干勇院士：氢能产业发展战略构想
2021-09-06 09:35:01
mana
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我国拥有庞大的制氢产能和应用需求，发展氢能将对我国的能源安全和环境保护产生哪些深远的影响？未来“氢能社会”是怎样的一幅全新景象？氢能将如何改变我们的生活？干勇，中国工程院原副院长、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任、中国金属学会理事长。长期从事国家产业发展战略研究，以及新材料、冶金、现代钢铁流程技术研究，是我国著名的战略科学家。我们该如何利用现有条件降低制氢成本？如何推进氢能全产业链发展和商业化步伐？干勇院士对我国氢能发展利用又有怎样的真知灼见？能源结构的转换和优化有两条路径：第一个就是不可再生的化石能源一定要被可再生的绿色能源来替代；第二就是一个高碳向低碳过程的过渡。氢无疑是最好的一个元素，氢无毒、清洁、燃值高。古代人用木材来做能源，如果氢要和木材比的话，它的能量密度是木材的1000倍。后来人类又用煤来做能源，氢是煤能量密度的6.8倍。现在我们又用油和气，氢是汽油的能量密度的3.3倍，是天然气的3.4倍。所以氢的能量密度是最大的，最符合我们要选择的一种清洁能源。目前氢能或氢能的利用，特别是氢能在燃料电池汽车上的应用已经非常热。经过一个小高潮期，氢燃料电池就是一个供电移动式的发电机，而且没有热循环，它可以把工作效率提到90%，发电效率是非常高的。氢怎么变成电？氢燃料电池恰恰它跟锅炉、跟加热没关系，氢的发电机理没有借助热循环，就是氢在含铂的催化剂下放出两个电子，这两个电子就流走了，就形成了电流。氢燃料电池在交通领域里应用的突破，我们应该感谢这些汽车工作者，是他们锲而不舍，在完成氢在汽车中的应用过程中，做了大量的工作，最后使它工程化、商业化。现在日本的丰田已经向全世界供应了数千辆的乘用车和商用车，已经在正式运营。像奔驰、宝马、丰田、本田全世界的著名企业们都联合成立了一个氢能委员会，他们认为二十一世纪人类必须要进入氢时代，所以2050年左右要防止地球温度上升两度，必须要在能源结构中氢的比例要占到18%以上，这样可以减少每年60亿吨的二氧化碳的排放，而且氢本身供氢系统氢燃料电池的应用，是一个大的产业链，可以形成一个很大的产业领域，他们估计是2.5万亿美元，到2050年可以形成这么大的一个氢产业，还有三千万人可以就业。氢除了在汽车上应用以外，在深海潜水，在无人机中，只要是移动器件需要动力的地方，氢燃料电池都可以用上去。高铁大家都很熟悉，非常便利，但是它的致命弱点在电上。遇到什么自然灾害一旦断电，如果这列火车停在沙漠上没有储备的能源，人就可能在那儿被晒死了。氢燃料电池就可以在列车上用，所以中车集团说要加入氢联盟，要开发氢的利用。我们5G时代所有的基站，它的能源体系、供电系统也可以用氢能。还有就是在生活中分布式发电，实际上每家每户可以放一个氢的燃料电池，可以把家庭里面加热冷却，所有的家用电器，包括汽车都可以解决。一个氢气管道进入家庭就可以供给所有需要的能源，而且非常方便。甚至当外面没电的时候，它还可以成为一个发电供电的来源，可以平衡整个电网。原来我们电网就是有波峰波谷，有了这个分布式的发电，实际上可以做一个很好的动态的协调、调整，来提高我们的发电效率和网络的运行质量。氢能源做的燃料电池和锂动力电池比较，如果锂动力电池作为主动力电源，在重载航空航天或者是大型的移动器件上，它的续航里程不够，它的能量密度也没有氢燃料电池高，这个方面应用的优势不如氢燃料电池。