【行业信息】干勇院士 | 不可“氢”视,“氢”出于蓝胜于蓝

2020-08-07

 
       氢能在我国有着广泛的应用前景。到2050年,氢能在我国终端能源体系中占比将达到10-15%,可以带来几十万亿新兴产业。但是与国际先进水平相比,我国氢能产业整体水平要想实现追平或者赶超还需要很多努力。 
 
不可“氢”视 

       在国际范围内,美国、日本、欧盟、韩国都制定了一些到2030年、2050年要实现的目标。特别是美国和日本,已经出台国家层面的氢能战略,而且最近欧盟的动作也很迅速,在各项指标和氢能利用上都拿出了不错的样板。   

       普华永道预计,到本世纪中叶,世界用氢量将达到5亿3000万吨。原先人们并没有把氢当作能源,而是用在其他方面,而如今氢能的应用场景非常丰富,除了交通运输外,还能应用在能源系统、供电供热、炼化冶金等其他场景。制氢方式有煤制氢、天然气制氢、工业副产氢、火电/光电/光催化制氢、生物发酵制氢等等。   

       保守估计,到2050年,氢能在我国终端能源体系中占比将达到10-15%。世界氢能巨头们认为占比应该能达到18%,所以氢能将成为我国能源战略的重要组成部分,与电力协同互补,可以带来几十万亿新兴产业。 
 
       能源的经济性很重要,如果用电网的电制氢,光是一公斤氢的用电成本就会达到30多元人民币。但是我们如果用煤制氢,并且结合CCUS(碳捕获)技术,虽然有一定的成本,但总体能控制在200元以内。 
 
       光伏发电成本较低,最低可以到0.7元。采用风电或光电制氢的话,成本大概每公斤在200元以下。但是具备相应条件的地区并不是很多,河北的张家口、吉林的白城,还有福建、河北、新疆、青海等,都具备光伏或者风力发电条件。   

       人类利用氢能的经济性问题还体现在运氢上,氢气运输需要专用管网,以300毫米直径为例的输送管网测算,每公斤每百公里的管道成本只要0.7元,是200bar长管拖车运输费用的10%,而且是液氢运输费用的50%,成本大幅降低。   

       随着氢能技术的成熟、大规模应用以及瓶颈技术的突破,在400公里行程范围内,氢燃料电池汽车和纯电动汽车成本基本持平,略高一点。但当里程超过400公里时,它的长续航优势得以体现,而纯电动汽车充电的时间成本明显上升,不如氢燃料电池汽车的经济性。
 
“氢”要出于蓝

       与国际先进水平相比,国内氢能产业整体水平要想实现追平或者赶超还需要努力。     

       电解槽国外做的很好,但是碱性电解槽我国水平和国外接近;在储气环节,我国在车载储氢罐和国外有一定差距,现在还达不到完全工程化;加氢机和氢气压缩机,包括膜电极喷涂设备、循环泵、空压机,以及燃料电池系统检测和氢气检测,我国和国外的差距还是比较大的。   

       我国燃料电池电堆的功率为60千瓦,国外114千瓦,而且功率密度我国也较低,每升只有1.8kW,现正在往3Kw/L的密度上努力。耐久性比国外低,低温性能表现一样。   

       与气氢相关的关键材料,例如,高强度的缠绕碳纤维、聚合物气瓶内胆、气氢密封材料等关键零部件和装备都是需要突破的。耐高压至100MPa以上的元器件,固定式、移动式的氢气存储装置,还有加压和加注装备,上述零部件的耐久性和可靠性我国还要形成技术规范和标准,以实现批量化、商业化的应用。   

       我国膜电极的发展和国外差距较大。膜电极是燃料电池最昂贵的部件,年产一千套燃料电池,膜电极要占78%的成本,十万套占66%,五十万套也要占到成本的62%。我国膜电极的国家发展目标是,到2020年,在0.62V电压下电输出性能大于2A每平方厘米;每平方厘米铂载量小于0.4mg;抗反极实验要大于100分钟;抗200次反极电流循环后,膜电极性能衰减要小于5%;寿命要大于两万小时。这些指标还有一些没有达到,投入还不够,大型企业的介入也不够。   

       目前,国内已经形成京津冀、华东、华南、华中、华北、东北六大产业集群,完整的产业链正在形成。

重卡要变“氢”

       根据环保部《中国机动车环境管理年报(2018)》显示,2017年我国柴油车占汽车保有量的9.4%,但柴油车氮氧化物排放量占总排放量的68.3%;颗粒物排放量占排放总量的99%以上。   

       所以,中国首先应该在柴油车上,尤其是在柴油车集中地区首先使用氢燃料电池汽车,要开启氢能“重卡时代”。物流密集的港口地区适合建立柴改氢示范区,氢燃料电池汽车的特点是适合长距离行驶、大荷载量。若改为“氢能重卡”,利于集中布局加氢站;氢消耗量大,也便于建立大型加氢站,可有效降低加氢站运营成本,达到示范经济效益。   

       沿海港口地区附近大多建设有大型钢铁企业及联产焦化企业,副产氢来源有保障,可实现氢源供应的经济效益。港口交通发达,氢源运送进出便利,易于规划建设氢能输送管网,降低供应成本。   

       国内的主要海港,按照一个月货物60%的公路运输比例,估算重量2.36亿吨,约1600万车次,需消耗柴油400万吨,折算氢气240万吨/月,柴改氢的优势显而易见。   

       以唐山为例,唐山要求汽改铁,但是建设铁路并不是最好的办法,超短途运输可以用铁路,最终解决还是柴改氢的问题。唐山地区钢铁产能超过1亿吨,占河北省55%,占全国13%,煤炭、铁矿石及钢铁等物品运输总量6亿吨/年,还有3600万吨焦炭,可提纯氢气约50亿立方米,足够3万辆重卡运行。   

       柴改氢以后,一氧化碳、氮氧化物、颗粒物就会下降,空气就会好起来,所以,开创氢能“重卡时代”,优先发展氢能源商用物流车是我国的一项重点。



《作者:中国工程院院士干勇》

《来源:新能源汽车报》