中國氫能源發(fā)展迎來機遇期——訪中國工程院院士彭蘇萍

　　近日，國家標準委與國家發(fā)展改革委、工信部、生態(tài)環(huán)境部、應急管理部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產業(yè)標準體系建設指南(2023版)》(以下簡稱《指南》)。本刊采訪了中國工程院院士、中國礦業(yè)大學(北京)教授彭蘇萍，他表示，未來10～20年將是我國氫能源與燃料電池產業(yè)發(fā)展的重要機遇期;新產業(yè)的標準化非常重要，《指南》是近期我國氫能產業(yè)標準化的操作手冊，實現(xiàn)“雙碳”目標需要在技術方面進行大膽創(chuàng)新;如何控制好制氫過程中的碳排放、提高清潔能源制氫比例、降低燃料電池成本仍是我們面臨的挑戰(zhàn)。

　　人類發(fā)明了內燃機，但并沒有完全替換掉蒸汽機。我們今天討論氫能，并不是認為氫能可以替代所有能源，而是在探討一個各種能源和各種能源利用方式共存的模式。

　　未來10～20年是機遇期

　　問：六部門聯(lián)合印發(fā)的《指南》，對我國氫能產業(yè)發(fā)展的意義是什么?

　　答：這是國家層面首個氫能全產業(yè)鏈標準體系建設指南。我之前一直在呼吁建立健全產業(yè)政策、安全監(jiān)管及技術標準體系。《指南》提出，到2025年，支撐氫能制、儲、輸、用全鏈條發(fā)展的標準體系基本建立，制修訂30項以上氫能國家標準和行業(yè)標準。《指南》具體明確了近三年國內國際氫能標準化工作重點任務，部署了核心標準研制行動和國際標準化提升行動等“兩大行動”，稱得上是近期我國氫能產業(yè)標準化的操作手冊。

　　新產業(yè)的標準化非常重要。最近，工信部等四部門印發(fā)了《新產業(yè)標準化領航工程實施方案(2023-2035)》，所提出的“ 8+9新產業(yè)”就包括氫能產業(yè)，涉及新能源、新材料、新能源汽車、民用航空、船舶與海洋工程裝備、新型儲能等內容，對于指導產業(yè)長期發(fā)展具有基礎性、引領性意義。

　　問：對于利用氫能加快能源轉型，全球主要國家都有哪些新動向?

　　答：當前全球主要發(fā)達國家高度重視氫能產業(yè)的發(fā)展，都希望能源利用方式從以前的礦藏資源消耗型向天然資源再生型轉變，能實現(xiàn)低碳化——在做大可再生能源規(guī)模的同時，降低化石能源的利用規(guī)模。

　　迄今為止，全世界有大約80個國家和地區(qū)提出了重視氫能的發(fā)展規(guī)劃。日本希望能從以前進口煤、進口油氣向進口氫轉變。澳大利亞是能源出口國，以前主要出口煤炭，而現(xiàn)在的氫能發(fā)展規(guī)劃主要聚焦于氫氣出口。歐洲處于工業(yè)化后時期，目前發(fā)展氫能主要是為了工業(yè)脫碳。美國今年6月發(fā)布《美國國家清潔氫能戰(zhàn)略及路線圖》，鼓勵清潔氫能技術研發(fā)創(chuàng)新，更加重視清潔氫能技術產業(yè)化。我國基于煤在一次能源結構中占比的現(xiàn)實，發(fā)展氫能主要是為了優(yōu)化能源結構、改善能源品質。

　　問：氫能會是顛覆性和替代性的能源嗎?

　　答：人類的能源利用方式主要經歷了生物質能源(薪柴)、煤炭、油氣、新能源幾個階段。人類發(fā)明了內燃機，但并沒有完全替換掉蒸汽機。我們今天討論氫能，并不是認為氫可以替代所有能源，而是在探討一個各種能源和各種能源利用方式共存的模式。

　　燃料電池發(fā)電是氫能的重要利用方式，是一種電化學反應，通過電荷轉移，將化學能轉化為電能。而油氣內燃機、煤炭蒸汽機是一種動力機械，主要發(fā)生物理變化，通過直接燃燒燃料產生能量。

　　以前我們認為氫主要是一種能源，后來我們發(fā)現(xiàn)用氫來消納可再生能源是一種非常有用的儲能方式。因此，氫就有了能源生產和儲存兩方面的屬性，在今后的能源技術發(fā)展中占有一席之地。

　　讓氫能更綠色更經濟

　　問：基于我國的能源結構，該如何利用氫能促進能源轉型?

