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7月24日，中國石油化工集團有限公司在線上組織舉辦了氫能發(fā)展戰(zhàn)略研討會，邀請多位院士圍繞氫能技術(shù)、經(jīng)濟性及產(chǎn)業(yè)發(fā)展等把脈問診，建言獻策，以進一步找準產(chǎn)業(yè)方向、厘清路徑、明確舉措，促進我國氫能產(chǎn)業(yè)科學(xué)、健康、高質(zhì)量發(fā)展。特整理出7位院士的精彩發(fā)言，以期給業(yè)內(nèi)有益的參考。
中國工程院院士干勇
要開創(chuàng)氫能的“重卡時代”
從我國氫能發(fā)展的可行性來看，國際氫能領(lǐng)域正在快速發(fā)展，美國、日本、韓國、歐盟等國家都已制定2030~2050年的氫能戰(zhàn)略。
當(dāng)前全球氫氣來源以化石能源制氫為主，預(yù)計2050年用氫需求將達到5.3億噸/年，主要國家和地區(qū)都在積極建設(shè)綠色、低碳、經(jīng)濟、多元化的氫能供應(yīng)體系。保守估計，2050年氫在我國終端能源體系占比將達到10%甚至更高，成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。氫能將納入我國終端能源體系，帶動形成10萬億級的新興產(chǎn)業(yè)。
目前國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成六個產(chǎn)業(yè)集群，產(chǎn)業(yè)鏈延伸到制氫、儲氫、運氫、加氫、燃料電池及配套產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)。
但在全球氫能競爭中，我們尚未占據(jù)優(yōu)勢地位。從發(fā)展優(yōu)勢來看，我國具備全球最大制氫產(chǎn)能和巨大的可再生能源可開發(fā)量，城市、港口的交通運輸較為集中，產(chǎn)業(yè)鏈和標準規(guī)范已初步形成。同時，具備地方政府、企業(yè)和科研院所積極發(fā)展氫能的主觀優(yōu)勢，如中國宣布到2023年氫運輸行業(yè)的投資將超過170億美元。而從發(fā)展劣勢來看，一方面，我們在核心材料、零部件、重大裝備和工程等方面存在不少卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)問題。如膜電極是燃料電池最昂貴的部件，國內(nèi)制定了支持中長期膜電極計劃，但有些指標沒有達到，投入還不夠，大型企業(yè)的介入也不夠。另一方面，國內(nèi)能源體系中定位不清晰，各級政府的頂層設(shè)計和法律法規(guī)不完善，商業(yè)模式模糊等，而且與氫能相關(guān)材料科研資源分散、力量薄弱、經(jīng)費不足、人才缺乏，科研成果轉(zhuǎn)化時間長、效率低，實驗平臺水平不足，利用率低。希望粵港澳、長三角、京津冀等統(tǒng)籌發(fā)展，這樣可以使能源效率高、成本低。
未來，中國應(yīng)該在柴油車方面開創(chuàng)氫能的“重卡時代”。因為柴油車占汽車保有量的9.4%，但柴油氮氧化物排放量卻占排放總量68.3%，顆粒物排放量占排放總量99%以上。
物流密集的港口地區(qū)適合建立柴改氫示范區(qū)，氫燃料電池車的特點適合長距離、重載，若改為“氫能重卡”，氫需求量就會很大。港口地區(qū)建有大型鋼鐵企業(yè)及聯(lián)產(chǎn)焦化企業(yè)，副產(chǎn)氫來源有保障，可實現(xiàn)氫源供應(yīng)的經(jīng)濟性。港口交通發(fā)達，易于規(guī)劃建設(shè)氫能輸送管網(wǎng)，可進一步降低氫能供應(yīng)成本。
未來開創(chuàng)氫能“重卡時代”，優(yōu)先發(fā)展氫能源商用物流車是重中之重。國內(nèi)的主要海港，按照一個月60%貨物的公路運輸比例，估算重量2.36億噸，約1600萬車次，需消耗柴油400萬噸，折算氫氣240萬噸/月。
固態(tài)儲氫已經(jīng)有一定商業(yè)模式，經(jīng)濟可行性高，技術(shù)路線也已經(jīng)出現(xiàn)，以固態(tài)儲氫為氫源的“電電混動”氫能源汽車將成為新技術(shù)發(fā)展方向之一。
中國工程院院士蘇義腦
氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展要做好示范推進
