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解构氢产业 谋划氢未来
来源: 兴发xf187登陆 省煤化工发展促进中心
时间: 2020/7/28

7月24日,中国石油化工集团有限公司在线上组织举办了氢能发展战略研讨会,邀请多位院士围绕氢能技术、经济性及产业发展等把脉问诊,建言献策,以进一步找准产业方向、厘清路径、明确举措,促进我国氢能产业科学、健康、高质量发展。特整理出7位院士的精彩发言,以期给业内有益的参考。

中国工程院院士干勇

要开创氢能的“重卡时代”

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从我国氢能发展的可行性来看,国际氢能领域正在快速发展,美国、日本、韩国、欧盟等国家都已制定2030~2050年的氢能战略。

当前全球氢气来源以化石能源制氢为主,预计2050年用氢需求将达到5.3亿吨/年,主要国家和地区都在积极建设绿色、低碳、经济、多元化的氢能供应体系。保守估计,2050年氢在我国终端能源体系占比将达到10%甚至更高,成为我国能源战略的重要组成部分。氢能将纳入我国终端能源体系,带动形成10万亿级的新兴产业。

目前国内氢能产业已经形成六个产业集群,产业链延伸到制氢、储氢、运氢、加氢、燃料电池及配套产业环节。

但在全球氢能竞争中,我们尚未占据优势地位。从发展优势来看,我国具备全球最大制氢产能和巨大的可再生能源可开发量,城市、港口的交通运输较为集中,产业链和标准规范已初步形成。同时,具备地方政府、企业和科研院所积极发展氢能的主观优势,如中国宣布到2023年氢运输行业的投资将超过170亿美元。而从发展劣势来看,一方面,我们在核心材料、零部件、重大装备和工程等方面存在不少卡脖子的关键技术问题。如膜电极是燃料电池最昂贵的部件,国内制定了支持中长期膜电极计划,但有些指标没有达到,投入还不够,大型企业的介入也不够。另一方面,国内能源体系中定位不清晰,各级政府的顶层设计和法律法规不完善,商业模式模糊等,而且与氢能相关材料科研资源分散、力量薄弱、经费不足、人才缺乏,科研成果转化时间长、效率低,实验平台水平不足,利用率低。希望粤港澳、长三角、京津冀等统筹发展,这样可以使能源效率高、成本低。

未来,中国应该在柴油车方面开创氢能的“重卡时代”。因为柴油车占汽车保有量的9.4%,但柴油氮氧化物排放量却占排放总量68.3%,颗粒物排放量占排放总量99%以上。

物流密集的港口地区适合建立柴改氢示范区,氢燃料电池车的特点适合长距离、重载,若改为“氢能重卡”,氢需求量就会很大。港口地区建有大型钢铁企业及联产焦化企业,副产氢来源有保障,可实现氢源供应的经济性。港口交通发达,易于规划建设氢能输送管网,可进一步降低氢能供应成本。

未来开创氢能“重卡时代”,优先发展氢能源商用物流车是重中之重。国内的主要海港,按照一个月60%货物的公路运输比例,估算重量2.36亿吨,约1600万车次,需消耗柴油400万吨,折算氢气240万吨/月。

固态储氢已经有一定商业模式,经济可行性高,技术路线也已经出现,以固态储氢为氢源的“电电混动”氢能源汽车将成为新技术发展方向之一。

中国工程院院士苏义脑

氢能产业发展要做好示范推进

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氢能是世界公认的清洁能源。近年来,燃料电池汽车迎来了产业化发展的重要窗口期,使得氢能和燃料电池发展受到广泛关注,国内也出现了“氢能热”,部分地方政府陆续出台氢能相关规划和支持政策。然而我国氢能和燃料电池的相关技术和产业发展仍面临严峻挑战,与美国、日本等发达国家先进水平还有较大差距,其核心技术能力、燃料电池和氢能关键部件与装备、标准体系建设等亟待加强。

针对这些问题,中国工程院先后组织了我国燃料电池技术发展现状暨面向2035年的重大战略研究、中国氢能源与燃料电池发展战略研究等咨询项目,并卓有成效。这些研究成果将为我国氢能和燃料电池相关技术产业的发展进行系统谋划和前瞻部署提供决策,为氢能和燃料电池相关领域的基础研究部署和技术路线的选择提供科学依据。

