彭蘇萍：氫能和其他能源將會長期共存
來源：原創 2023-07-04
為繁榮氫能產業生態，推動氫能產業高質量發展，6月28-29日，2023氫能專精特新創業大賽首場預賽于內蒙古鄂爾多斯市隆重開賽。
來自全國各地的專家學者圍繞著氫能產業發展以及鄂爾多斯產業集群發展方向進行探討，中國工程院院士黃其勵、彭蘇萍分別圍繞《氫電耦合支撐我國新型能源系統建設》、《中國氫能源與燃料電池發展戰略研究》作主旨匯報。開幕式由中國氫能聯盟副秘書長、同濟大學教授馬天才主持。
上周我們總結了黃其勵院士關于氫能與新能源之間關系的觀點，本周我們就鄒建新院士及彭蘇萍院士的發言進行觀點整理：
2 彭蘇萍 中國工程院院士、中國氫能聯盟戰略指導委員會委員
氫能的儲能屬性
氫能源和燃料電池發展的背景，跟世界能源的發展是一致的。也就是說最近20多年以來，中國和國際上希望少用化石能源，多用可再生能源。所以提出來可再生能源如何做到規模化，化石能源如何做到低碳化。
在可再生能源的發展過程中，中國的可再生能源主要在西部和中西部，但這些地方工業薄弱，可再生能源消納不了。在外輸時，存在調峰問題，因為間歇性、周期性，就會遇到困難。我們在2013年公布時最高達到39%。如何使可再生能源最大化？
我們經過研究，氫不但作為能源屬性，而且是儲能屬性。儲電做不到這個目標，只能氫能做到。化石能源低碳化過程中，也是一個加氫減碳的過程。這兩個方面一加，氫能就能充分發揮出它的作用。
世界能源低碳化的追求
燃料電池是化學發電，燃氣機和內燃機是物理發電。這是第一。
第二，在我們希望把氫當做清潔能源，替代掉以前的能源。我估計在短期內，是替代不了的。油氣發明以后，蒸汽機還在廣泛應用。今后很長一段時間里，氫能源和其他能源是一個共存的過程。
我們國家做雙碳比世界其他國家難在哪？歐洲的基礎能源是核電，法國最高時占到了65%，現在也將近60%。日本在福島事件之前站點的比例是42%，美國最高時占到了38%。
溫家寶總理在2003年時做了規劃，當時能源組的組長是清華大學的老校長，他希望到2020年時中國核電在一次能源結構里最低9%，最高16%。9%是世界上的核電比例，16%是歐美國家占的比例。
20年過去了，核電的裝機容量4%。因為核電不能說是清潔能源，但是無碳能源。想想我們的比例關系，非常難以拉近。
就像可再生能源，根據統計，中國在可再生能源中給予的科研投入占了67%，但是除了水電外，我們的可再生能源只有7%，奮斗了20%，才占了7%，所以可再生能源的發展不是一蹴而就，而是一個艱難的過程。中央說2030年碳達峰，2060年碳中和，實際上有很大的難度。
氫能可以作為電力用、交通用、生活用，但是生產氫的過程中有一系列的工作需要去努力完成。提出這個概念以后，在以前的場合里講過。關于氫能源的規劃，作為國家的國策，不是中國先做出來的。
雙碳目標不但約束中國，對發達國家約束更嚴格。克林頓當總統時，提出美國氫能發展規劃，做了幾個法規，一直想推氫能，推到了小布什，從新能源的發展規劃變成了氫經濟。為什么美國到最后沒推下去呢？就是太貴了，當時的成本非常昂貴，相當于貴族能源。
當時張院士，現在的國資委主任提出來，我們做探索，主要是看到了制氫成本可以大幅度降下來。世界各國搞氫能源，到去年年底為止，世界有87個國家做了氫能源的發展規劃。
日本也是缺乏能源，以前也是以化石能源為主，以前日本進口油氣，特別是進口煤，現在要求進口氫。
