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深度关注 | 氢能:产业化有多远

发布时间:2022-01-12 06:48:47      来源:中央纪委国家监委网站

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中国石油助力“绿色冬奥”,在张家口崇礼建成投运冬奥首座加氢站。图为工作人员在为氢燃料车辆加氢。(中国石油 供图)

近日,国内首座站内氢气检测实验室——中国石化西湾子氢气检测实验室在河北崇礼正式投运。该实验室能完成燃料电池氢气的13项典型指标检测,将为保障北京冬奥会氢能质量安全可靠提供有力技术支撑,助力“绿色冬奥”。

随着氢能产业在世界发展热度进一步提升,氢能的利用情况已经开始成为国与国之间竞技未来能源技术的展示窗口。即将开幕的2022年北京冬奥会上,中国对氢能的推广和利用提前做好了布局——境内接力火炬全部应用氢燃料,在开幕式上使用氢燃料点燃北京冬奥赛场的主火炬,大量使用氢燃料电池车,以减少污染物排放。

氢能为何受到青睐?氢能对于低碳发展有何作用?记者采访了清华大学清华三峡气候与低碳中心、核能与新能源技术研究院副研究员欧训民。

北京冬奥会氢能的大规模使用体现“绿色办奥”理念,展现了我国加强绿色低碳技术研发和示范、实现“双碳”目标的决心和勇气

记者:2022年北京冬奥会将采用氢燃料火炬,还将大规模采用氢燃料电池汽车。在北京冬奥会上大规模应用氢能,对氢能的发展有什么意义?

欧训民:从申办到筹办,北京冬奥会始终坚持绿色、低碳、可持续原则,“绿色办奥”的理念贯穿于方方面面。

2019年6月,北京冬奥组委发布的《北京2022年冬奥会和冬残奥会低碳管理工作方案》提出,以低碳能源、低碳场馆、低碳交通、低碳标准为主要目标,采取碳减排和碳中和措施,实现北京冬奥会低碳目标。其中,在“低碳交通”这一部分,《方案》强调,用于赛事服务的客运车辆基本使用新能源,在各赛区推广新能源汽车,积极推动符合相关车型目录氢燃料车辆的示范应用,同时建设配套的充电桩、加氢站等,满足赛区电动汽车、氢能源汽车运行需求。

为了在确保安全的前提下,最大限度应用节能与清洁能源车辆,北京冬奥组委制定了“北京赛区内,主要使用纯电动、天然气车辆;延庆和张家口赛区内,主要使用氢燃料车辆”的配置原则。我们了解到,北京冬奥会将示范运营1000多辆氢燃料电池车,30多个加氢站。其中,延庆赛区和张家口赛区将有700余辆氢燃料大巴车投入使用,至少30辆氢燃料电池客车负责赛时观众及工作人员的运输。

此次北京冬奥会大规模使用氢燃料电池公交车及氢能火炬,体现国家扩大氢能应用场景的发展趋势。在冬奥会上使用氢能,既可以减少交通等活动中的碳排放,协助实现绿色低碳奥运,也为氢能技术示范运行提供了大型平台,验证技术的同时也进行了公众推广。此外,这也展现了我国加强绿色低碳技术研发和示范、实现“双碳”目标的决心和勇气,并搭建起氢能相关的自主知识产权技术和产业发展的大舞台。借助北京冬奥的机遇,氢能将有望被更多的民众了解和认可,中国的氢能产业也有望进入高速发展的快车道。

记者:北京冬奥会将大规模采用氢燃料电池汽车,氢燃料电池汽车的工作原理是怎样的?与传统汽车及市面上电动汽车相比,氢燃料电池汽车有何优势?

欧训民:氢燃料电池汽车是氢能较为常见的终端应用。近年来,随着氢能产业的不断发展,氢燃料电池汽车受到了广泛重视。

氢燃料电池汽车和燃油车的结构较为相似,只是把燃油车的油箱换为储氢罐,把燃油车的内燃机换为燃料电池动力系统。氢燃料电池汽车与普通燃油车的区别,主要在于动力系统。普通燃油车通常注入柴油或汽油,通过燃烧释放化学能,以转化为汽车的动能。氢燃料电池汽车中,氢燃料电池的工作原理是在氢与氧结合生成水的同时,将化学能转化为电能。