目前,我国氢能产业发展还处于培育阶段,重点是要做好示范推进,这需要有实力的大型企业来承担相关示范任务,引领国家氢能产业健康有序发展。开展科技咨询、服务企业发展是中国工程院能源与矿业工程学部的重要工作之一,我们非常赞赏中国石化等大型国有企业勇挑氢能产业排头兵的重担。学部将充分发挥能源领域高端智库的作用,为推进我国氢能和燃料电池相关产业的积极、稳妥、快速发展贡献力量。

中国工程院院士衣宝廉

迎接电解水制氢储能高潮

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为保障国家能源安全,减少对国际油和天然气的依赖,我国要发展油、天然气的替代燃料——氢。氢能在我国能源转型中具有重要的作用。

2018年2月11日,由国家能源集团牵头数十家企业和科研机构共同发起的中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟正式成立。我国氢能联盟发布的白皮书预计:到2050年,氢能在中国能源体系中占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值将达到12万亿元,全国的加氢站达到1万座以上,交通运输、工业领域将实现氢能的普及应用,燃料电池车达到520万辆/年,固定式发电装置2万台套/年,燃料电池系统产能550台套/年。

从目前来看,氢的制备技术路线主要是电解水制氢和副产氢。其中,电解水制氢可以解决可再生能源的波动,特别是季节性的波动,解决弃水、弃光、弃风的问题,可以替代石油用于汽车,可以替代天然气用于燃气轮机发电,也可以替代焦炭用于冶金工业。

从几种水电解技术应用来看,目前的主力是电解水与碱水电解,但对可再生能源变化的适应性比较低。其中,碱性水电解工艺比较成熟,现在成套的电解槽可以出售;质量交换膜的纯水电解正在进行兆瓦级的工业实验,研发高温蒸汽电解技术。此外,固体氧化物水电解技术正在研发,主要的特点是效率比较高,把液能可以变成氢能,但是目前还处在起步阶段。

值得关注的是,当前氢能源作为能源载体的最难点就是氢的储运。在氢的储运技术中,高压储运氢是中小量用氢时的常用方法。储氢材料目前储氢容量低,仅1%~2%,适合原地储氢,很安全。但运输时则因太重,运输费用要大幅增加,因此建议进行杂环化合物储运氢方法的研究。

此外,针对氢长距离运输的难点,我建议采用高压PEMFC水电解技术,利用西南、西北、东北丰富的水电与风电以及太阳能电解水制氢,并将氢送入天然气管网。在用氢的地方采用管网中的天然气制氢,并根据用户需求进行净化、应用,无需二氧化碳处理。

中国工程院院士彭苏萍

交通领域是氢能主要发展方向

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当前我国能源系统存在能源安全不足、环境污染严重、可再生能源规模不足、能源利用效率低等问题。面对种种问题,我国需要推进能源革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系,以此抢占全球能源技术创新及产业发展的战略制高点。

氢能源和燃料电池对推进能源革命可以起到重要作用。氢能作为二次能源,具有零碳、高效等优势,可以在交通、工业等领域推广。我认为,今后我国氢能源的主要发展方向应该放在交通领域。在氢能源产业中,与其直接关联的燃料电池技术是其核心技术环节。依据电解质种类的不同,燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。其中,PEMFC工作温度低、启动快、非常适用于交通领域。而SOFC能量转化率高,在大型集中供电、中型分布式发电、小型家用热电联供乃至交通领域都有广泛应用。

目前,世界上主要的发达国家均大力发展氢能产业,制定氢能发展战略。在日本、韩国等国,燃料电池汽车与发电装置已推向市场,关键技术开发及产业装备制造较为成熟。而中国处于产业化探索期,顶层设计、关键技术、装备制造、政策标准都有待加强,因此中国的氢能发展热度相比其他国家更为高涨。

目前,我国涉氢燃料电池车企数量持续增长,关键技术取得积极进展,装备国产化进程加快。众多央企、外企布局氢燃料电池汽车以及关联产业,开展产业整合、并购等行动,因此上下游及关联企业竞争加剧。

