以绿氢制备和燃料电池为龙头
“未来，要以绿氢制备和燃料电池为龙头，带动氢能全产业链商业化。”中国科学院院士，国际氢能与燃料电池协会理事长，清华大学学术委员会副主任、车辆与运载学院教授欧阳明高开宗明义。 欧阳明高认为，在氢能技术链方面，当前，技术创新核心环节是燃料电池/电解装置，必须率先突破，当前主要是选择合理的氢储运技术路线；在氢能价值链方面，已经认知的价值是战略价值，并由此催生了氢能热，待开发的价值是商业价值，而商业价值的源头是绿氢制取的经济性；在氢能产业链方面，要以绿氢制备的商业价值为推动力，以多元化、大规模商业示范应用为龙头，带动绿色氢能全产业链发展。 值得一提的是，由欧阳明高率领的清华新能源团队在上述领域取得了可观的进展。 在燃料电池与氢能交通方面，清华新能源团队从2001年开始就在国家新能源汽车重大科技专项中承担燃料电池大客车项目，在膜电极、电堆、发动机和动力系统4个层次上进行整个链条的研发，目前已经全部实现产业化，并在张家口拥有万台燃料电池发电机工厂。 “我们现在正致力于降低成本。”欧阳明高表示，燃料电池和氢能要推广，目前最大的瓶颈是成本，“近年来，燃料电池发动机的成本在大幅下降，去年成本已降至3000元，预计到2025年可降至1000元，2030年可以降至500元”。 在电解制氢方面，清华新能源团队还全方位布局了3种电解水制氢技术，包括SOEC、PEM、AEC。欧阳明高表示，目前SOEC处于10千瓦级，从成本、寿命、研发的进度来看，还需要更长时间；PEM制氢技术在商业化应用中成本仍然较高；与此同时，AEC碱性制氢技术应用在绿氢场景下仍有较大创新与提升空间。 在绿色氢能储运与加注方面，欧阳明高介绍，储运的路线分为3种：短途的运输，要靠压缩氢气；长途的国际氢交易，主流方式是把氢变成氨；长途大流量的输氢，则需要管道运输。据悉，清华新能源团队提出了互补型一体化超快新能源补给系统方案，这将是电动汽车时代的“加油站”。 在氢系统集成与氢储能方面，欧阳明高指出，氢能的优势和挑战都在于产业链长，每一个环节都有很多技术，面临多元化的困境。“氢能系统集成技术需要适合中国国情的集中式氢储能发电系统。”他表示，我国合适的氢发电技术路线是锅炉氢掺烧，并逐步提高掺氢比例，“我国可先针对西北部大型能源基地尤其是集中式大型风电光伏基地的调峰煤电厂的灵活性改造，开展锅炉的氢掺烧”。 根据国际长时储能委员会分析，未来可再生能源10%的发电量需要经过长时储能技术实现长周期转移。我国需要1.5万亿千瓦时的长时储能，其中大部分需要氢储能解决。 “国情决定路线，场景定义产品。”欧阳明高指出，新能源发展路线与国情息息相关，科技创新来自绿氢领域的实际场景需求，并将长期支撑能源企业氢能事业的可持续发展。 加强氢能安全风险管控势在必行 “清洁能源制氢是未来的发展趋势，但目前大规模清洁能源制氢多集中在距离城市较远的地区，因此需要安全高效的大规模氢储运方式，氢储运已成为制约氢能产业发展的关键环节。”上海交通大学氢科学中心副主任邹建新指出。 在中集安瑞科氢能业务中心总裁杨葆英看来，针对大规模可再生能源制氢项目，中低压的球罐储氢是目前最容易实现的一种物理储氢的形式，基于大容积高储量的安全储氢要求，中压大容积的球罐是首选。 邹建新认为，固态储氢通过将氢固化在材料中从而获得较高的储氢密度，同时，在储运过程中罐体内的气氢含量又相对较低，因此具有可逆性和安全性好的优势。 中国石化石油化工科学研究院有限公司副院长林伟也表达了类似的看法：“固态储氢具有高储氢体积密度、高安全、放氢压力调控灵活等优势，此外还可与部分制氢和用氢场景耦合。” 相较而言，邹建新更为看好镁基固态储氢。 “镁基固态储氢具有低成本、高容量、高纯度的优势。”邹建新表示，我国镁资源丰富，年产量约占全球的90%左右，材料成本低、无资源限制；镁基材料在常见金属材料中储氢密度最高，体积储氢密度可达110克/升，且可以采用多种方式放氢。在技术方面，镁基储氢合金具有反应相对简单、无副产物且控制性良好的优势。同时作为合金材料，镁基储氢材料易于回收且回收率高，对环境友好，无三害产生。 当然，镁基储氢材料在具备诸多优势的同时，也存在表面易被氧化导致吸放氢速率降低，以及长期循环使用过程中易发生衰减等问题。 对此邹建新表示，通过在镁颗粒表面形成催化位点的方式，可有效改善因表面氧化导致的吸放氢效率降低的问题；通过使用第二相分散的方式和形成多孔块体结构，可有效改善衰减问题。 作为一种具有高热值的二次能源，氢能具有来源广泛、清洁无污染等特点，可广泛应用于交通、能源、冶金、化工等领域，是实现“双碳”目标的理想能源载体。 