具体说来,氢燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。氢气进入燃料电池的阳极,在催化剂的作用下分解为氢离子和电子。随后,氢气穿过质子交换膜到达阴极,在催化剂的作用下与氧气结合成水,电子则通过外部电路向阴极移动,形成电流,电能通过电动机转化为机械能,驱动车辆行驶。

和传统汽车相比,氢燃料电池汽车在运行过程中没有废气排放,只会排放水,因此不会污染环境。和电动汽车相比,氢燃料电池汽车的主要优势有三点:第一,补充能量快。氢燃料电池汽车加注氢气的过程持续时间短,就像加油一样,只需3到5分钟就能充满长途行驶所需的氢气。第二,续航更长。氢燃料电池储能密度高且重量轻,具有更长的续航里程,通常会超过500公里,甚至达到700公里以上。第三,氢燃料电池汽车更适合在寒冷气候条件下行驶。

氢能作为清洁、高效、可持续的二次能源,在全球能源转型方面被寄予厚望,但在制备、储存和运输方面还存在瓶颈

记者:氢能在全球能源转型的过程中扮演了什么样的角色,有哪些主要的应用场景?目前,制约氢能发展的主要瓶颈是什么?

欧训民:随着应对气候变化、实现“碳中和”的呼声日益高涨,氢能在全球能源转型方面被寄予厚望。作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,氢能是构建未来以可再生能源为主的多元能源结构的重要载体,其开发和利用技术也成为了新一轮世界能源技术变革的重要方向。

氢是地球的重要组成元素,也是宇宙中最常见的物质。氢的来源多样,不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整、生物质热裂解或微生物发酵等途径制取,还可以来自焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气,也可以利用电解水制取,特别是与可再生能源发电结合,不仅实现全生命周期绿色清洁,更拓展了可再生能源的利用方式。

氢具有燃烧热值高的特点,约是同质量汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。通过燃料电池可实现综合转化效率90%以上,具有很高的经济性。此外,氢燃烧的产物只有水,没有污染物及碳排放,是世界上最干净的能源,能够有效缓解温室效应和环境污染。

氢能之所以备受青睐,还在于氢气可作为储能载体,弥补可再生能源波动性、间歇性等短板,可以促进可再生能源的大规模发展。此外,氢能既可实现电力和氢气之间的灵活转化,又能搭建“桥梁”实现电、热、冷乃至固体、气体、液体燃料的互联互通,构建更加清洁高效的能源体系。

形式多样的氢能有着多元的应用场景,大规模应用正从汽车交通领域逐步拓展至其他交通、工业和建筑领域。氢能除了可以用在燃料电池汽车、轨道交通和船舶交通等领域,还可应用于分布式发电,可为家庭住宅、商业建筑供电供暖;氢能还可以直接为石化、钢铁、冶金等化工行业提供高效原料、还原剂和高品质热源。

不过,氢能也不是“尽善尽美”的。氢能在制备、储存和运输方面还存在一些技术和成本方面的障碍。首先,当前全球氢气年产量约为7000万吨,其中通过化石能源制取、在生产过程中排放二氧化碳的氢气(灰氢)占比约95%,而制取过程中不排放二氧化碳的绿氢所占比例则较低。究其原因,是由于绿氢制备的主要装备——电解槽的生产技术要求高、制造成本高。目前,全球电解制氢仍处于初始阶段,远未达到规模化。 

此外,氢气还存在易挥发、易燃的特点,在运输方面还存在“氢脆”现象,存在对输配管道和容器产生破坏的潜在风险。这也对氢能设备的安全性提出了更高的要求。如何实现安全、高效、经济的氢气储存,还有很大的努力空间。

记者:当前,世界氢能技术与产业发展趋势是怎样的?我国氢能的开发与利用情况又如何?

欧训民:近年来,世界各国正以前所未有的速度推进氢能产业发展,不少国家都已认识到氢能在未来能源系统乃至社会系统中的地位和作用,竞相开始抢占产业链各个环节的技术制高点。仅2020年,就有欧盟、德国、西班牙、加拿大等11个国家或区域发布氢能发展战略。截至2020年底,占全球GDP总量52%的27个国家中,有16个已制定全面的国家氢能战略,还有11个国家正在制定国家氢能战略。氢能应用场景日渐丰富,交通领域应用规模稳步提升,工业、建筑等领域应用方兴未艾。

我国提出实现“碳中和”目标,对绿色低碳发展提出了更高要求,也为氢能产业的快速发展提供广阔空间。2019年,氢能源首次写入政府工作报告,明确将推动加氢等设施建设;2021年10月发布的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出,统筹推进氢能“制储输用”全链条发展;推动加氢站建设;加强氢能生产、储存、应用关键技术研发、示范和规模化应用。

