化工、冶金与材料工程学部 ·  干勇
  • 干勇院士:中国氢能源体系


    2018-08-05
           

    原标题:干勇院士:中国氢能源体系

    中国工程院院士 干勇

    各位来宾,很高兴向大家进行主题介绍。我的 PPT 是在与徐部长和工程院一起讨论的时候的一些想法和思路。

    工程院在十多年前提出了氢能社会的概念,我们对世界科技工程发展趋势进行了一系列讨论,第一就是能源体系。凡是工业化国家,能源体系的建立非常重要,而中国的能源禀赋不好,所以结构上有些问题。比尔盖茨两次到工程院不谈计算机,全部谈能源,认为十三亿人口对整个地球的二氧化碳贡献率太大,而且还有印度的十二亿人口,所以能源今后必须要有变化。

    化石燃料时代向绿色能源时代的转变是必然的,主要是两个转变:一个是化石能源消耗向绿色能源再生转变;另一个是从高碳燃料向低碳燃料转变,所以本质上是燃料的加氢减碳过程。全世界的电源 40% 是煤炭,而中国不一样,中国 70% 是煤炭,核电占 2%,太阳能占 4.7%,风电占 9.3%,水电占 20.2%,2016 年用电量达 16.5 亿千瓦。所以可再生能源的努力方面,中国政府成了全世界的动力站。

    2012 年到 2015 年我国可再生能源的投资大大超过美国,投了 3150 亿美元,同期可再生能源容量变化占到全世界的 44%,达到 177 GW;2016 年发展速度相比 2017 年更快。欧共体的统计显示,今后中国每个小时安装 2 个风电机组、7000 个太阳能电池板,到 2020 年的增长速度是 272%。欧盟的发展只是我们的零头,因为他们的发展已经很快了,每年增长 20%,我们将会达到 272%。

    风电和光伏的问题在于其不可预测性,所以肯定要储能一部分,不可能全部上网。氢能具有投入成本低、环境友好等特征,而且可以永久储存、传输到任何地方。人类每一次的能源变革都是提升减碳加氢、提升能量密度的过程。古代烧木材能量密度只有每公斤 0.13 兆焦,现在标准煤、天然气直到氢气,能量密度最高达到了 140 兆焦,应该说氢能源是非常理想的清洁能源,但属于二次能源。所以关键是要降低成本,而且技术路径要重新设定。

    氢能的重要作用是可再生、高能、高效的能量载体,存储转换非常自如,而且是零排放。现在整个央企已经开始行动,特别是以神华国际能源投资集团在氢能和燃料电池领域做了四个方面的大布局:明确了可再生能源制氢的任务,包括投入氢气运输、存储和加速的各种装备的基础建设,也包括燃料电池,但他们的目标不是发展燃料电池,而是支持下游用他们的氢发展燃料电池,自己只是参股。现在最低成本的氢是 0.77 元/立方米,0.87 元/公斤,大大低于国际上的平均制氢成本,也是非常便宜的。

    氢能将成为传统能源的核心,有助于实现规模化的愿景,打造一流的清洁能源供应商,整个产业链已经显现。产业化途径、模式、方向,包括商业模式都已经开始了,可再生能源制氢也好、煤制氢也好、各种制备出来的散氢都要集中起来,这是一个大的产业链。不光是氢能源电池利用,包括分布式发电、二氧化碳合成的化学用品等等。发展氢能产业是能源结构调整和产业结构转型的必由之路,人类必须向这条路上走。现在利用氢能人类社会的生产发展方式可以发生一个很大的变革,获取方式多元化。所以成本正在变得越来越低,下游使用的当然是燃料电池。

    2020 年到 2050 年,我国的风电和光电的装机容量非常高,达到 2 ~ 4 亿千瓦,但是上网率再怎么提高也有 20%,需要储能。如果要把这些消化掉,需要建将近 400 座储水水库,破坏生态、成本巨大。如果我们用电和氢来做储能的载体,这将是投资成本低、环境适应强的一种方式,推动了燃料电池汽车、分布式发电、热电联供和无人机等领域,所有装备都使用氢能,氢动力将成为一个主动力。