国际氢能理事会预测,到2030年,氢能将为1000万~1500万辆汽车和50万辆卡车提供动力。到2050年,氢能约占全球总能耗的1/5。而我国预计到2050年,氢气使用量将达到1亿吨以上,约占我国终端能源结构的10%,实现二氧化碳减排11.36亿吨,产业链年产值约12万亿元。

未来10~20年将是我国氢能源与燃料电池产业发展的重要机遇期,需要紧密联系我国能源发展实际情况,助力实现氢能源与燃料电池高质量发展。氢在燃料电池汽车领域的经济性与技术成熟度最高,市场潜力最大,因此适合在近期重点推广。

此外,近年来,油价较低以及环境保护的诉求强烈,石油公司进军氢能领域是实现业务多元化的途径之一。建议油企可以发展制氢产业,布局加氢终端建设;发挥管网优势,发展天然气管道掺氢业务;发展CCUS产业,探索高温电解制化工产品;扩大“蓝氢和绿氢”在石油化工领域的应用。

中国工程院院士顾大钊

加强产学研用协同攻关

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近期,欧盟对氢能特别关注,发布了氢能战略。具体分三个阶段:第一阶段,从现在到2024年,支持欧盟安装至少6吉瓦的可再生氢电解槽,生产多达100万吨的可再生氢;第二阶段,2025~2030年,氢能必须成为欧盟综合能源系统的内在组成部分,至少要有40吉瓦的可再生氢电解槽和多达1000万吨的可再生氢生产;第三阶段,2030~2050年,可再生氢技术应该达到成熟,并在所有难以脱碳的部门大规模部署,累计投资1800亿~4700亿欧元。

美国能源部宣布拟在5年内向H2@Scale计划投入1亿美元,支持2个由美国能源部国家实验室牵头建立的实验室联盟,以促进氢能技术的研发和产业化。

从国内氢能产业发展来看,北京、上海、山东、广东、湖北、河北等省市纷纷依托自身产业基础和资源禀赋发布地方氢能发展规划,并先行先试推动氢能及燃料电池产业和补贴扶持,目前省市级规划8个,地市级规划近30个。

实际上,加氢站是非常有显示度的氢能基础设施。从加氢站的数量来看,2016年以后国内速度加快,到今年7月我国累计建成加氢站76座,投入运营的有52座。从区域来看加氢站主要集中在大湾区和长三角,最多的是广东,现有15座运营,17座在建;上海有8座运营,14座在建;江苏有4座运营,8座在建;山东有5座运营,3座在建。

为了推动我国氢能产业高质量发展,我建议,第一,加快核心技术攻关,稳妥推进工程示范。国有企业特别是央企要对上下游关键核心技术进行攻关,完善技术创新链条;要稳妥推进氢能示范项目,避免低水平重复建设和系统性风险。第二,要降低制氢成本,这是氢能产业可持续发展的关键。第三,要围绕产业链部署创新链,围绕创新链布局产业链,推动我国氢能产业迈上全球价值链的中高端。因此,今后要加强氢能产学研用协同攻关,打通基础研究、关键技术、装备制造、工程示范创新链;要组建央企国企创新联合体,上中下游产业链协同,围绕产业链布局科技攻关,形成创新合力。

中国工程院院士,中国石化集团董事长、党组书记张玉卓

加大氢能领域投资力度

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勇立潮头,大力发展氢能始终是我们的战略选项。中国石化提出要打造世界领先洁净能源化工公司的发展愿景、构建“一基两翼三新”的发展格局,氢能在其中占据重要的地位。

我国作为世界最大的化石能源消费国,大力发展氢能是我国在第四次工业革命、第三次能源革命浪潮中勇立潮头的战略选项和现实选项。当今氢能被时代推向人类社会能源变革的最前沿。氢能作为二次能源,具有来源多样、终端零排、用途广泛等多重优势,在保障国家能源安全、改善大气环境质量、推进能源产业升级等方面具有重要意义。随着技术日趋成熟、成本大幅下降,氢能正迎来快速发展的战略机遇期。

