陳學東院士：預計2050年氫能在我國終端能源消費體系占比約10%

　　11月22日，由《財經》雜志、財經網、《財經智庫》聯合主辦的“《財經》年會2024：預測與戰略”在北京舉行。中國工程院院士、國家產業基礎專家委員會主任委員、中國科學技術協會副主席、國機集團副總經理、總工程師陳學東在會上表示，發展氫能機遇與挑戰并存，必須兼顧技術經濟性和對碳減排的貢獻。“在現有的設計制造維護條件下純氫儲運裝備的安全是可以保證的，關鍵是怎么進一步降低成本，提升經濟性。”

中國工程院院士陳學東

　　陳學東指出，電與氫都是二次能源，電能輸送方便但不易儲存、氫能儲存方便但輸送成本高。氫能是未來能源體系重要組成部分，將推動構建氫-電互補的現代能源供應體系，氫和電互補是國際上的發展趨勢。保守估計，到2050年氫能在我國終端能源消費體系占比約10%、到2060年占比約15%，氫能產業未來可期。發展氫能機遇與挑戰并存。在現有設計制造與維護技術條件下，純氫儲能裝備的服役安全是可以保障的，關鍵是在于進一步降低成本、提升技術經濟性。

　　以下為部分發言實錄：

　　陳學東：尊敬的各位企業家，各位專家，各位同行，大家下午好。很高興參加《財經》論壇。剛才各位專家講的是高屋建瓴的宏觀產業政策和突圍、挑戰，我講的是具體的氫能儲運裝備的技術進展。隨著新能源的日新月異，現在大家很重視氫能源，對氫能源有不少的困惑：氫能到底安全不安全?氫能的價格能不能降下來?氫能到底扮演什么角色?我結合PPT給大家說一說。

　　第一部分，為了應對能源危機和全球氣候變暖，全世界都在探索控制碳排放，尋求能源清潔低碳轉型。我們國家習近平總書記也很重視，總書記提出“綠水青山就是金山銀山”。二十大報告中，專門談到了能源轉型，談到了減污，談到了生物多樣性和積極穩妥實現碳達峰碳中和目標。能源利用的減污降碳工作也是我們國家的重大戰略之一。

　　氫能是實現碳達峰、碳中和的重要解決方案，是戰略新興產業和未來產業。為什么呢?因為氫不管是通過內燃機做功，還是在燃料電池工作中，它跟氧氣反應只生成水，沒有二氧化碳，是碳達峰、碳減排的重要工具。但氫不是一次能源，是二次能源，產生氫氣的過程中如果減碳工作做的不好，后面氫雖然沒有最終的碳排放，但產生氫的過程中如果碳排放量很大也是不能達到減碳目的的。

　　全世界把氫能作為未來的減碳產業。美國、日韓、歐盟早在上世紀初便開始布局氫能產業，他們的氫能乘用車、商用車已經在本世紀初商業化，前提就是燃料電池技術取得了突破。現在美國和日本這些發達國家建立了很多這樣的路線圖，大致上是2028年左右把氫用到輪船上，2035年用在飛機上，現在波音和空客都在做以氫為燃料的發動機。

　　最近幾年，氫能在中國也很熱，在政策驅動和各界共同努力下我們國家氫能產業發展很快。在長三角、粵港澳和環渤海等區域已經形成產業集群，燃料電池商用車已經開始進行示范應用和推廣，在叉車、卡車、客車領域有應用。近幾年，我們正準備在內河船舶、調峰和應急電源、氫煉鋼、氫冶金、煉化等等方面更廣泛地應用。2020年以來，國務院辦公廳、國家發改委、國家標準委等多部門關于氫能產業發了很多重要文件，要求形成多元的應用生態，開展氫能應用方面的基礎研究以實現核心技術攻關，支撐產業平臺。

　　氫能產業鏈包括制氫、儲存、運輸、加注和終端利用各個環節。制氫過程一般是兩個途徑，一是化石能源直接制氫，還有通過電解水制氫，兩個過程本身技術上都沒有什么難度，還是比較成熟的。而中下游的儲氫、運氫、用氫過程中還有很多問題沒有解決。關鍵在于中間儲運環節和用氫環節是否能確保氫的安全和經濟性。