氫能是世界公認的清潔能源。近年來，燃料電池汽車迎來了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要窗口期，使得氫能和燃料電池發(fā)展受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)也出現(xiàn)了“氫能熱”，部分地方政府陸續(xù)出臺氫能相關(guān)規(guī)劃和支持政策。然而我國氫能和燃料電池的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)，與美國、日本等發(fā)達國家先進水平還有較大差距，其核心技術(shù)能力、燃料電池和氫能關(guān)鍵部件與裝備、標準體系建設(shè)等亟待加強。
針對這些問題，中國工程院先后組織了我國燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀暨面向2035年的重大戰(zhàn)略研究、中國氫能源與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略研究等咨詢項目，并卓有成效。這些研究成果將為我國氫能和燃料電池相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行系統(tǒng)謀劃和前瞻部署提供決策，為氫能和燃料電池相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究部署和技術(shù)路線的選擇提供科學(xué)依據(jù)。
目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于培育階段，重點是要做好示范推進，這需要有實力的大型企業(yè)來承擔(dān)相關(guān)示范任務(wù)，引領(lǐng)國家氫能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。開展科技咨詢、服務(wù)企業(yè)發(fā)展是中國工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部的重要工作之一，我們非常贊賞中國石化等大型國有企業(yè)勇挑氫能產(chǎn)業(yè)排頭兵的重擔(dān)。學(xué)部將充分發(fā)揮能源領(lǐng)域高端智庫的作用，為推進我國氫能和燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)的積極、穩(wěn)妥、快速發(fā)展貢獻力量。
中國工程院院士衣寶廉
迎接電解水制氫儲能高潮
為保障國家能源安全，減少對國際油和天然氣的依賴，我國要發(fā)展油、天然氣的替代燃料——氫。氫能在我國能源轉(zhuǎn)型中具有重要的作用。
2018年2月11日，由國家能源集團牽頭數(shù)十家企業(yè)和科研機構(gòu)共同發(fā)起的中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式成立。我國氫能聯(lián)盟發(fā)布的白皮書預(yù)計：到2050年，氫能在中國能源體系中占比約為10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟產(chǎn)值將達到12萬億元，全國的加氫站達到1萬座以上，交通運輸、工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)氫能的普及應(yīng)用，燃料電池車達到520萬輛/年，固定式發(fā)電裝置2萬臺套/年，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能550臺套/年。
從目前來看，氫的制備技術(shù)路線主要是電解水制氫和副產(chǎn)氫。其中，電解水制氫可以解決可再生能源的波動，特別是季節(jié)性的波動，解決棄水、棄光、棄風(fēng)的問題，可以替代石油用于汽車，可以替代天然氣用于燃氣輪機發(fā)電，也可以替代焦炭用于冶金工業(yè)。
從幾種水電解技術(shù)應(yīng)用來看，目前的主力是電解水與堿水電解，但對可再生能源變化的適應(yīng)性比較低。其中，堿性水電解工藝比較成熟，現(xiàn)在成套的電解槽可以出售;質(zhì)量交換膜的純水電解正在進行兆瓦級的工業(yè)實驗，研發(fā)高溫蒸汽電解技術(shù)。此外，固體氧化物水電解技術(shù)正在研發(fā)，主要的特點是效率比較高，把液能可以變成氫能，但是目前還處在起步階段。
值得關(guān)注的是，當(dāng)前氫能源作為能源載體的最難點就是氫的儲運。在氫的儲運技術(shù)中，高壓儲運氫是中小量用氫時的常用方法。儲氫材料目前儲氫容量低，僅1%~2%，適合原地儲氫，很安全。但運輸時則因太重，運輸費用要大幅增加，因此建議進行雜環(huán)化合物儲運氫方法的研究。
此外，針對氫長距離運輸?shù)碾y點，我建議采用高壓PEMFC水電解技術(shù)，利用西南、西北、東北豐富的水電與風(fēng)電以及太陽能電解水制氫，并將氫送入天然氣管網(wǎng)。在用氫的地方采用管網(wǎng)中的天然氣制氫，并根據(jù)用戶需求進行凈化、應(yīng)用，無需二氧化碳處理。
