中國氫能源發(fā)展迎來機(jī)遇期——訪中國工程院院士彭蘇萍

　　近日，國家標(biāo)準(zhǔn)委與國家發(fā)展改革委、工信部、生態(tài)環(huán)境部、應(yīng)急管理部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2023版)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)。本刊采訪了中國工程院院士、中國礦業(yè)大學(xué)(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(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期;新產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化非常重要，《指南》是近期我國氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的操作手冊(cè)，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)需要在技術(shù)方面進(jìn)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(nèi)燃機(jī)，但并沒有完全替換掉蒸汽機(jī)。我們今天討論氫能，并不是認(rèn)為氫能可以替代所有能源，而是在探討一個(gè)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(jī)遇期

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

　　答：這是國家層面首個(gè)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南。我之前一直在呼吁建立健全產(chǎn)業(yè)政策、安全監(jiān)管及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。《指南》提出，到2025年，支撐氫能制、儲(chǔ)、輸、用全鏈條發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系基本建立，制修訂30項(xiàng)以上氫能國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。《指南》具體明確了近三年國內(nèi)國際氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作重點(diǎn)任務(wù)，部署了核心標(biāo)準(zhǔn)研制行動(dòng)和國際標(biāo)準(zhǔn)化提升行動(dòng)等“兩大行動(dòng)”，稱得上是近期我國氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的操作手冊(cè)。

　　新產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化非常重要。最近，工信部等四部門印發(fā)了《新產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)航工程實(shí)施方案(2023-2035)》，所提出的“ 8+9新產(chǎn)業(yè)”就包括氫能產(chǎn)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(chǔ)能等內(nèi)容，對(duì)于指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展具有基礎(chǔ)性、引領(lǐng)性意義。

　　問：對(duì)于利用氫能加快能源轉(zhuǎn)型，全球主要國家都有哪些新動(dòng)向?

　　答：當(dāng)前全球主要發(fā)達(dá)國家高度重視氫能產(chǎn)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(zhuǎn)變，能實(shí)現(xiàn)低碳化——在做大可再生能源規(guī)模的同時(shí)，降低化石能源的利用規(guī)模。

　　迄今為止，全世界有大約80個(gè)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(jìn)口煤、進(jìn)口油氣向進(jìn)口氫轉(zhuǎn)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(shí)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(lì)清潔氫能技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，更加重視清潔氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。我國基于煤在一次能源結(jié)構(gòu)中占比的現(xiàn)實(shí)，發(fā)展氫能主要是為了優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善能源品質(zhì)。

　　問：氫能會(huì)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(jīng)歷了生物質(zhì)能源(薪柴)、煤炭、油氣、新能源幾個(gè)階段。人類發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)，但并沒有完全替換掉蒸汽機(jī)。我們今天討論氫能，并不是認(rèn)為氫可以替代所有能源，而是在探討一個(gè)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(xué)反應(yīng)，通過電荷轉(zhuǎn)移，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。而油氣內(nèi)燃機(jī)、煤炭蒸汽機(jī)是一種動(dòng)力機(jī)械，主要發(fā)生物理變化，通過直接燃燒燃料產(chǎn)生能量。

　　以前我們認(rèn)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(chǔ)能方式。因此，氫就有了能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存兩方面的屬性，在今后的能源技術(shù)發(fā)展中占有一席之地。

　　讓氫能更綠色更經(jīng)濟(jì)

　　問：基于我國的能源結(jié)構(gòu)，該如何利用氫能促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型?

　　答：我國具有豐富的氫能資源，煤制氫技術(shù)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(shù)和關(guān)鍵材料難關(guān)還需要進(jìn)一步攻克。

　　對(duì)一個(gè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期，要緊密聯(lián)系我國能源發(fā)展實(shí)際，從政策、技術(shù)、資金、國際合作等方面積極謀劃，把握機(jī)遇，提前準(zhǔn)備，助力氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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

　　答：2020年全世界純氫產(chǎn)量嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)是7500萬噸，若稍微放開一些指標(biāo)，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(lǐng)域。2022年我國的氫氣產(chǎn)能超過4500萬噸，產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)能達(dá)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(guān)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(zhuǎn)化，現(xiàn)在主流的燃料電池技術(shù)主要有兩種：一是質(zhì)子膜燃料電池，二是固體氧化物燃料電池。