　　低碳、廉價、高純氫是發展氫能和燃料電池汽車產業的前提。我這里列了一些指標，現在全球氫氣產業量是9813萬噸，跟碳捕集利用與封存技術相關的制氫還是比較多的，中國目前還是以化石能源制氫(煤制氫)為主，我們真正用可再生能源產生的電制氫——稱之為“綠氫”，占1%左右，氫能對碳減排的作用有待進一步加強。

　　在儲運領域，氫能的安全、高效儲運是產業規模化發展的關鍵。目前常溫高壓氣態氫是氫儲運的主流技術路線，此外還有深冷常壓或低壓液態氫、深冷-高壓超臨界氫及帶壓固態儲氫等路線，這幾種方式在并行推進。不同儲運方式所用的壓力容器、氣瓶、管道、壓縮機、泵、閥門等機械裝備統稱氫能儲運裝備。這些裝備與氫氣儲運的安全性和經濟性有很大關系。

　　這里列了不同壓力容器結構型式，還有充裝氫氣的氣瓶，其中氣瓶分成4類，I型氣瓶就是全金屬做的，II型是金屬內膽纖維環纏繞，III型是金屬內膽纖維全纏繞，IV型是塑料內膽纖維全纏繞，同樣儲氫容量條件下IV型瓶最輕。不管用何種儲運方式，氫氣儲運裝備一旦失效有可能引起泄漏甚至爆炸，這里列舉了美國、挪威、韓國、奧地利、包括中國的儲氫裝置發生火災和爆炸的情況。但是氫氣的特點是在開放環境中不易爆炸，只有在密閉空間中泄漏達到爆炸極限并且遇上氧氣或者空氣，才有可能爆炸。因此在密閉空間內需要裝上氫泄漏監測裝置，不斷排除泄漏的氫氣就沒有問題。

　　加氫站，是氫能及燃料電池汽車推廣應用的重要基礎設施。截至2023年6月，全球建成1089座加氫站，其中30%為液氫站，高壓加氫站以70兆帕為主;我們國家加氫站有358座，是以35兆帕為主，現在70兆帕的只有28座，液氫示范站只有1座，跟國外還是有差距的，不過這幾年增長情況很好。其實加氫站很簡單，不管氣氫來源還是液氫來源，到加氫站以后通過壓縮機增壓，往儲氫容器加注，45兆帕往35兆帕容器加注，如果70兆帕儲氫容器要90兆帕壓力加注。用氫過程中，我們的應用場景將來在交通、儲能、工業、建筑多元化領域都在推進。首先是在交通工具的應用，目前全球氫能源汽車7.9萬輛，我們國家有1.4萬輛，主要是客車、卡車和叉車，小型乘用車沒有普及，正在試驗驗證過程當中。國內外正在開展大功率氫燃料電池和氫內燃機技術，用氫氣直接驅動鐵路的機車、輪船和飛機的應用，這是未來可期的。

　　氫能在儲能和發電領域也會有很重要的作用，因為即使是可再生能源，發電以后不用馬上就浪費了，一定要儲存起來。現在儲能的方式很多，有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電化學儲能，但是氫氣是重要的儲能方式，氫氣的儲能效率還是比較高的。因為電和氫都是二次能源，電是易于輸送不易儲存，氫是易于儲存不易輸送。我們建議氫電互補，中國在西北地區建立了很多光伏發電+氫儲能的示范項目，光伏發電、電解水并儲存氫氣，用于可再生能源的消納和電網調峰，在氫能冶金和煉化方面進行示范應用，黃慶學院士團隊正在研究將來煉鋼和煉鐵都用氫還原，國外也有這樣的技術在應用了。

　　剛才有專家也講了氫作為燃料在城市建筑、供電、供氣的應用，直接將氫氣作為燃料，如果氫氣來源是綠色的就沒有碳排放，這方面工作在燃料電池冷熱聯供也發揮了重要作用。這里講的用途，氫能到底能不能很經濟、高效、安全地推廣應用?氫能儲運裝備至關重要。