    欧洲率先开始了可再生能源制氢,用天然气管网进行运输,最大的运输量是 20%。天然气管网当中运输密度不一样,出来以后再吸附,完全可以把它分开。当前全世界都开始注意到了氢能的发展,也成为了国家能源战略的重要组成部分,而且燃料电池技术趋于成熟,步入了商业模式创新与批产阶段,也要感谢一直致力于燃料电池工程化、产业化的国外企业,他们重视氢能源电池的开发推广应用,电池产品的出货量加速增长进入商业化阶段,分布式发电也小规模商业化,特殊用途的燃料电池早期市场已经开始形成,这些都显现出了氢能利用的产业链开始壮大。

    刚才说过,我们的条件非常好,因为我们的光伏风电规模大,所以我们的储能上不了网的部分就可以用于制氢。而且我国风光资源与天然气的管网匹配性好、容量大,所以很厉害。我国在家电、发电制造的产业规模均居世界首位,这为发展燃料电池分布式供电提供了巨大的市场和产业基础。煤制氢的水平和国外完全相当,而且制氢规模居世界首位。2012 年我们的制氢量达到 1600 万吨,相当于 8000 万辆燃料电池汽车的消耗量,系统储氢能力也会上来。

    燃料电池的原理这里我就不讲了,大家都很清楚,特别是自制燃料电池为主。催化剂的成本占了将近 70%,双极板已经完全工业化,而且我们用钛合金和不锈钢的双极板代替石墨,性能非常优越,而且现在是供给美国。我们的自制膜是最难的,张维民教授今天也在这里,东岳的自制膜在国际上处于一流方阵,和美国的戈尔公司并列,所以自制膜的问题也要解决。电解质要用很多的铂,这些铂从哪里来?都要进口。但是现有的燃油和燃气汽车常用的净化装置用的铂量比这还高。一旦用新能源代替,铂不会增加,只会减少。

    现在锂动力的碳酸锂和高纯球状石墨的需求量巨大。去年石墨涨了 10 多倍的价格,碳酸锂价格从 4 万元涨到不到 10 万元,还有钴。材料部件的应用国内已经普遍开展。国家科技部已经把其列为重点专项,包括四个课题:

    • 车用燃料电池发动机平台设计开发验证;
    • 燃料电池发动机关键零部件与系统应用开发;
    • 大功率燃料电池电堆技术;
    • 还有储氢系统的开发。

    我们的固态储氢水平现在上得很快,特别是储氢合金的稀土材料以后会降低成本,安全方便。

    燃料电池汽车的性能大家都很清楚了,丰田 Mirai 续航历程可以达到 650 公里,加氢的时间只要 3 分钟,而且成本也很低,每千瓦时 2500 ~ 3000 元,也可以降到 1 瓦/元以下,最后在电池成本上氢气瓶如果成本降到 3.5 万元的话,三种电池动力成本已经相差不大了。百公里的续航里程 1 公斤氢就可以达到 100 公里,而电要 18 度电才能 100 公里,这会增加 100 公斤电池的重量,氢燃料的轻量化作用也体现了。

    我国前一段时间对燃料电池市场预估,美欧日中美国动作也是很快的,加州每 50 公里就有 1 个加氢站,2020 年就是 22.5 万个左右。如果电力技术再突破,折合成人民币是 7 万。欧洲地区的燃料电池客车的计划包括加氢站的建立已经有 106 座,现在还在增加,日韩当然动作更快,特别是丰田、本田、日产和现代汽车。本田的新车销售只有 37.8 万元,如果得到补贴是 27.1 万元人民币,续航里程达到 650 公里。

    我国发展燃料电池的基础也很好,特别是很早就形成了以大学研究院为主体,特别是同济大学等等,万钢部长也是搞燃料电池的,冠华部长之前就布局了燃料电池总体攻关。后来有一段时间减弱了,最近又把燃料电池和氢能利用作为重要的转折点,国家到地方政府都已经开始重视。现在我国燃料电池开发出了 20 千瓦、50 千瓦、60 千瓦和 110 千瓦的产品,很多技术都正在成熟。我们具备的基础很好,上汽又推出了两款产品,而且已经订货,包括中航十五所、山东潍柴、中车燃料电池生产全部下线,2017 年 4 月累计生产的燃料电池接近 700个。