因为氢是汽油的能量密度的三倍以上，所以以后的航空航天等大功率的运输工具用氢燃料电池是非常适合的。既然氢能有这么多的优点，大家就会问，现在使用氢能危险吗？实际上，氢能作为燃料总是有一定的危险性，它燃烧起来以后的气味没毒。我们经常看到出现火灾爆炸的场景，人还没有接触到火，有毒的气体已经把人熏倒了，而氢不存在这个问题。另外在燃料的爆炸性方面，氢的扩散速度是汽油的12倍，它很快能扩散开，可能一下子一股火上去，但是它不会引起其它更加严重的后果。在汽油和氢燃料汽车分别陷入燃料着火的条件下，氢燃料汽车，氢一燃烧冒一股火上去，扩散很快；而汽油车它没有办法，它只有燃烧，汽油来不及扩散。最后汽油车全都烧得只剩骨架了，而氢燃料汽车没有出现任何其它危险，也伤不了人。所以实际上从安全性来说，氢燃料比汽油还稍微安全一些。我们以前也用氢，大家也接触过氢，把氢作为还原剂的时候，用量小，没有什么不安全。但是现在要把氢作为能源，要大量地应用，进入老百姓中间，老百姓就害怕了，这个氢可能要爆炸，氢气球都爆炸了。比如说有个地方以前建了个加氢站，现在这个地方不用了，这个加氢站要搬走，谁也不敢动，也没有地方敢批。七年了，这个加氢站也没搬走，而要搬的地方政府不同意，而且谁来审批也不知道。实际上氢不是那么太危险，中国的管网运氢大概也在400公里左右，以后管网要拉得很长。在路上运氢，以前我们到加氢站加氢，氢来以后不准白天加，要半夜12点才允许加氢，都怕出现安全问题。氢系统的建立就是要制定绝对安全的氢的运行规则。当然，它既然是燃料我们当然要定规则，但是还是比较危险，特别是在开始的推广时期，要特别注意。就像19世纪我们用氧一样，开始很危险的，所有的规则定好以后，甚至晚上你枕一个氧气枕头，心里也不紧张。所以氢如果定好标准，按照整个用氢规则来就没有危险。原来我们把它作为危险化学品当然也是有一定道理的，因为它用量并不多，人们并没有统一认识，而且没有制定系统的标准。如果作为一个大能源，它实际上可以来重新制定使用规则，制定运氢、加氢、储氢、制氢的规则标准，这个实际上就安全了。现在看到的是日本氢燃料电池汽车在加氢站加氢的图片，加氢站和加油站只有一墙之隔，这边是加油站，这边是加氢站，一辆本田车正在加氢，后面就是社区，没有什么说很危险性。现有柴油车在所有的汽车的保有量里面只占9.4%，但是在雾霾这个问题上，柴油车的贡献率很大。我们说整个雾霾问题是由于汽车的尾气排放造成的，它的贡献率一般在29%到45%，三分之一左右是它造成的。这三分之一中，柴油车大概占了70%，绝大部分的微粒都是柴油车排放的，它对PM2.5的贡献是很大的，这个问题必须要解决，所以它是造成雾霾的一个主要原因。特别是中国的港口柴油车非常集中，唐山地区的物流量非常大，是一个重化工区，一个城市有一亿吨钢以上的产能，超过好几个国家的总和 。一吨钢大概造成了物流量是五吨到六吨左右，那么它最方便的是什么？用重型卡车来运输从港口到钢厂，唐山大概200多万辆车里面，有将近20万辆的柴油车，排放量很大，污染很严重。所以我们觉得在这个地方，要实行柴改氢将会有效地减轻京津冀一带雾霾形成的压力。从氢燃料电池本身的特点来看，它适合于重载远距离续航，所以在港口来回跑六百到一千公里没有问题，重载也没有问题。柴油车比较密集的港口容易布局加氢站，而且我国国内港口在物流集散地上，都是重化工地区，工业副产氢也是很丰富的。港口也离海边很近，海上的运输、以后的氢燃料的来源也很容易。