中國工程院院士彭蘇萍
交通領(lǐng)域是氫能主要發(fā)展方向
當(dāng)前我國能源系統(tǒng)存在能源安全不足、環(huán)境污染嚴重、可再生能源規(guī)模不足、能源利用效率低等問題。面對種種問題，我國需要推進能源革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，以此搶占全球能源技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。
氫能源和燃料電池對推進能源革命可以起到重要作用。氫能作為二次能源，具有零碳、高效等優(yōu)勢，可以在交通、工業(yè)等領(lǐng)域推廣。我認為，今后我國氫能源的主要發(fā)展方向應(yīng)該放在交通領(lǐng)域。在氫能源產(chǎn)業(yè)中，與其直接關(guān)聯(lián)的燃料電池技術(shù)是其核心技術(shù)環(huán)節(jié)。依據(jù)電解質(zhì)種類的不同，燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)等。其中，PEMFC工作溫度低、啟動快、非常適用于交通領(lǐng)域。而SOFC能量轉(zhuǎn)化率高，在大型集中供電、中型分布式發(fā)電、小型家用熱電聯(lián)供乃至交通領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。
目前，世界上主要的發(fā)達國家均大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略。在日本、韓國等國，燃料電池汽車與發(fā)電裝置已推向市場，關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)裝備制造較為成熟。而中國處于產(chǎn)業(yè)化探索期，頂層設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)、裝備制造、政策標準都有待加強，因此中國的氫能發(fā)展熱度相比其他國家更為高漲。
目前，我國涉氫燃料電池車企數(shù)量持續(xù)增長，關(guān)鍵技術(shù)取得積極進展，裝備國產(chǎn)化進程加快。眾多央企、外企布局氫燃料電池汽車以及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)，開展產(chǎn)業(yè)整合、并購等行動，因此上下游及關(guān)聯(lián)企業(yè)競爭加劇。
國際氫能理事會預(yù)測，到2030年，氫能將為1000萬~1500萬輛汽車和50萬輛卡車提供動力。到2050年，氫能約占全球總能耗的1/5。而我國預(yù)計到2050年，氫氣使用量將達到1億噸以上，約占我國終端能源結(jié)構(gòu)的10%，實現(xiàn)二氧化碳減排11.36億噸，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元。
未來10~20年將是我國氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機遇期，需要緊密聯(lián)系我國能源發(fā)展實際情況，助力實現(xiàn)氫能源與燃料電池高質(zhì)量發(fā)展。氫在燃料電池汽車領(lǐng)域的經(jīng)濟性與技術(shù)成熟度最高，市場潛力最大，因此適合在近期重點推廣。
此外，近年來，油價較低以及環(huán)境保護的訴求強烈，石油公司進軍氫能領(lǐng)域是實現(xiàn)業(yè)務(wù)多元化的途徑之一。建議油企可以發(fā)展制氫產(chǎn)業(yè)，布局加氫終端建設(shè);發(fā)揮管網(wǎng)優(yōu)勢，發(fā)展天然氣管道摻氫業(yè)務(wù);發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)，探索高溫電解制化工產(chǎn)品;擴大“藍氫和綠氫”在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用。
中國工程院院士顧大釗
加強產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)
近期，歐盟對氫能特別關(guān)注，發(fā)布了氫能戰(zhàn)略。具體分三個階段：第一階段，從現(xiàn)在到2024年，支持歐盟安裝至少6吉瓦的可再生氫電解槽，生產(chǎn)多達100萬噸的可再生氫;第二階段，2025~2030年，氫能必須成為歐盟綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)在組成部分，至少要有40吉瓦的可再生氫電解槽和多達1000萬噸的可再生氫生產(chǎn);第三階段，2030~2050年，可再生氫技術(shù)應(yīng)該達到成熟，并在所有難以脫碳的部門大規(guī)模部署，累計投資1800億~4700億歐元。