　　答：我國具有豐富的氫能資源，煤制氫技術也趨于成熟。但如何控制好制氫過程中的碳排放、提高清潔能源制氫比例、降低燃料電池成本仍是我們面臨的挑戰(zhàn)，支撐氫能發(fā)展的核心技術和關鍵材料難關還需要進一步攻克。

　　對一個以煤為主要能源的國家來說，二氧化碳排放是需要破掉的“緊箍咒”。未來10～20年將是我國氫能源與燃料電池產業(yè)發(fā)展的重要機遇期，要緊密聯(lián)系我國能源發(fā)展實際，從政策、技術、資金、國際合作等方面積極謀劃，把握機遇，提前準備，助力氫能產業(yè)高質量發(fā)展。

　　問：從全球來看，氫的來源和應用有哪些可行的途徑?對于綠氫的發(fā)展您有什么看法?

　　答：2020年全世界純氫產量嚴格統(tǒng)計是7500萬噸，若稍微放開一些指標，則超過1億噸。我國是世界上最大的制氫國家，氫氣主要用于化工精煉和合成氨等領域。2022年我國的氫氣產能超過4500萬噸，產量超過3350萬噸。

　　雖然未來要發(fā)展可再生能源制備綠氫，但在當前的發(fā)展階段，穩(wěn)定、可靠、便宜的氫還不能放棄。從世界范圍看，北美、歐洲的氫氣，主要是通過天然氣制造。以高溫固體氧化物電解池制氫為例，美國Bloom Energy公司研制出了130千瓦的制氫示范裝置，德國Sunfire公司推出了2.6兆瓦的示范系統(tǒng)，丹麥托普索公司的產能達到500兆瓦。我國目前主要是煤制氫，在發(fā)展氫能源的過程中，需要關注如何把二氧化碳的排放控制好。

　　問：目前氫燃料電池有哪些新的發(fā)展方向?

　　答：氫能利用主要是靠燃料電池轉化，現(xiàn)在主流的燃料電池技術主要有兩種：一是質子膜燃料電池，二是固體氧化物燃料電池。

　　質子膜燃料電池工作溫度比較低(90攝氏度左右)、啟動比較快，在交通領域應用得比較廣。固體氧化物燃料電池的工作溫度為600～800攝氏度，主要應用在分布式發(fā)電等領域。固體氧化物電解槽制氫具有高溫運行、效率比較高、耗電量比較小的特點，比常規(guī)質子膜及堿性電解槽省電1/5到1/3，還可以通過高溫共解轉化二氧化碳。固體氧化物燃料電池技術受到了歐美各國的關注，因為它對原料的要求不高，不像質子膜技術那樣需要高純度的氫，而且天然氣、液化氣也可以作為原料。

　　中國氫能發(fā)展不但僅僅限于制氫，將來可能更依賴于能源轉化為電的裝置——燃料電池技術的發(fā)展與提升。中國礦業(yè)大學(北京)從“十二五”開始研究固體氧化物燃料電池，去年初步研發(fā)成功的二氧化碳近零排放的煤氣化發(fā)電技術通過了科技部的驗收。該技術主要采用固體氧化物燃料電池發(fā)電和固體氧化物電解槽制氫，實現(xiàn)了1兆瓦供熱、500千瓦供電的熱電聯(lián)產，一次發(fā)電效率達到53%，還成功把二氧化碳轉化為化工產品，所以我們將聚焦于這個方向繼續(xù)努力。

　　產業(yè)發(fā)展須突破“卡脖子”環(huán)節(jié)

　　問：從產業(yè)鏈角度來看，儲氫和供氫環(huán)節(jié)有哪些創(chuàng)新思路?

　　答：目前主要是利用壓縮氫氣的供氫方式，液氫成本比較高，主要運用于航天系統(tǒng)，要在民用系統(tǒng)上應用還需要一段時間。

　　氫能不利于存儲、液化成本高等問題影響了氫能遠距離輸送。2016年，美國、日本和澳大利亞等國家提出了“氫2.0規(guī)劃”，把制氫和應用方式向“氨為載體”轉化，比如中東地區(qū)的石油大國提出的“綠色甲醇”計劃。

　　綠氨作為綠氫的載體，在國內也得到了支持。例如福州已經成立國內首家氨氫能源重大產業(yè)創(chuàng)新平臺，寧夏也成立了氨氫產業(yè)聯(lián)盟，山東、遼寧和山西的一些企業(yè)也在進行研究。

　　問：在儲運方面，管道輸氫與天然氣摻氫有哪些突破?