澳大利亞以前出口煤，現在規劃出口氫。
歐洲主要是工業脫碳為主體。
美國主要是要提高能源電力的供應品質。美國的能源是相對飽和的，但電力穩定性差，兩次大停電都出現在美國，一次是90年代末期，一次是2020年。美國的電力穩定性只盯著醫院、商場和大數據中心。
韓國主要做燃料電池、汽車。
中國做氫能源，主要是提高能源的品質。如何大規模利用可再生能源，讓我們的能源低碳化，這是我們國家要做的事情。
世界上不缺氫。統計顯示，去年年底為止，一年生產的氫超過7500萬噸。中國目前是世界上最大的制氫大國，產能3353萬噸，主要用在石油、化工和做肥料方面。氫作為能源，特別是在交通領域，占比小于0.1%。
現在的輿論都天天喊綠氫，綠氫是電氫，電氫的成本在目前階段是比較高的。目前為止不要放棄化石能源的制氫，歐洲是天然氣制氫為主體，占了90%，中國是以煤制氫為主體，這個不要放棄。
中國煤制氫的過程里，為什么大家反對呢？主要是二氧化碳的問題。從前年開始，雙碳目標下到各個地市，大家都知道很緊張。榆林市、寧東化學園區，指標一下來時，大家都紛紛在采取措施。
俄烏戰爭時，百萬噸的二氧化碳的工程全國超過了9個。有的是自發的，煤制氫加SOEC共超過了綠氫。
高溫固體氧化物電解制氫技術具有獨特優勢。有質子膜制氫技術，有電子槽制氫技術，但是耗水費電，影響到了經濟性。
SOEC溫度高、效能好，不需要貴金屬。因為是高溫，可以把二氧化碳消納掉。我們國家的主要問題是消納二氧化碳，這個問題不單單是中國，歐洲、美國都在做。
美國正式公布SOEC產品，德國已經做出了2.6kw的系統，正在試運行。TopsoeA/S是全球化工的領導者，它也在做。
燃料電池
加氫站的問題。大家知道鄂爾多斯也在做，鄂爾多斯、包頭、呼和浩特，我們想形成一個圈。2020年中石化說五年以內要建1000座加氫站，國家電網等一批企業，都在紛紛加入，地方政府也在加入。疫情雖然影響了它的進程，但仍有企業繼續。
輸供氫
輸供氫方面現在主要還是以壓縮氫氣的方式進行儲存和運輸，這個方面我們還要進一步地做，里面有很多技術。儲運方面，液氫的成本太高，目前只能做到航天才用得起。
氫在利用過程中，主要是以燃料電池作為轉化方式。氫如果是燒，因為是二次能源，熱值比天然氣低，純粹去燒氫，不是我們的目標。氫的轉化方式是燃料電池，這是因為燃料電池的轉化效率高。
目前燃料電池一個是質子膜燃燒電池，一個是固體氧化物燃料電池。國內底層的是質子膜的燃料電池，工作溫度比較低，80多度，所以就要用催化劑，把它的活性激化，讓它效率變高。為什么五年有人說以前質子膜燃料電池不宜建得太多。
最近幾年我們國家的質子膜的燃料電池，通過吸引、消化、吸收，技術在不斷提高。我們的膜電極和碳質，跟國際上的差距在縮小，某些性能指標還會好一些。這幾年燃料電池在我腦子里的觀念，也在發生變化。
固定氧化物燃料電池是用陶瓷膜，工作溫度現在在800度左右，溫度高了以后，它只吃粗糧。現在美國在這個方面做得比較多。國內的話，領導人接觸的是質子膜，所以質子膜推動比較快。現在很多人反過來搞固體氧化物，也比較熱。
氫燃料電池車
去年年底全世界已經生產了67315萬輛，世界是乘用車為主，中國是商用車為主。重卡去年超過了2000輛，燃料電池車推動的問題，發現燃料電池退出推動商務車外，另外一個是重卡，靠動力電池做不大，停和加速過程中電池衰減太大。我說第一個切入點是重卡，現在二汽、沈汽、濰柴做重卡。應該說中國的山東省除了質子膜在推廣外，現在固體氧化也在進一步推。