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020》,当前我国氢气产能约每年4100万吨,产量约3342万吨,是世界第一产氢国。截至2020年底,我国建成加氢站128座,氢燃料电池汽车累计保有量达7000多辆。中国氢能联盟预计到2050年,氢能在中国终端能源体系中占比超过10%,产业链年产值达到12万亿元。

随着氢能产业受到国家相关部门及地方政府的高度重视,产业政策及标准、法规体系逐步完善,技术创新成效显著,基础设施建设以及车辆推广初具规模。不过,我国氢能产业发展仍存在制约瓶颈。例如,电解水技术路线方面,仍存在不少短板和“卡脖子”现象,部分关键材料及核心零部件严重依赖进口的局面还没有得到根本改观。另外,氢能发展在地区间的差异十分明显,部分地区发展氢能的产业基础相对薄弱,却存在氢能项目一哄而上、仓促上马的情况。

要客观清醒认识氢能的角色与氢能产业发展面临的困难与挑战,理性推进中国氢能产业高质量发展

记者:目前也有声音指出,氢能虽有较大潜力,但热潮之中仍有不少需要冷静思考和解决的问题。您认为“氢能热潮”中有哪些问题需要审慎对待?

欧训民:我非常认同“氢能热”中的冷思考的提法。事实上,从全球来看,“氢能热”已经发生过2、3次了。在数次热潮的发展中,随着油价回落、应对气候变化政策的不确定性以及基础设施建设等问题,热潮并没有转化成持续的投资,且未形成大的产业规模。目前,全球氢能产业仍处于商业化早期,尚未形成成熟、固定的盈利模式,主要受政策推动,需要依靠各国政府大规模补贴才能发展。

本次“氢能热”既有近十年技术发展进步的推动,也有低碳发展目标的需求拉动。但是热潮能否转变成长久持续、逐步前进的发展趋势,还需要多方面助力。比如氢能制储运用各环节技术的突破,以及在个别场合真正实现大规模的应用,带动基础设施的建设和氢能生产成本的下降。对国内的氢能技术和产业基础而言,与先进国家相比尚有差距,既需要立足于自身资源禀赋,通过自主科研、合作开发进行发展,同时也要注重制定和完善标准、专利等知识产权标准,推进氢能开发利用。

值得指出的是,不少相关技术的进步和突破需要进行高强度、长时间的资源和成本的投入,不要过于乐观,更不要幻想能一蹴而就,在几年之内就建立起氢能社会。作为二次能源,氢能利用的确具有其独特的优势,也具有较大的潜力,但我们需要更加客观和清醒地认识氢能的角色,以及氢能产业发展面临的困难与挑战,理性推进,以期实现中国氢能产业的高质量发展。

记者:在“双碳”背景下,氢能的未来发展走向如何?对于促进我国氢能产业持续健康发展,您有哪些建议?

欧训民:二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,这是中国对国际社会的承诺。这意味着我国在持续为减缓气候变化影响作贡献的基础上,按下了减碳的加速键,并将采取更加有力的政策和措施。

2021年四季度以来,关于“碳达峰、碳中和”的政策和措施纷纷出台,引发全社会关注。2021年10月24日,中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》;2021年10月26日,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》,在这两份“双碳”顶层设计的文件中,氢能被多次提及,寄予厚望。

据不完全统计,目前,全国有30个省份、150多个城市在其“十四五”规划中提及氢能发展,有50多个城市出台了地方氢能产业发展专项规划。根据各省区市规划目标,到2025年全国将建成加氢站超过1000座,推广氢燃料车超过54000辆。业内预计,随着“双碳”战略的实施推进,中国氢能产业发展将进一步提速。

在“双碳”背景下,我国氢能的未来发展具有良好前景,尤其是绿氢的发展,有望成为接下来几十年的能源转型中的关键角色。建议未来我国氢能产业从技术研发、产业布局和降低成本等多个方面推动可持续的健康发展。例如,需要加强电解水制氢等氢能制取技术的研发布局,在不同类型的多条技术路线上都有所突破;科学规划氢能输配、加注等基础设施建设的时间和空间分布,有效匹配氢能制取和应用;在扩大氢能应用规模基础上,进行配套的商业模式创新和能源管理机制调整,降低氢能全产业链成本。(中央纪委国家监委网站 李云舒)