所以我觉得这样的话，它是可以在港口先解决这个氢，以环境来驱动氢能和氢燃料发展。所以“柴改氢”，它这种说法只是代表了我们一种技术路线的方向。每一个钢厂都有它的汽车管理队，比如河北钢铁它有两万多辆汽车统一加氢，加氢站的布局非常容易，要沿着乘用车的路去布局，先从港口的柴油车启动，这是非常有现实意义的。大量地、密集地使用氢，加氢站的建设规模就可以大。现在我们搞两百公斤，每天300公斤、500公斤的加氢站效率很低。因为加多了没用，搞一吨、两吨的没有那么多车来加，它很分散。但是在港口不一样，我的加氢站每天可以到三吨，可以到五吨，加氢站的效率就很高，可以降低加氢站的成本，而增加加氢站的工作效率。氢燃料车重卡用氢的成本每公斤达到40块钱左右，和柴油车的成本相当，能够进行商业化运行，而不是一直赔钱赔下去，国家补贴下去。氢燃料电池汽车，氢的成本每公斤65~70块钱，国家还得每公斤补20块钱才能够运行，不能这样老补贴下去。制氢、运到加氢站的目标成本大概在每公斤22块钱左右，是可以接受的，所以说为什么“柴改氢”要在港口上的重卡上先进行，我觉得意义就在这个地方。唐山到2019年12月31号从港口到钢厂公路要改成铁路，但是，光是公路改铁路解决不了最终问题，最好辅助以“柴改氢”，就是柴油车用氢燃料汽车来代替它。如果这样走通了的话，实际上我们在港口城市都可以示范。如果现在我们在京津冀地区先建立氢能的利用体系，那2030年不到，就可以在很短的时间之内把京津冀的雾霾问题部分解决掉，或者是根本解决掉，一些粉尘问题可以解决，二氧化碳温室气体可以大量减少。截至2018年底，全球正在运营的加氢站超过了400座，全球燃料电池乘用车销售累计近6000辆。世界主要发达国家都把氢能源的发展利用放到国家能源安全的战略高度。2017年至今，我国在氢能和燃料电池领域的计划投资约2000亿元，全国各地已规划建设加氢站约60座。生产氢燃料电池汽车约200多辆。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预测，到2030年，氢能产业产值将突破1万亿元；加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆。我们同世界发达国家在氢能源的开发利用上还有一定的差距。我国氢能源产业发展有着怎样的布局？又面临哪些挑战呢？欧盟把氢能源的发展作为了一个主体计划，2017年他们启动了氢动力汽车联合开发的计划项目。2019年欧洲又发布了氢燃料电池发展的技术路线图。2015年，美国在燃料电池和氢能源技术的发展报告里面提出，大力投资发展与先进氢能和燃料电池技术相关的发展计划，所以现在美国的35个州的加氢站开始运行了。特别是加州，加州的推广很有意思，美国加州在2018年就有将近37座加氢站。因为加州是一个长条形的，它在公路上布局得非常合理。当时加州的州长叫施瓦辛格，是一个演员，但是他对于氢能作为能源的作用非常敏感。每一批丰田的乘用车的订货销售里面，他就要求加一定比例配额的新能源汽车，而且提出要有氢燃料汽车。他说你把计划做好，你每年供我多少，我根据氢燃料汽车的数量我来配备加氢站，这非常有战略眼光。所以，目前加州在氢能汽车的示范应用中走到前面，加氢站的布局也非常合理，作出了示范样板。到2019年，美国动用了3100万左右美元来进行整个推进氢规模化应用的计划。当然我认为值得一提的是日本，丰田这些年来没有停止氢燃料电池的研发，氢燃料电池在交通上的工程化应用，他们作出了很大贡献。