　　下面把氫能儲運裝備國內外情況報告一下。第一，氫能裝備既然有危險性，就要了解失效模式和損傷機理，這個我們是掌握的。氫在高溫高壓、常溫低壓、常溫高壓下都有不同的失效模式。金屬材料在氫的環境下有可能引起材料脆化，導致韌性降低發生破壞。在常溫中低壓下氫氣分子很難變成氫原子，只有原子氫才能進入金屬內部，常溫下氫脆問題不是很明顯，但是交變載荷下疲勞問題是存在的。我們在供儲氫裝備上使用了很多非金屬材料，比如塑料內膽和橡膠密封圈，如果在高壓氫環境下長期使用，塑料內膽可能會產生氫滲透、氫老化問題，橡膠密封圈可能會產生吸氫膨脹、開裂問題，只是35兆帕以上這個風險較大。也有可能因為老化等原因，碳纖維與樹脂基體出現分層的現象。塑料內膽剛度不足，有可能出現屈曲變形的情況。這些情況都已經基本掌握了，已經采取了有效措施加以避免，大家不用過分擔心。

　　第二講一下高壓氣氫儲運裝備在設計制造中有什么問題。加氫站有很多儲氫容器，美國、歐洲、中國國內都做了一大批這樣的金屬壓力容器和非金屬壓力容器，一般不超過100兆帕，因為超過100兆帕叫做超高壓容器，標準規范不一樣，成本更高。氫氣容量跟壓力和體積有關，現在做到99兆帕一般一立方米左右，50兆帕是七八立方米。我們團隊在實驗室里面做試驗用容器，我們做到140兆帕1.35立方米。這方面有很多企業在中國實現了國產化，沒有技術難題，就是經濟性比較。還有復合材料容器，國外做到103.5兆帕的IV型瓶組，國內也做出了87.5兆帕III型瓶組并示范應用。國內儲氫壓力容器本身沒有什么大的技術難題，就是經濟性比較的問題。

　　氫氣加注需要壓縮機。氫氣壓縮機一般有三種型式：隔膜式、液驅式、離子液體式。國內45兆帕以下隔膜式壓縮機沒有太大問題，但90兆帕以上的壓縮機正在研制過程中，正在進行可靠性驗證。

　　氫使用過程中需要管件和閥門，35兆帕以下國內可以做出來，70兆帕還不行。

　　氫氣道路運輸需要長管拖車或者管束集裝箱。歐美的壓力是50兆帕，一車可以裝一噸重的氫氣，采用塑料內膽碳纖維纏繞氣瓶，單瓶儲氫密度達到5.1wt%。我們國家只有純金屬或者金屬內膽碳纖維纏繞氣瓶，我們最多只能做到20兆帕，一車最多裝0.6噸，單瓶儲氫密度是2.3wt%。我們團隊最近已經研制出了大容量塑料內膽，但是整個長管拖車的產品還在試制過程中，預計明年年底投放市場，也是到52兆帕，總儲量1噸左右。

　　管道輸氫有兩種方式，一種純氫，一種是天然氣管道摻氫。中石化、中石油都有類似的石化純氫管道。中石化從內蒙古到北京的燕山擬建設一條400公里的純氫輸送管道，壓力不超過10兆帕，溫度是常溫，不構成氫脆的問題。摻氫的管道，往天然氣加15%到30%的氫氣，相當于碳減排，在終端如把氫分離出來用于燃料電池，還是要耗能的。天然氣摻15%~30%的氫安全性沒有問題，還是經濟性的問題。因為氫氣熱值3000大卡/立方，天然氣熱值12000大卡/立方，從單位時間輸送熱值看，經濟上不合算。但是假如在一些煉油廠或煤化工廠，有多余的氫氣本來想往大氣排放的，這部分的氫氣搜集起來，加入到天然氣管網中是合算的。

　　氫氣放到車上使用得有氣瓶承載。國內有小型的儲氫氣瓶，像油箱一樣。我國過去一般是35兆帕III型瓶，近來也研發出了70兆帕III型瓶，現在要做70兆帕的IV型瓶。國外是70兆帕的IV型瓶，儲氫密度在7.7wt%，配備70兆帕的瓶口閥。我們與中材科技正在研發70兆帕的IV型瓶，樣機已經做出來了，各項試驗符合要求，應該今年年底就可以投放市場。