    制氢、储氢、运氢、加氢是一套新的配套系统工程。改变传统的工程,配套设施跟进这种发展模式不行,必须至少是同步,最好是先布局供氢体系。现在整个上海一个大区域布局了燃料电池的发展规划,特别是最近山东在打造 170 平方公里的中国氢谷,包括研发中心已经开始。山东有特殊情况,要考虑副产气体的回收、电解铝、交流煤气等大量放空气体,交流煤气相当于富余了 87 万吨氢,所有的公交车都可以用上,每年合成提纯回收氢气,资源优势是非常好的。风电、光伏电池和可再生能源也非常厉害,完全可以拿来制氢,就是在弃风弃光的条件下。

    所有传统制氢企业非常强大,东岳集团成功地研发了燃料电池膜,这是国内仅有的一家,国际上进入了并列第一。还有潍柴集团投了 500 亿元在搞氢能源发动机,青岛的中车集团包括电控系统、网络系统、车联网都已经开始。山东最有特点的是它的高速公路,就是两家国有企业完全占有,120 个高速公路服务站都可以建立加氢站。所以回收氢、储氢和运氢可以系统进行,不像有的公路是每家都有。这为发达的物流专用的氢燃料电池车创造了条件。工程用车、专用物流车是一个巨大的汽车市场,山东一个区域按照氢气的要求,就是制氢、运氢、储氢、加氢的标准先行先试,每个站估计占用 2000 平米,投资 1000 万元,能储存 100 公斤以上。

    目前山东结合高速服务区的全省的加氢站网络已经开始布局,并开始打造中国氢谷,要设立 500 万元的中国氢谷创新发展基金,打造氢能源的运营示范区规划,现在已经开始顶层设计。这不是以一家企业为主体,而是一个整体的规划,这样氢能源和燃料电池的企业才能健康发展。中国山东轻轨建设计划一期总体投资是到 2017 年 422 亿元,2020 年达到 1000 亿元,制定了十年和十五年的发展目标,和深圳签订了氢能源产业园和商务区三位一体的协议书。

    介绍一下氢能源创新战略联盟的工作情况。十九世纪是一个氧时代,十九世纪就提出氧气转入,但是十九世纪的氧气就像现在的氢气一样成本高,大家都认为有危险性,但是二十世纪中期以前我们把所有的氧气技术都攻破了,氧气非常廉价,现在氧气放在床边我们也不会担心。二十一世纪进入氢时代是肯定的,因为刚刚过了十七年,还有八十三年。估计到二十一世纪中期整个氢气技术,就是制氢、储氢、加氢、运氢都会完全成熟,所有标准都会出来,运输材料和危险性并不比油气和液化天然气更大,反而更简单。

    氢能联盟的筹备徐部长、万钢部长和苗部长都非常支持。徐部长亲自主持了不下六次会议,发起单位已经开始,筹备处已经成立了将近一年,一汽、二汽、潍柴、山东重工、同济大学、钢冶集团、有色研究院等都已经加入了这个联盟,而且马上就要成立。我们的委员会主任就是徐冠华部长,首届理事长单位是国家能源投资集团,就是神华集团和中国电力合并的巨无霸。能源打头是最好的,要找某一个车企打头的话互相竞争、互不服气。联盟的主要定位是为国家制定氢能源及燃料电池发展战略和实施路线提供顶层设计,支持联盟成员企业技术创新,推动全产业链的应用示范,创造参与氢能燃料电池装备制造应用技术,协助构建氢能社会并且做出规划。

    2050 年我们将会迎接氢能时代的到来,形成 10 万亿元的产业规模,这是一点都没有问题的。煤的最佳应用方式就是变成氢,当然也可以煤制油,但是煤制氢将会作为新能源的一个重头戏。我们已经开始迎接制造业强国之梦,在绿色制造当中把整个能源结构进行改造。

    来源:百人会返回搜狐,查看更多

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