当然他们也申请了上万个专利，他们也不是说把所有的专利都封锁，因为氢对全人类都有好处。日本政府首先把氢能发展作为国家战略，制定了“三步走”的一个战略，到2025年它要扩大氢的使用范围，大概整个装置氢能的发电装置要到140万台，家庭的分布式的发电要到560万台，相当于十分之一的日本家庭户数。到2030年它要全面建立氢能的供应系统，到2040年它确定要实现二氧化碳零排放的供氢系统这么一个目标来进行。当然这里面主要是在煤制氢或者是化石能源制氢中要把二氧化碳进行捕集、封存或者利用才能达到这个目标。韩国现在也开始了氢燃料电池和氢能源的开发，大概2020年计划建立80座加氢站。首先，国家高度重视氢能源产业发展。早在2006年，实际上国家中长期的科学发展纲要里面就对氢能和氢燃料电池进行了规划。在后来中国制造2025国家节能与新能源汽车路线图上也把氢能源和燃料电池汽车作为了一个发展的主要方向。2016年国家发改委、国家能源局联合印发了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》，里面也包括了氢能和燃料电池应用。我国2019年《政府工作报告》提出，“推动充电、加氢等设施建设。”当前整个氢能和氢燃料电池汽车的应用掀起了高潮，现在看来，在北京、上海、天津，包括湖北、重庆、浙江、广东都开始了汽车氢燃料电池的研发和商业化的试运行。实际上，中国制氢的工业基础还是很雄厚的，制氢能力在全世界也是排在最前面的。在氢还没有作为重要能源的时候，它作为催化剂、作为还原剂大量应用，比如合成氨炼油加氢，我们大概有每年2500万吨的氢的产能，产量也在2000万吨以上，这在全世界是排第一的。这里边有97%的氢气来自于化石能源，煤气化制氢1000万吨以上，天然气制氢大概在300万吨以上，工业副产氢大概在800万吨以上，包括电解水制氢也在100万吨左右。当然，我们工业副产氢现在可以达到99.999%的纯度的氢气，我国未来开发氢气潜力巨大，市场巨大，我们的商业用车、港口用的卡车、物流车，只要我们要用的乘用车，数量加起来都是很大的。我国的氢能产业正在进行区域布局，现在已经有20个省市正在做氢能的发展规划和氢燃料汽车的发展规划，而且已经形成了6个地区，华东、华中、华南、华北、东北、西南六个氢能和氢燃料电池汽车的产业群，涌现出像上海、如皋、佛山、张家口、武汉等有代表性的一些城市。我们知道上海汽车集团在氢燃料电池汽车方面，首先推出包括乘用车、轻型货车等等，而且它110千瓦的氢燃料电池的电堆技术比较成熟。另外就是广东的佛山，有一个人物叫许国，是副市长，我们叫他氢能源市长，非常重视氢能源发展，把它作为未来的一个战略新兴产业发展。他在佛山云浮建立了一个氢能氢燃料汽车示范区，已经有四座加氢站在运行，而且2019年还有若干座要投产，包括三个基地在这儿建设，一个佛山的高明，包括佛山的云浮和广东新能源汽车的基地，也包括佛山南海。他建立了三个基地。张家口是国务院批准冬季奥运会上可再生能源的示范区，在19个县区全面布局加氢站，在冬奥会上全部都用氢燃料汽车。而且中国首条自动化氢燃料电池的发动机大批量地应用在这儿要正式投产。当然还有江苏的如皋，那是联合国作为一个氢能源发展的示范城市，如皋现在有两条30千瓦的电堆生产线。氢燃料电池要求到“十三五”期末到数十万辆的规模，产值要超过千亿元。还有一个就是山东，提出了建立“氢谷”的概念，这是省委、省政府的一个全面号召，而且制定了一个总体规划。为什么呢？