　　氫能源使用的氣瓶等零部件都是要經過500次的實際工況氫氣循環試驗，現在中國建立了這樣的試驗裝置，140兆帕，可以完全滿足聯合國GTR13的測試要求，日本豐田和法國彼歐在中國國內的產品也委托我們做試驗。

　　氫燃料電池電堆運行需要一定壓力的空氣。目前空氣壓縮機3到4個大氣壓完全可以做，但是我們比國外產品噪聲大，我們現在在降低空壓機的噪聲方面取得顯著成效。電堆出口未反應氫氣回收用的氫氣循環泵目前不能做，依賴于進口，這個研制工作正在進行中。

　　液氫過去主要用于航天領域，沒有商業化。液氫最大的問題是大規模低能耗氫液化工藝，降低能耗是十分重要的。美國現在可以做到的氫液化工藝是每天10到18噸，我們只能做到每天2.5噸。大規模的氫液化工藝、包括膨脹機和冷箱等裝備對于我們還是有難度，沒有完全解決。中科富海和國富氫能正在研發8.5噸/天氫液化裝置，也希望有所突破。

　　儲存液氫的儲罐，類似水瓶膽雙層結構，有內桶和外桶，中間抽真空，里面是負253度液氫，外面是常溫，一旦絕熱失效就會很危險。美國做到了3500、4700立方米的儲罐。我們以往負163度LNG裝備研發是比較成功的，包括大容量LNG儲罐、LNG罐車。國富氫能在做200立方米的民用液氫儲罐，中國還做了36立方米的液氫槽罐車，大容積液氫儲罐的真空絕熱設計與支撐結構設計，有一定的難度。

　　液氫行業有很多泵、閥、汽化器，這些東西對我們來說難度很大。基本上，在液氫環境下使用的泵和閥、包括電機現在仍然依賴于進口。未來五年重點研究液氫的泵閥，國內有些航天部門自己研制出來了，但是非常臃腫，要預冷。此外，有些樣機未來還要做一些驗證工作。

　　還有車載液氫儲存裝置，相當于小型的液氫罐放在車上，用的比較多。因為小型水瓶膽結構杜瓦瓶較成熟，但用在車上的話，可靠性要驗證，技術本身沒有太大難題。

　　第四，深冷-高壓超臨界儲氫設備。剛才講的雙層真空的辦法一般保冷一周左右，我們從新疆拉到廣州保不了冷怎么辦?國外提出了超臨界儲氫，把氫氣冷卻到負210度到負240度，加了20兆帕左右的壓力，兼具氣體和液體的某些性質，保冷效果很好，可以保六至七周，甚至十周沒有問題。這個技術美國已經在示范應用了，我們國家還沒有這個產品，但是已經開始做預研了。

　　還有帶壓固態儲氫裝備的設計制造。鎂合金、鋯系合金、鈦鐵合金等，北京有研院，華南理工大學在做這些工作。有研院已經做了示范性的可再生能源發電儲能系統、備用電源系統。在廣東和遼寧也有5兆帕的固態儲氫大巴車在示范應用。目前總體儲氫的合金研究不少，但真正把儲氫的合金做成可以供氫的裝備產品還在探索當中。重慶大學的潘院士、上海交大的丁院士主張鎂基儲氫合金。合肥通用院正在研究釩基、鈦鐵系儲氫合金。帶壓固態儲氫裝備主要用于對重量不敏感或本身需要配重的場合。將來在輪船上，在叉車需要配重的場合可以用的產品，國內很多單位在研究。

　　與發達國家相比，我們還有很多問題需要解決。我們總體技術路線圖是希望到2025年將高壓氣態儲運氫技術問題解決，實現自主可控;到2030年前解決液氫儲運技術難題。

　　金屬材料的常溫高壓氫脆問題，我認為可能被高估了。只有原子氫才能進入金屬材料內部，但是分子氫轉化為原子氫是需要一定條件的。國內外研究和實踐表明，200度以下、35兆帕以下氫環境不易導致金屬氫脆，室溫基本無影響。因此大可不必“談氫色變”。