降本求進
關于世界上的氫能，一個是在中國，原因是煤制氫的成本降低了。一個是在日本，日本在福島事件以后，北部地區嚴重缺電。福島事件以后，日本制定了兩個法規。第一個公共場所的溫度從以前的23度調高到28度，公共場所的公共活動不要求帶頂蓋。能源燃料電池的發展，中國和日本是最熱的。
關于氫的問題，一個是成本，一個是安全。到目前為止，都沒有全部解決。所以2016年美國、日本、澳大利亞提出了氫能源2.0時代。它們說，解決不了，就用氯胺。它們提出氯胺，以前澳大利亞生產氫，現在是生產氨。
生產氨，運到東京或阿拉斯加做示范。我們國家聯合中東一批石油大亨做。我們在寧夏、福州紛紛提出這些計劃，想把它用于卡車和船舶。我們這個地方，有很多煤化工，今后是可以討論的。
摻氫沒問題，上世紀80年代中國就搞了。通過一些實驗，是可以做到的。剛剛講了重卡的問題，船舶的問題，我們已經銷售了2000多輛重卡，重卡可以形成千億市場。船舶也在用，我們做油車，做萬噸級的大船，部隊里還想做潛艇。
目前來講，國內的關鍵材料的國產化問題，就是質子膜。從3000元降到2000元，一個半月以前日本豐田的技術總監和我交流，它做到了300多塊錢。所以我們搞氫的燃料電池質子膜，研究的空間還很大。
固體氧化物燃料電池，一定要降一半價格，今后才有市場。鍍膜成本大幅降低，把單電池成本降下來以后，在十四五期間降一半成本是有可能的。我們希望固體氧化物的燃料電池的壽命是10萬個小時。
我們認為現在提3萬個小時是有希望。為什么提3萬到4萬個小時，主要是替代發電的問題，10萬個小時，跟煤電廠的8萬個小時就可以配置。
這需要國家的頂層設計，現在國家能源局局長到不同的場合講這個方面。
第二，國家應急部已經在組織專家，關于氫的安全標準。因為現在是作為危害化學品，能不能做出標準，現在在組織論證。
第三，中央要求金融資本進入，但實際上喊得多，進得少。現在有很多基金投，投的力度不大。
第四，國有資本有序進入，而且要加大力度進入。因為靠高校、創新型企業，折騰不起。
第五，建立起氫能源基礎設施關鍵技術與核心裝備自主化的長效機制。
3 鄒建新 上海交通大學教授
鄒建新：我們一直在鎂基固態儲氫材料方面開展研究，它是一種輕量化材料，在輕量化方面實現節能減排。我們發現鎂能和氫結合，一個鎂帶兩個氫原子，儲氫量最高，所以我們就進行了研發和應用。
下面匯報一下我們在前期研發過程中的一些成果，我從三個方面進行介紹。首先是應用背景，儲能是清潔能源，能源是實現碳中和的必要途徑。
我們認為保守估計，氫能在未來5到10年就能實現10%，未來甚至能到18%。在不同的能量等級，比如千瓦級，在備用電源、家庭熱點聯用獲得應用。
MW級是電站和工廠、社區獲得應用。在特別大的時候，它可以實現風光等可再生能源的大規模存儲，氫在將來有廣泛的應用。
上海交通大學成立了氫研究中心，氫作為一個原料，在化工當中會獲得應用，在能源當中會獲得應用，甚至在健康、農業等方面都會獲得應用。我們可以看到市場有吸氫機、有氫的保健品等等，它可以對人體健康產生非常好的作用。