美國能源部宣布擬在5年內(nèi)向H2@Scale計劃投入1億美元，支持2個由美國能源部國家實驗室牽頭建立的實驗室聯(lián)盟，以促進氫能技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
從國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，北京、上海、山東、廣東、湖北、河北等省市紛紛依托自身產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和資源稟賦發(fā)布地方氫能發(fā)展規(guī)劃，并先行先試推動氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)和補貼扶持，目前省市級規(guī)劃8個，地市級規(guī)劃近30個。
實際上，加氫站是非常有顯示度的氫能基礎(chǔ)設(shè)施。從加氫站的數(shù)量來看，2016年以后國內(nèi)速度加快，到今年7月我國累計建成加氫站76座，投入運營的有52座。從區(qū)域來看加氫站主要集中在大灣區(qū)和長三角，最多的是廣東，現(xiàn)有15座運營，17座在建;上海有8座運營，14座在建;江蘇有4座運營，8座在建;山東有5座運營，3座在建。
為了推動我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，我建議，第一，加快核心技術(shù)攻關(guān)，穩(wěn)妥推進工程示范。國有企業(yè)特別是央企要對上下游關(guān)鍵核心技術(shù)進行攻關(guān)，完善技術(shù)創(chuàng)新鏈條;要穩(wěn)妥推進氫能示范項目，避免低水平重復(fù)建設(shè)和系統(tǒng)性風(fēng)險。第二，要降低制氫成本，這是氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。第三，要圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，圍繞創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈，推動我國氫能產(chǎn)業(yè)邁上全球價值鏈的中高端。因此，今后要加強氫能產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，打通基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、裝備制造、工程示范創(chuàng)新鏈;要組建央企國企創(chuàng)新聯(lián)合體，上中下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈布局科技攻關(guān)，形成創(chuàng)新合力。
中國工程院院士，中國石化集團董事長、黨組書記張玉卓
加大氫能領(lǐng)域投資力度
勇立潮頭，大力發(fā)展氫能始終是我們的戰(zhàn)略選項。中國石化提出要打造世界領(lǐng)先潔凈能源化工公司的發(fā)展愿景、構(gòu)建“一基兩翼三新”的發(fā)展格局，氫能在其中占據(jù)重要的地位。
我國作為世界最大的化石能源消費國，大力發(fā)展氫能是我國在第四次工業(yè)革命、第三次能源革命浪潮中勇立潮頭的戰(zhàn)略選項和現(xiàn)實選項。當(dāng)今氫能被時代推向人類社會能源變革的最前沿。氫能作為二次能源，具有來源多樣、終端零排、用途廣泛等多重優(yōu)勢，在保障國家能源安全、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、推進能源產(chǎn)業(yè)升級等方面具有重要意義。隨著技術(shù)日趨成熟、成本大幅下降，氫能正迎來快速發(fā)展的戰(zhàn)略機遇期。
近年來，著眼打造氫能產(chǎn)業(yè)鏈，中國石化加大布局力度，積極夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。目前，中國石化每年氫氣的產(chǎn)量超過300萬噸，占全國氫氣產(chǎn)量14%左右，有著豐富的氫氣生產(chǎn)和利用經(jīng)驗;建立了全球第二大交通能源基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，擁有3萬多座加油站，目前已建成若干油氫合建示范站，有著布局加氫站網(wǎng)絡(luò)的天然優(yōu)勢和實際運營經(jīng)驗。此外，中國石化與法液空加強氫能領(lǐng)域合作，加快氫能公司組建，有著打造氫能產(chǎn)業(yè)鏈和經(jīng)濟生態(tài)圈的堅定行動。