近年来,着眼打造氢能产业链,中国石化加大布局力度,积极夯实产业基础。目前,中国石化每年氢气的产量超过300万吨,占全国氢气产量14%左右,有着丰富的氢气生产和利用经验;建立了全球第二大交通能源基础设施网络,拥有3万多座加油站,目前已建成若干油氢合建示范站,有着布局加氢站网络的天然优势和实际运营经验。此外,中国石化与法液空加强氢能领域合作,加快氢能公司组建,有着打造氢能产业链和经济生态圈的坚定行动。

氢能发展前景十分光明,但氢能产业的发展方向如何选择、发展路径如何优化、发展时机如何把握,需要深入研究和探索实践。

中国石化将持续加大氢能领域投资力度,以保障2022年北京冬奥会氢能供应为重要节点,力争在“十四五”期间形成一定规模的高纯氢产能,布局若干高速氢走廊,构建氢能产业链和关键材料自主核心技术体系及标准体系,引领我国氢能产业高质量发展、保障我国能源安全,促进我国能源供给多元化、洁净化和可持续。

中国科学院院士欧阳明高

氢能燃料电池经济性面临挑战

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中国氢能燃料电池的开发是从新能源汽车开始,新能源汽车是当下的战略性新兴产业。我认为,氢能燃料电池汽车的发展要聚焦绿氢,燃料电池汽车合理性取决于氢能,氢能的合理性取决于可再生能源转型中大规模能量储存与多元化利用需求。同时,氢能燃料电池全链条技术经济性仍是挑战,出路在于新一轮的技术突破和降本。

一直以来,燃料电池汽车是新能源汽车发展的第一重点,未来,氢能燃料电池也将成为其重点。目前,氢能燃料电池技术取得了一定程度的突破。根据储能装置的特性,动力电池是分布式、短周期、高频率储能非常好的选择。同时,氢能的运储方式比较灵活,氢是集中式可再生能源大规模、长周期储存的最佳途径,一旦可再生能源成本降低,比如达到0.1元/千瓦时,储存成本在总成本中占的比例最大,就具备了优势。

在燃料电池大规模发展之后会促进质子交换膜电解水成本的下降,进而促进制氢成本下降。因此,制氢技术革命性突破需要靠燃料电池技术,以及氢安全技术。

从全链条能效分析,油电混合动力是最合理的选择。基于可再生能源分析,未来动力选择是纯电动,或发完电制氢做燃料电池,以及制完氢后再把空气中二氧化碳捕捉起来再做成合成燃料、合成的汽柴油,继续用于内燃机汽车。所以可再生能源方面,纯电动和氢燃料电池优势凸显。

而且,氢燃料电池动力系统更适合长途大型高速重载替代柴油机,而非替代汽油机。从系统智能化角度看,可再生能源出现后,汽车上的混合动力系统和电力系统是一样的,原先负荷和发电是直接关联的,现在中间多了一个储能环节,所以发电只需要和平均负荷平衡就可以。

基于以上分析,未来可以形成交通智慧能源,电动汽车既是出行装置也是能源装置,还是智能终端。目前,新能源汽车是无序充电,但国家电网正在推行有序充电,未来可以发展成车网互动,也就是车也可以作为储能装置给电网放电,成为双向互动。因此,在未来智慧能源生态将会出现两种组合,一种是黄金组合的分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;另一种是白银组合的集中式风电与光伏+氢能+燃料电池汽车+物联网+区块链。

不过,高压储氢瓶的成本偏高,预计到2025年储每千克氢成本2000~4000元,到2035年能降低到2000元以内。但要特别注意储氢的成本下降比燃料电池成本下降要慢。

当前全球面对的共同挑战是氢能燃料电池全链条技术经济性和市场竞争力,出路在于创新,包括理念创新、商业模式创新等。其中,最重要的是技术创新。不仅如此,寻求市场的突破口也是一大挑战。低成本高安全储氢瓶能够覆盖的里程范围,最好能够利用燃料电池余热,适合采用燃料电池深度混合动力的车型,地方政府要大力支持,大型能源企业也要主动建加氢站才能创新引领,突破瓶颈。

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