　　質(zhì)子膜燃料電池工作溫度比較低(90攝氏度左右)、啟動(dòng)比較快，在交通領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用在分布式發(fā)電等領(lǐng)域。固體氧化物電解槽制氫具有高溫運(yùn)行、效率比較高、耗電量比較小的特點(diǎn)，比常規(guī)質(zhì)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(zhuǎn)化二氧化碳。固體氧化物燃料電池技術(shù)受到了歐美各國的關(guān)注，因?yàn)樗鼘?duì)原料的要求不高，不像質(zhì)子膜技術(shù)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(zhuǎn)化為電的裝置——燃料電池技術(shù)的發(fā)展與提升。中國礦業(yè)大學(xué)(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(shù)通過了科技部的驗(yàn)收。該技術(shù)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(shí)現(xiàn)了1兆瓦供熱、500千瓦供電的熱電聯(lián)產(chǎn)，一次發(fā)電效率達(dá)到53%，還成功把二氧化碳轉(zhuǎn)化為化工產(chǎn)品，所以我們將聚焦于這個(gè)方向繼續(xù)努力。

　　產(chǎn)業(yè)發(fā)展須突破“卡脖子”環(huán)節(jié)

　　問：從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，儲(chǔ)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(yùn)用于航天系統(tǒng)，要在民用系統(tǒng)上應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

　　氫能不利于存儲(chǔ)、液化成本高等問題影響了氫能遠(yuǎn)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(yīng)用方式向“氨為載體”轉(zhuǎn)化，比如中東地區(qū)的石油大國提出的“綠色甲醇”計(jì)劃。

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

　　問：在儲(chǔ)運(yùn)方面，管道輸氫與天然氣摻氫有哪些突破?

　　答：氫能儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展薄弱是我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。當(dāng)前，氫能儲(chǔ)運(yùn)成本占到“制儲(chǔ)輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈總成本的30%～40%。

　　按照氫能輸送狀態(tài)的不同，運(yùn)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(zhǎng)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(rèn)為，長(zhǎng)管拖車在運(yùn)輸距離小于200千米時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì);液氫遠(yuǎn)距離輸送優(yōu)勢(shì)明顯，但在現(xiàn)有技術(shù)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?qū)崿F(xiàn)氫能的遠(yuǎn)距離、大規(guī)模、低能耗運(yùn)輸。

　　我國的純氫管道規(guī)劃與建設(shè)剛剛起步。今年4月，中國石化宣布，全長(zhǎng)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(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，這標(biāo)志著我國氫氣長(zhǎng)距離輸送管道進(jìn)入新的發(fā)展階段。6月25日，國家管網(wǎng)集團(tuán)完成了我國首次高壓力純氫管道試驗(yàn)——6.3兆帕管道充氫測(cè)試和9.45兆帕管道爆破測(cè)試取得成功。

　　以摻氫天然氣的形式開展氫能儲(chǔ)運(yùn)與利用，將是快速突破氫能產(chǎn)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(wǎng)總里程約為11萬千米，“全國一張網(wǎng)”已基本建成，2025年總里程將達(dá)到16.3萬千米，這為發(fā)展天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。研究認(rèn)為，按20%的比例摻氫，2030年天然氣摻氫全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值可達(dá)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(jīng)掌握了煤制氫技術(shù)，世界汽車市場(chǎng)第一大國的規(guī)模，也為氫能發(fā)展提供了廣闊的平臺(tái)。目前還需要進(jìn)一步攻克很多關(guān)鍵的零部件和卡脖子的技術(shù)，例如質(zhì)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?cè)趹?yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)研究方面還有所欠缺，產(chǎn)業(yè)政策還需要和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展更緊密結(jié)合。

　　我國對(duì)燃料電池的規(guī)劃是，質(zhì)子交換膜技術(shù)的燃料電池，到2050年壽命超過4萬小時(shí)、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(yīng)，現(xiàn)在主流技術(shù)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(dá)到1000元/千瓦，壽命達(dá)到10萬個(gè)小時(shí)。這樣的話，可以為替代現(xiàn)在的燃煤電廠技術(shù)做好準(zhǔn)備。

　　問：對(duì)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(jìn)一步制定引領(lǐng)戰(zhàn)略，優(yōu)化相關(guān)政策，在技術(shù)開發(fā)以及自主可控方向做好工作。在2025年以前，重點(diǎn)依靠政策引導(dǎo)和局部示范，比如，燃料電池示范區(qū)和“氫進(jìn)萬家”計(jì)劃，從國家層面支持氫能發(fā)展;到2035年，實(shí)現(xiàn)以市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)為主的氫發(fā)展的商業(yè)模式，希望氫能源產(chǎn)業(yè)鏈能夠?yàn)閲业?ldquo;雙碳”目標(biāo)、高質(zhì)量發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

　　要做好這些工作，首先要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，比如去年公布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》。其次，建立健全產(chǎn)業(yè)政策、安全監(jiān)督及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。基于安全性考慮，希望將氫從危險(xiǎn)化學(xué)品管理轉(zhuǎn)向類似油品的管理機(jī)制。再次，加大對(duì)氫能基礎(chǔ)設(shè)施全產(chǎn)業(yè)鏈的補(bǔ)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(chǎn)業(yè)鏈提供有力保障。最后，要建立長(zhǎng)效機(jī)制，推動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與核心裝備自主化。

作者：王偉