不容忽视的是，更多应用也为氢能安全风险管控带来新的挑战。例如，在制氢过程中，如何做好各类大规模电解水制氢装置和大规模储氢装置的安全防控；在氢气运输过程中，如何应对高压气瓶运输中氢气装瓶、车辆行驶、氢气卸车全过程的安全风险等。 氢气的安全防控在我国工业生产中并非新鲜命题。中国工程院院士曹湘洪介绍，在石化产业中，氢气作为石油炼制、生产甲醇及合成氨等重要原料被广泛应用；随着我国航天事业的发展，液氢已经成为新一代发动机燃料。2021年，我国氢气产量超过3300万吨，在制氢与用氢中已积累了不少安全管控经验。 “要和管控天然气安全一样管控氢气安全。”曹湘洪解释，氢气的燃烧与爆炸浓度范围远大于天然气。换言之，与天然气相比，氢气泄漏积聚到爆炸浓度下限需要更大的泄漏量或更长的泄漏时间。 谈及管控氢能安全风险的具体方法，曹湘洪总结了16个字：预防为主、本质安全、系统管控、防患未然。 曹湘洪指出，从技术角度来讲，首先要系统开展氢能安全技术研究。形成以国家重点实验室为主体，社会科技力量积极参与的氢能安全技术研究体制，坚持问题导向和发展目标导向，总体规划，加大投入。同时，需修订和完善氢能安全国家标准。 “要建立对氢能系统各种设备、管道管件、阀门、仪器、仪表等进行检测检验的机构。”曹湘洪补充道，建设氢能设施检测检验技术研究院技术要求高，资金投入大，还要有专业素质高的专门人才队伍，建议大型国企主动担当，国家和地方政府对检测检验技术研究院要有支持和扶持政策。 油气公司发展绿氢有先天优势 “绿电、绿氢、人造太阳是新能源的‘三驾马车’，全球已迈入‘氢热时代’。”中国科学院院士、中国石油集团公司新能源首席专家邹才能判断称。 谈及我国氢能发展模式，邹才能认为，早期需结合天然气管网及基础设施优势发展“气氢融合”模式，油气公司发展绿氢有先天优势。“在加快绿氢基础建设方面，要像开发气田一样建设绿氢大基地。地上绿氢大基地和氢能管网的规划建设，对我国绿氢工业的大发展至关重要。” “随着我国《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》的发布，氢能发展迎来战略‘黄金期’，将形成像天然气工业一样的中国‘绿氢工业’体系。”邹才能预计，未来我国绿氢工业的潜力和规模可能远超天然气工业。 如何应对“氢热时代”？邹才能认为需构建“地上生产+地下储存+掺输一体+多途利用”的绿氢工业技术链，加快绿氢工业体系建设，支撑“氢能中国”战略目标。 在此过程中，问题更需正视。“现阶段氢能技术存在四大矛盾，包括技术发展不充分与市场需求多样化之间的矛盾、研发周期长投入大与产业短期收益之间的矛盾、成果转化不通畅与产业发展规模之间的矛盾、攻关力量碎片化与技术创新体系化之间的矛盾。”邹才能坦言，这四大矛盾将影响我国氢能全产业链技术的发展，需要系统解决。 “打造氢能应用现代产业链，构建以链带面、织链成网的产业发展新格局，是一项全新而又复杂的系统工程，既充满机遇，更富有挑战，没有成熟经验可循。”马永生呼吁产业链伙伴更加紧密携起手来，不断探索、积极创新、大胆实践。 记者注意到，当前，在有关部委的指导推动下，国资央企加快布局氢能产业，已有超过40家中央企业布局氢能产业链。 制氢方面，中国石化、国家能源集团、航天科技集团等在化石能源制氢及应用方面优势突出，主导或参与了国内绝大部分的绿氢项目。以中国石化绿氢项目为例：新疆库车2万吨/年绿氢项目正在加快建设；鄂尔多斯3万吨/年绿氢项目已于2023年2月启动建设；乌兰察布一期10万吨/年绿氢项目将启动，所产绿氢通过建设“西氢东送”工程输送至燕山石化，可就近供应京津冀地区氢能交通及工业用氢需要。 储运方面，国家电投、中国建材等在部分车用储氢容器的材料、技术、装备技术研发方面处于示范阶段；中国石化纯氢管道输送技术趋于成熟。 加氢站方面，中国石化累计发展加氢站98座，国内网络占有率超30%，成为全球拥有、运营加氢站数量最多的企业；中国石化、国家能源集团、国机集团均已完成压缩机、加氢机等关键设备研发。同时，东方电气集团、中国一汽、东风公司等已经布局燃料电池商用车装备制造。 国务院国资委副主任赵世堂表示，下一步，国务院国资委将指导推动中央企业加大氢能等战略性新兴产业布局力度，加快氢能产业技术创新体系构建，加强氢能基础设施建设、加大重点领域的应用示范，培育多元氢能应用生态，通过创新驱动、基础支撑、示范引领、需求牵引，支撑构建完整的氢能供应链和产业体系，助力碳达峰碳中和目标实现。 来源： 中国电业与能源