氫能發(fā)展前景十分光明，但氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向如何選擇、發(fā)展路徑如何優(yōu)化、發(fā)展時機如何把握，需要深入研究和探索實踐。
中國石化將持續(xù)加大氫能領(lǐng)域投資力度，以保障2022年北京冬奧會氫能供應(yīng)為重要節(jié)點，力爭在“十四五”期間形成一定規(guī)模的高純氫產(chǎn)能，布局若干高速氫走廊，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)鏈和關(guān)鍵材料自主核心技術(shù)體系及標準體系，引領(lǐng)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障我國能源安全，促進我國能源供給多元化、潔凈化和可持續(xù)。
中國科學(xué)院院士歐陽明高
氫能燃料電池經(jīng)濟性面臨挑戰(zhàn)
中國氫能燃料電池的開發(fā)是從新能源汽車開始，新能源汽車是當(dāng)下的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我認為，氫能燃料電池汽車的發(fā)展要聚焦綠氫，燃料電池汽車合理性取決于氫能，氫能的合理性取決于可再生能源轉(zhuǎn)型中大規(guī)模能量儲存與多元化利用需求。同時，氫能燃料電池全鏈條技術(shù)經(jīng)濟性仍是挑戰(zhàn)，出路在于新一輪的技術(shù)突破和降本。
一直以來，燃料電池汽車是新能源汽車發(fā)展的第一重點，未來，氫能燃料電池也將成為其重點。目前，氫能燃料電池技術(shù)取得了一定程度的突破。根據(jù)儲能裝置的特性，動力電池是分布式、短周期、高頻率儲能非常好的選擇。同時，氫能的運儲方式比較靈活，氫是集中式可再生能源大規(guī)模、長周期儲存的最佳途徑，一旦可再生能源成本降低，比如達到0.1元/千瓦時，儲存成本在總成本中占的比例最大，就具備了優(yōu)勢。
在燃料電池大規(guī)模發(fā)展之后會促進質(zhì)子交換膜電解水成本的下降，進而促進制氫成本下降。因此，制氫技術(shù)革命性突破需要靠燃料電池技術(shù)，以及氫安全技術(shù)。
從全鏈條能效分析，油電混合動力是最合理的選擇?；诳稍偕茉捶治?，未來動力選擇是純電動，或發(fā)完電制氫做燃料電池，以及制完氫后再把空氣中二氧化碳捕捉起來再做成合成燃料、合成的汽柴油，繼續(xù)用于內(nèi)燃機汽車。所以可再生能源方面，純電動和氫燃料電池優(yōu)勢凸顯。
而且，氫燃料電池動力系統(tǒng)更適合長途大型高速重載替代柴油機，而非替代汽油機。從系統(tǒng)智能化角度看，可再生能源出現(xiàn)后，汽車上的混合動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是一樣的，原先負荷和發(fā)電是直接關(guān)聯(lián)的，現(xiàn)在中間多了一個儲能環(huán)節(jié)，所以發(fā)電只需要和平均負荷平衡就可以。
基于以上分析，未來可以形成交通智慧能源，電動汽車既是出行裝置也是能源裝置，還是智能終端。目前，新能源汽車是無序充電，但國家電網(wǎng)正在推行有序充電，未來可以發(fā)展成車網(wǎng)互動，也就是車也可以作為儲能裝置給電網(wǎng)放電，成為雙向互動。因此，在未來智慧能源生態(tài)將會出現(xiàn)兩種組合，一種是黃金組合的分布式光伏+電池+電動汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈;另一種是白銀組合的集中式風(fēng)電與光伏+氫能+燃料電池汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈。
不過，高壓儲氫瓶的成本偏高，預(yù)計到2025年儲每千克氫成本2000~4000元，到2035年能降低到2000元以內(nèi)。但要特別注意儲氫的成本下降比燃料電池成本下降要慢。
當(dāng)前全球面對的共同挑戰(zhàn)是氫能燃料電池全鏈條技術(shù)經(jīng)濟性和市場競爭力，出路在于創(chuàng)新，包括理念創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新等。其中，最重要的是技術(shù)創(chuàng)新。不僅如此，尋求市場的突破口也是一大挑戰(zhàn)。低成本高安全儲氫瓶能夠覆蓋的里程范圍，最好能夠利用燃料電池余熱，適合采用燃料電池深度混合動力的車型，地方政府要大力支持，大型能源企業(yè)也要主動建加氫站才能創(chuàng)新引領(lǐng)，突破瓶頸。
(文字由郁紅、宋汶聰、王儷錦整理，圖片來自新華網(wǎng))