　　答：氫能儲運基礎設施發(fā)展薄弱是我國氫能產業(yè)發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。當前，氫能儲運成本占到“制儲輸用”全產業(yè)鏈總成本的30%～40%。

　　按照氫能輸送狀態(tài)的不同，運輸方式可分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三類;氣態(tài)氫輸送以長管拖車、純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送為主;液態(tài)氫輸送以液氫罐車、專用液氫駁船、液氫管道為主。一般認為，長管拖車在運輸距離小于200千米時具有成本優(yōu)勢;液氫遠距離輸送優(yōu)勢明顯，但在現(xiàn)有技術條件下液化系統(tǒng)能耗高且初始投資大。相較而言，純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送都能夠實現(xiàn)氫能的遠距離、大規(guī)模、低能耗運輸。

　　我國的純氫管道規(guī)劃與建設剛剛起步。今年4月，中國石化宣布，全長400多千米的“西氫東送”輸氫管道示范工程已被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》，這標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新的發(fā)展階段。6月25日，國家管網集團完成了我國首次高壓力純氫管道試驗——6.3兆帕管道充氫測試和9.45兆帕管道爆破測試取得成功。

　　以摻氫天然氣的形式開展氫能儲運與利用，將是快速突破氫能產業(yè)規(guī)模化發(fā)展瓶頸的主要方式。目前我國天然氣管網總里程約為11萬千米，“全國一張網”已基本建成，2025年總里程將達到16.3萬千米，這為發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)提供了堅實的基礎條件。研究認為，按20%的比例摻氫，2030年天然氣摻氫全產業(yè)鏈產值可達1800億元/年。

　　問：我國氫能源與燃料電池發(fā)展存在哪些亟待解決的問題?

　　答：我國具有豐富的氫資源，已經掌握了煤制氫技術，世界汽車市場第一大國的規(guī)模，也為氫能發(fā)展提供了廣闊的平臺。目前還需要進一步攻克很多關鍵的零部件和卡脖子的技術，例如質子膜燃料電池的成本問題，固體氧化物燃料電池的規(guī)模化問題。我們在應用場景、系統(tǒng)研究方面還有所欠缺，產業(yè)政策還需要和區(qū)域經濟發(fā)展更緊密結合。

　　我國對燃料電池的規(guī)劃是，質子交換膜技術的燃料電池，到2050年壽命超過4萬小時、成本低于300元/千瓦、工作溫度提高到130攝氏度(可以用純度為90%的氫作為原料供應，現(xiàn)在主流技術要求純度為99.99%甚者99.999%的氫);固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解槽的系統(tǒng)成本，到2050年達到1000元/千瓦，壽命達到10萬個小時。這樣的話，可以為替代現(xiàn)在的燃煤電廠技術做好準備。

　　問：對氫能源與燃料電池發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，您有何建議?

　　答：今后20年，國家需要進一步制定引領戰(zhàn)略，優(yōu)化相關政策，在技術開發(fā)以及自主可控方向做好工作。在2025年以前，重點依靠政策引導和局部示范，比如，燃料電池示范區(qū)和“氫進萬家”計劃，從國家層面支持氫能發(fā)展;到2035年，實現(xiàn)以市場驅動為主的氫發(fā)展的商業(yè)模式，希望氫能源產業(yè)鏈能夠為國家的“雙碳”目標、高質量發(fā)展作出貢獻。

　　要做好這些工作，首先要加強頂層設計，比如去年公布的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》。其次，建立健全產業(yè)政策、安全監(jiān)督及技術標準體系。基于安全性考慮，希望將氫從危險化學品管理轉向類似油品的管理機制。再次，加大對氫能基礎設施全產業(yè)鏈的補貼政策及金融支持，吸引金融資本有序引入國有資本，為規(guī)模化發(fā)展氫產業(yè)鏈提供有力保障。最后，要建立長效機制，推動氫能基礎設施關鍵技術攻關與核心裝備自主化。

作者：王偉