作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2022/4/29 21:40:49
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氢能产业迎来发展东风

 

在全球应对气候变化、加快能源转型的大背景下,氢能作为一种低碳、高热值、来源广泛的清洁能源变得炙手可热,世界主要发达国家纷纷出台政策予以大力支持。

2022年3月,《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》(以下简称《规划》)正式发布。《规划》提出,到2025年,我国将基本掌握核心技术和制造工艺,燃料电池车辆保有量约5万辆,部署建设一批加氢站,可再生能源制氢量达到10-20万吨/年,实现二氧化碳减排100-200万吨/年;到2030年形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系,有力支撑碳达峰目标实现。

“我国的氢能产业在碳达峰碳中和目标下方兴未艾,已进入快速发展的窗口期,制定出台这一规划正当其时,将对我国氢能产业持续健康发展起到关键引领作用。”中国石油国家高端智库研究中心专职副主任吕建中表示。

氢能产业地位得以明确

长期以来,我国一直拥有规模较大、基础较好的“氢气产业”,目前已是世界第一大氢气生产国,氢气主要作为化工原料气体,广泛应用于石油炼制、合成氨、甲醇等传统产业,因其易燃易爆的物理化学特性,让人们更多关注其危险化学品属性,而对其能源属性认知不足。

在吕建中看来,从“氢气”到“氢能”,《规划》首次将氢定义为一种绿色低碳的二次能源,明确氢是能源转型的重要载体,这是具有革命意义的里程碑,需要配套与能源发展相适应的管理机制和技术创新体系。

按照《规划》,可再生能源制氢是主要发展方向,以电解水制氢为基础的氢电互变技术,为可再生能源储能提供了新的技术选择,这也是实现可再生能源规模化开发利用的重要技术路线,将成为氢能产业发展的重点方向。

“长期来看绿氢是方向,而蓝氢主要体现是资源的综合利用。”同济大学教授张存满介绍,石油化工、煤化工,甚至整个的化工产业里,制氢是永远离不开的;此前没提出氢能概念时,从工业气体的角度,我国也在积极发展制氢产业。

张存满认为,《规划》鼓励副产氢的就地利用,因为氢气经济性运输半径是有限的,有条件的地方可以上马氢能应用项目示范。“国家鼓励因地制宜,充分利用现有的副产氢,但不会鼓励走化石能源制氢的路线,也不会书面提及,因为路线不对、本质上也不对。”

此外,我国多地也纷纷制定氢能产业相关规划、实施方案等政策文件,布局建设加氢站等基础设施,推动燃料电池车辆等氢能多元化应用。

“在氢能产业萌动之际,《规划》的出台符合业界期盼,为氢能科技创新和产业高质量发展指明了方向。”中国国际工程咨询有限公司总工程师杨上明表示,《规划》将对氢能产业的发展起到规范引领的作用,以避免各地的无序发展,并进一步彰显氢能作为可再生能源高效利用重要载体、抢占未来科技发展制高点重要抓手的作用,对支撑实现碳达峰碳中和目标有重要意义。

“科技冬奥”带动氢能应用

在北京2022年冬奥会上,共有816辆氢燃料电池汽车投入使用,可谓是近年来我国氢能产业发展和落地应用的一次集中“检阅”。

在河北张家口太子城服务区的加氢站里,氢燃料电池汽车驶入后,只需几分钟时间就能完成氢气加注;一次加注,氢燃料电池汽车的行驶里程可达500公里。

此前,由于技术、产业、成本等瓶颈性难题,我国氢能产业和氢燃料电池汽车发展并不尽如人意。“双奥”的举办,极大助推了我国氢能产业和氢燃料汽车的长足发展和示范应用。

2008年北京奥运会投入运行了3辆氢燃料电池汽车,并建成了我国首座车用加氢站,开启了氢燃料电池汽车“从0到1”的示范。

“北京2022年冬奥会,共计投入使用816辆氢燃料电池汽车,作为主运力开展示范运营服务。”北京市经信局汽车交通处副处长吴志全表示,我国已实现了氢能和氢燃料电池汽车“从1到100”的规模化应用和产业化突破。

技术和成本是氢燃料电池汽车走向规模化应用的核心问题。

清华大学核能与新能源技术研究院研究员王诚表示,氢燃料电池成本由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却排水系统及电能控制系统等部分组成。例如电堆的催化剂普遍采用贵金属铂,技术难度高,产业化程度不足,导致电池总体成本较高,难以实现规模化应用。

2008年,3辆氢燃料电池客车由福田汽车公司提供。而今年的北京冬奥会期间,福田汽车公司再次带来了515辆氢燃料电池汽车。

“福田汽车和丰田汽车、亿华通公司三方共同合作,推出了可商用的系列氢燃料电池客车。”福田汽车欧辉客车事业部研发副总裁刘继红告诉《科学新闻》,这些氢燃料电池汽车不仅在延庆赛区闭环内使用,还在闭环外提供接驳运输服务。

“北京冬奥会为氢能和氢燃料电池汽车示范应用提供了世界级舞台,是对我国氢能和氢燃料电池汽车全产业链的一次全面检验。”吴志全介绍,北京冬奥会上的816辆氢燃料电池汽车,包括丰田全新Mirai第二代乘用车、首次实现本土研发及生产的丰田柯斯达中巴车、丰田-福田首次合作开发的大巴车等。