所以氫未來的應用場景非常廣闊，但是目前氫的儲運是氫能發展的瓶頸。我們制氫和用氫可以達到非常大的規模，甚至達到萬噸級。但是儲運方面，管道沒有大規模實現情況下，現在很多氫儲運靠長罐拖車，單車運輸300公斤，這個運輸能力非常低，只能在示范過程中獲得應用。我們研究鎂基儲運材料，是基于它的很多優勢。
鎂的特性
首先是鎂有一個資源優勢，我們國家的鎂占全球產量的90%以上，因此會成為我們發展鎂基固定儲氫材料的基礎。在鄂爾多斯也有大型的鎂材料、鎂合金生產基地。
第二，性能優勢，儲氫量最高是7.6%，儲氫密度可以達到每升110克，比液氫高1.5倍。在儲氫罐體當中，氫是固化在鎂材料，罐里的氫氣態非常少，運輸過程中非常安全。氫在鎂當中可以以多種方式進行釋放，它進入鎂材料之后，可以通過加熱和水解的方式，把氫釋放和置換出來。
第三，技術優勢。它在釋放氫的過程中純度非常高，因為這是一種固態材料，不會有雜質和鎂發生化學反應，可以實現高純度釋放。放氫反應比較簡單，副產物很少，控制性良好。
第四，環境優勢。這個材料循環多次，我們在實驗室可以實現3000次循環，這個材料可以循環利用，去掉雜質，可以實現高效的材料回收。
在吸放氫過程中，也存在很多問題，前期我們進行了研究。鎂是一個活潑金屬，表面上容易形成氧化氫，對氫的進入和釋放不利。我們研發了新技術，在鎂表面形成催化位點，氫可以很快進入和釋放。這樣我們生產的材料在空氣中放置，長時間放置的話，吸氫的時候，不需要活化。首次就可以是6.4%以上的吸氫量。
鎂材料在吸放氫過程中會長大，在循環過程中，在比較高的溫度下，甚至在300度以上。鎂顆粒很容易膨脹粉化，甚至燒結，這樣降低吸放氫的容量和速度。這個時候我們引進穩定的第二項材料，分隔鎂顆粒，鎂在循環時就不會粉化、連接、長大，循環性可以保持得非常好。
在實驗室我們實現了小批量材料以后，在材料測試平臺，裝入小型罐體進行測試。這個測試是對材料的檢測，同時也是對未來材料大規模使用時，要進行很多模擬優化工作。因為鎂在吸放氫過程中會產生很多熱量，如果不能把熱量及時導入導出，會大幅降低儲氫系統的動力性能。
我們通過小型罐體，測試它的熱物性參數和吸放氫過程中的性能變化，還有對大型罐體的測試和優化。
我們首先要把這個材料生產出來，在前期研發基礎上，我們現在已經可以量產鎂基儲氫材料。
第一是氫化鎂粉末材料，可以批量生產出來，年產能力是10噸，以水解方式來產氫，可以長期保存。主要用于備用電源、無人機方面。
第二個是多恩空鎂基儲氫顆粒，這個固體材料做大時，不能以粉末形式在大型罐體中，同時為了提高動力學性能，要做成多恩空結構。目前能實現儲氫密度大于6%，循環使用壽命大于3000次，對雜質氣體不敏感，可以去掉這些雜質氣體。
這是我們在實驗室里建立的氫能耦合模型，對大型罐體進行了測試，單罐75公斤級。通過氫能耦合的模型設計，對吸放氫過程，對罐體結構進行了優化設計。
現在我們通過第三方檢測，在12小時之內吸氫量75公斤，12小時放氫量75公斤。我們單罐可以存儲1.2噸鎂合金材料，這樣把12個罐體組合成一個固體儲運氫車，這是40尺的集裝箱，最大儲氫量是1噸，鎂合金是14噸左右。
鎂基固態儲氫會發出很大的作用，它可以實現長期、高效、安全的存儲。未來會在氫能源利用中發揮出非常大的作用。
最后是丁院士的一句話，輕氫之鎂，創新栽培。鎂材料非輕，和氫有非常好的結合，未來需要通過很多創新，通過示范應用，未來能夠在新能源中發揮出它的作用。以上是我的匯報內容，謝謝大家。