　　氫能的機遇和挑戰共存。煤制氫是很便宜的，一般五毛錢到八毛錢每立方米;光伏、風電電解水制氫有可能五毛每立方米，有可能三塊五每立方米。如果用棄電電解水制氫，也就是五毛錢每立方米左右。特高壓輸電成本才0.985元每吉焦每百公里，高壓天然氣輸送成本是0.64元每吉焦每百公里，而輸氫成本高于20多塊錢每吉焦每百公里，顯然儲運環節對氫的價格影響很大。電的路線和氫的路線是互補的，解決可再生能源發電并網輸送的問題，將電并網、輸送到需要用氫的場合就地電解水，降成本最好的。假如可再生能源并網技術解決不了，怎么辦?就要輸送氫，目前管道輸氫成本高。反過來化石能源制氫雖然便宜，但是對碳中和、碳減排沒有太大用處。而綠電支撐的氫雖然對碳中和、碳達峰有好處，但是成本太高，經濟性不降下來老百姓是不會用的。所以氫能叫得熱，但是用的不多，現在只有在上海、山東、佛山等地示范應用的比較多。將來液氫技術發展以后，卡車和輪船可以用。目前氫能是在炒一些概念，真正到老百姓接受的價格還有距離。

　　氫和電互補是國際上的趨勢。電是容易輸送，不容易儲存，氫正好相反，兩個結合在一起構成氫電互補體系。將來至少可再生能源發完電以后，用不掉的先變成氫氣儲存起來沒有問題。現在儲能方式很多，但我覺得氫氣儲能是很好的方式，比壓縮空氣儲能好。壓縮空氣儲能、抽水蓄能、飛輪儲能，還有鋰電池儲能，都是可以根據實際來選擇。清華大學的賀院士認為，再過五六十年新能源完全能夠滿足人類生活和生存的需要，如果到那個時候新能源已經滿足我們的需要，就不存在化石能源的碳排放問題了。

　　另外很多人擔心氫不安全，擔心氫脆，還有把氫氣與氮氣合成氨。現在國際上有人直接把氨放在汽車和火車內燃機燃燒。氨易于儲存，變成液體儲存密度高，但是安不安全?不見得。氫不是密閉場合放出來往上跑，不會發生爆炸;氨氣是往下跑，會造成人的窒息和中毒。氫的爆炸極限比較寬，氨氣比較狹窄一點，但是有毒后果比氫嚴重。我們的氫循環實驗室里面就裝了很多傳感器，房頂是可以敞開的，一旦氫濃度超標，排氣裝置打開很快就沒事了。全國氨泄漏導致人員傷亡事故有很多案例，但是氫發生的死亡事故是很少的。氨比氫更不安全。

　　氨是合成氨，過去是高溫法，要在350度、320個大氣壓下合成，耗能。假如是分解成燃料電池用的高純氫，分解又耗能。現在很多國家探索低溫合成氨和低溫分解氨，要用很多貴金屬做催化劑，成本也是很高的。假如能夠保證純氫的安全，可以不用氨的。

　　還有人提出把氫跟二氧化碳合成后變成甲醇或汽油。本質上燃燒的是氫氣，二氧化碳只是一個載體。如果用生物質合成甲醇是好的，但用氫和二氧化碳合成甲醇要額外耗能。終端要分解成氫也要耗能，何必呢?還有，氨如果直接燃燒，直接內燃機驅動就有氮氧化合物排放問題，對大氣的破壞作用比二氧化碳還要嚴重。我個人認為氨氫路線和甲醇路線在我們純氫路線能夠保證安全的情況下是可以規避的。當然現在眾說紛紜，這個都可以探討，關鍵是經濟性，哪個經濟用哪個方法。純氫的儲運，不論是氣氫還是液氫，服役安全都是可以保證的。

　　氫能是未來能源體系重要組成部分，將推動構建氫-電互補的現代能源供應體系。到2050年氫能在我國終端能源消費體系占比約10%，2060年占到15%，未來還是預期可期的。發展氫能機遇和挑戰并存，在現有的設計制造維護條件下純氫儲運裝備的安全是可以保證的，關鍵是怎么進一步降低成本，提升經濟性。

作者：