而氢燃料电池汽车的应用,也使交通领域加速走向零碳排放。例如,丰田Mirai乘用车每百公里可减少排放二氧化碳大约18.79公斤,丰田柯斯达中巴车每百公里可减少排放二氧化碳大约47.01公斤,丰田-福田合作开发的12米大巴车,每百公里可减少排放二氧化碳大约57.86公斤。

“北京市两个赛区投入312辆氢燃料电池汽车,自冬奥会2月4日开幕以来到2月14日,累计用氢约42.04吨,二氧化碳减排作用十分明显。”吴志全表示。

产业链迈向自主可控

“氢气的供应链体系还不健全,制氢、储氢、运氢没有形成完备高效的供应链体系。”王诚认为,这是限制我国氢燃料电池汽车产业发展的又一大关键问题,规模、廉价的氢气资源匮乏,制约了氢燃料电池汽车的规模化应用。

2020年国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》提出,我国要“提高氢燃料制储运经济性。因地制宜开展工业副产氢及可再生能源制氢技术应用,加快推进先进适用储氢材料产业化”,“健全氢燃料制储运、加注等标准体系”。

如今,“我国在氢能和氢燃料电池产业方面,已实现了‘制、储、运、加、用’的全产业链布局,氢能和氢燃料电池汽车创新链产业链实现了自主可控。”吴志全表示。

在氢能源头方面,2020年10月,环宇京辉京城气体科技有限公司参与了由清华大学牵头承担的科技部国家重点研发课题“科技冬奥‘氢能出行’关键技术研发和应用示范”项目,主要任务是参与加氢站建设,并协助建立“制、储、运、加”全供应链信息监控系统。

“环宇京辉拥有煤、天然气提碳制氢,气态高压储氢,超纯氢气提纯,副产氢提纯等多项核心技术,所生产的氢气纯度高达99.99999%,氢气年产能1200万立方米。”环宇京辉京城气体科技有限公司副总经理张岩向《科学新闻》介绍,环宇京辉还与京能集团合作,利用由光伏、风能等所产生的“绿电”进行氢气的制取工作,实现“绿电制绿氢” 。

而传统燃油企业燕山石化也积极在制氢领域开展布局。在北京冬奥会期间,为保障氢源供应,燕山石化和环宇京辉的制氢能力达到7.2吨/天,为冬奥会氢燃料电池汽车提供了充足的清洁氢源供给。

加氢站建设的流程也不断优化。“加氢站属于新生事物,安全等级要求较高,相关技术仍处于不断发展完善阶段。”吴志全表示,为确保加氢站安全稳定运行,国家明确了油氢合建站的审批流程,并创新了工作程序和工作方法,为今后加氢站的建设积累了丰富的经验。

示范应用也带动了氢燃料电池汽车产业标准的极大进步。为实现氢燃料电池汽车在冬奥场景的使用,我国推动修订了《燃料电池电动汽车加氢口》《燃料电池电动汽车车载氢系统试验方法》等多项标准。“这使我国氢能与燃料电池汽车产业往高端化发展。”刘继红表示。

氢能产业也成为各地产业发展的重点。在北京,“正在落实氢能和氢燃料电池汽车产业发展规划,积极推动京津冀燃料电池汽车示范城市群建设。”吴志全介绍,北京将围绕“车用在哪、氢从哪来、技术如何突破、产业如何持续发展”四大关键问题,打造燃料电池汽车关键零部件和装备制造产业集群。

加快氢能技术自主创新

氢能是一种技术密集型的能源,有着极高的技术要求。近年来,我国在氢能技术方面虽然取得了显著进步,但与美国、欧盟、日本及韩国等发达国家或地区相比。

吕建中因此表示,我国氢能产业的发展,要坚持创新引领、自立自强,以关键核心技术和装备攻关为抓手,点面结合、以点带面,构建氢能产业高质量发展格局。

“例如在氢能制备、储存、运输、加注以及终端利用等产业链主要环节,我国都还有一定的差距;特别是基础材料、核心零部件尚未突破技术壁垒,氢能制备储运成本过高等问题,严重困扰氢能产业发展。”吕建中表示。

因此,提高氢能产业发展质量,绝不能靠盲目上项目,更不能搞低水平重复投资,而要把技术创新放在首位,集中突破核心技术,增强全产业技术装备自主可控能力,制定完善行业基础标准,增强氢能产业链供应链的稳定性和竞争性。

杨上明也指出,氢能产业是面向未来的战略性新兴产业,需要充分发挥我国完整的工业体系和能源体系优势,坚持系统思维、久久为功,力争在全球科技革命和产业变革浪潮中占据主动、赢得先机。

新发布的《规划》提出要推动可再生能源制氢。杨上明认为,中远期要加快发展规模化风电、光伏、水电等多种低碳能源制氢,提升制氢关键技术能力和装备制造水平,逐步完善分布式制氢管理体制机制,探索灵活的价格机制,将清洁低碳氢能打造成氢源的主要构成,从源头上保障氢能绿色低碳属性。

“要充分利用已有技术基础,发挥氢能高品质热源、高效还原剂、低碳化工原料等多重属性,推动氢能在交通、冶金、化工等领域替代化石能源使用,降低二氧化碳排放。” 杨上明表示,要加快新型储能、分布式热电联供等核心技术自主研发,积极发挥氢能跨能源网络协同优化作用,稳步有序推进氢能示范应用,促进能源电力领域深度脱碳,实现全面绿色低碳发展。

国内企业自主研发的氢燃料发动机。郑金武摄

冬奥会成为氢燃料电池汽车的试验场。郑金武摄

国内氢能源产业链日益完善。图为北京一家氢能企业内景。郑金武摄

 
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