)，并且單位公里能耗較低。但氫化鎂的制備較為困難，轉(zhuǎn)化率及能耗需要繼續(xù)改善。

5）氫化物與水反應(yīng)生成氫氣的轉(zhuǎn)化率在本文中以100%計算，實際過程中轉(zhuǎn)化率可能較低，但這不應(yīng)作為氫化物不能作為汽車能源的主要問題。隨著技術(shù)的不斷進步，新的技術(shù)可能會攻破這一問題，未來可考慮將氫化物做成多孔狀或溶解在惰性溶劑中與水反應(yīng)，以增加轉(zhuǎn)化率?？梢钥紤]將不同的氫化物混合后進行反應(yīng)，以調(diào)整反應(yīng)速度。