第二它的焦炭有4400万吨，每吨焦炭有400立方米的焦炉煤气，含纯氢是55%，另外它的氯碱工业发达工业副产氢是很不错的，它们煤制氢的能力很强；第三它的高速公路是掌握在一家国有企业手里，高速公路上有120个服务站可以布局，在这儿很容易布局加氢站来形成示范；另外它是一个大的区域体系，离山西也很近，管网运氢这种设想可能实现。它海岸线很长，海上的风机发电能力可以用来制氢，而且最重要的是，在山东出现了一个对氢着迷的人物——谭旭光董事长，他现在是山东重工集团、中国重型汽车集团的董事长。他很多年前就意识到柴油发动机以后可能要被氢发动机代替，他要启动氢能发动机的研发。所以这些年他几乎就在国外，悄悄地在收购巴拉德的股份，后来他占了巴拉德19.9%的股份，成为相对的第一大股东。他利用加拿大巴拉德的燃料电池的技术，想很快地把它的氢能和氢燃料电池发动机产业搞起来，现在看来正在进行而且决心很大，他准备投500个亿来做这个研发平台。目前我国氢能产业发展前景广阔，但要实现快速健康发展需要改变氢能生产主要依赖化石能源、清洁能源制氢和氢作为能源利用规模还比较小的现状。攻克质子交换膜组、发动机、传感器等氢核心产品技术难点，并且要解决氢气输送网络系统不成熟，商用化应用不足等现实问题。现在国内氢燃料电池上得还是多了一点、快了一点，在氢能的利用上千万不能先车后氢，至少是车和氢要同步。我们认为应该氢体系先行，叫"兵马未动粮草先行"，对于燃料电池和燃料电池汽车可以说有力地推动，否则欲速则不达。因为氢能产业链长，它横跨能源、化工诸多领域，氢体系也很复杂，所以推进氢全产业链发展，要以企业为主体，也得有资本为纽带，集中国内优势单位把团队力量搞强，然后把氢体系全产业链的规划拿出来。在氢燃料电池汽车发展中，氢能供应体系要先行，来有序发展。当然我们希望最好是根据每个区域它的特色，它的能源禀赋，它的环境条件，它的技术能力来规范每个地区的氢能和它的发展方向、发展规划。粤港澳大湾区我们认为可以建议它做一个加氢的供应网络基地；长三角它是可以把氢能源燃料电池和管网的建设同时启动起来，以技术和环境为驱动，形成一个综合性的、辐射长江流域的氢走廊；海南的地域很有意思，它是可以封闭的，它有环岛高速公路，它已经定出它的规划，2030年以后是不准燃油车上岛，它要保持它的整个蓝天白云环保的优势，这时候它可以布局，氢燃料汽车在它的环岛公路上加氢站的布局，所以它可以制定这样应用的战略。山西是一个能源输出大省，它每年有六亿吨煤要输出来，它非常希望以后输出的不是煤而是清洁能源，所以要是在山西搞煤制氢，山西省煤制氢输出氢气向周围，那是太漂亮了。但是有一个重要技术要突破，就是在化石能源制氢过程中产生的二氧化碳的捕集、收集和利用。如果这个问题能解决，这个技术能突破，将在全世界作出一个非常好的示范，这个技术人类早晚是要把它攻破下来的。像云南，水资源丰富，有色资源的废矿区很多，所以最近德国人来了，说这儿好啊，铜矿、锡矿等数千座矿山的废矿在那儿，制氢以后，就可以把氢储在这儿。你水电很丰富，每年弃水三百亿度电的水弃掉了，用这个电来制氢，作为储能把它储到哪儿了？储到废矿井里面，成本很低。我们建议设立国家重大专项来解决产业链中的重大技术装备和工程问题，像液态储罐70兆帕储罐的氢气管网和大规模制氢的技术，包括区域内制氢，这些三大技术体系的一些重要的技术问题，还有一些材料装备。重型柴油车密集的港口在中国有很多，从张家港、黄骅港、连云港到青岛港都是重化工聚集地区。唐山港一亿多吨钢，黄骅港、邯郸地区也是五六千万吨钢，到山东的临沂这是最大的物流基地，柴油车密集。我们提出来一个中国在发展氢能和氢燃料电池汽车的技术路线，我们认为应该开创氢能的重卡时代，提出这么一个口号来带动氢能和氢燃料电池汽车的发展，优先发展氢能的商用物流车。现在国际上，丰田、尼古拉和现代在重卡汽车上已经开始突破。国内山东潍柴也把目标集中在重卡和大功率的氢燃料电池上，它准备搞200千瓦的氢燃料电池，而且在海南咱们都见证了它和神华集团签订了350吨的重型矿车的氢燃料电池的战略性框架协议。咱们看看我们的主要港口，从唐山港、天津港、大连港、青岛港、上海港等，2019年1月份，就一个月，它的货物运输量巨大，由5000万吨到9000多万吨。如果按照60%的公路运输比例来看，那么整个重量估算是2.36亿吨，集装箱800万标准箱。如果是每车运输30吨的重卡，运距1000公里，单车消耗柴油250公斤，那么这样一看，要达到1600万次，要把这些货物运完消耗柴油要到400万吨。400万吨这个排放可是不得了，折算氢气每个月240万吨，所以按照100公里15公斤的重卡消耗的氢，消耗的氢气量3000万吨，很不得了。3000万吨的氢上来以后，我们要减排近4亿吨左右的二氧化碳。所以在物流密集的港口地区我们一定要首先启动氢系统的建立和重卡氢燃料车的试运行。我们国家确实在可再生能源上下了大工夫，风电、光伏电池、水电、生物质能源，包括核电我们发展都很快。特别是风电和光伏电池，就仅这两样，目前已经建成了全世界几乎接近一半的装机容量。中国每个小时有两千个太阳板在建设安装，每个小时有两个风机在建设，速度很快。但是弃风、弃水、弃光的现象很严重，为什么呢？可再生能源风电、光电不稳定，所以很多地方建了风电、光伏没有全部利用。另外上国家电网困难，我们大概每年有1000亿度电是弃掉了的，这一部分是作为制氢的电源是非常有利的，成本低，它这个电是多余的，我们捡回来的。它还可以生成大量的氢气，大概每年有224亿立方米可以利用。在国家制定整个氢能发展的国家战略中要利用好现在弃光、弃风、弃水这1000亿度电 。包括优先利用工业副产氢，工业副产氢有多少？1000万吨。这两个“1000”我们要用好。比如说吉林的白城，它要建3000万千瓦的风电、风能和光伏电能，我们就可以给它制定一些以氢能为载体的新能源开发的技术路线，制氢技术采用一种碱性电解水的工艺，最后它的成本到氢的时候含税价大概也就在18~20元左右每公斤，这样供给加氢站，这就可能有一定的利润了，可以有商业运作的模式进行了，而且还有进一步降低成本的空间。所以在密集的港口地区从物流或重卡起步以建氢能体系为基础，解决当前的雾霾或环境紧迫问题，我认为当前比较好的一个发展路线。当然氢燃料电池研发我们也是支持的，但是你必须要具备相当的竞争力，而且有持续的研发能力，要赶上国外的氢燃料电池的水平，要把功率提上去，要把运行质量提上去，成本降下来。中国是一个工业化进程速度非常快的国家，建立高效的合理的氢能源体系，促进可再生能源的利用，改善人类的居住环境和提高生活质量对我们尤其重要。我们利用氢系统以后我们的电网会更加智能，更加高效，更加合理，更加节能。以推动氢能重卡时代为代表，来把我们的氢能和氢燃料电池的事业、产业往前发展推进，这是一个比较好的路线。支撑我们制造强国建设，人类在二十一世纪肯定要进入氢社会和氢时代，我觉得有信心来完成历史交给我们这一代人的任务，把氢能的发展、氢能源的利用这个历史任务圆满完成！
信息来源：DT新材料 中国经济大讲堂
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