黃其勵院士：新能源和氫能是一對情侶
來源：原創(chuàng) 2023-07-04
為繁榮氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)，推動氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，6月28-29日，2023氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽首場預(yù)賽于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市隆重開賽。
來自全國各地的專家學(xué)者圍繞著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及鄂爾多斯產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展方向進(jìn)行探討，中國工程院院士黃其勵圍繞《氫電耦合支撐我國新型能源系統(tǒng)建設(shè)》做主旨匯報。開幕式由中國氫能聯(lián)盟副秘書長、同濟(jì)大學(xué)教授馬天才主持。
下面就黃其勵院士及彭蘇萍院士進(jìn)行觀點整理：
1 黃其勵 中國工程院院士、國家電網(wǎng)公司顧問、國家能源集團(tuán)電力領(lǐng)域首席科學(xué)家
1967年6月17日我們成功爆炸了第一顆氫彈，它的唯利是原子彈的500倍，成為了世界第四個擁有氫彈的國家，我們走向了軍事強(qiáng)國的道路。
今年6月份，深圳大學(xué)和四川大學(xué)謝和平院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，和中國東方集團(tuán)一起研制成了海水無淡化原位直接制氫，并且在海東海事平臺實驗成功，運行效果非常良好。
今年的4月份，中國人造太陽工程在安徽中科院一所，經(jīng)過了12萬次的實驗努力，實現(xiàn)了在電子溫度1億度的情況下，這個設(shè)備安全穩(wěn)定408秒，時間看起來很短，但起步時都是這樣。將來為各種科學(xué)研究進(jìn)一步降低經(jīng)濟(jì)學(xué)，完全核聚變這個重大的人類工程創(chuàng)造了條件。
我們可以設(shè)想未來占75%的海洋的海水，通過無淡化的制氫，可源源不斷的制出氫氣，通過核聚變可以產(chǎn)生巨大的能量。如果說一升海水里的氫的同位素是氘和氚，它們通過核聚變發(fā)出的能量將等于22升的汽油，將來我們的氫大有作為，將來是氫能時代。將來我們要腳踏實地，一步步從現(xiàn)在做起，邁向美好的未來。
五條途徑
由于氫能非常重要，所以世界其他國家都制定了中期和長期的氫能發(fā)展規(guī)劃。黨的二十大報告指出構(gòu)建新型能源體系，確保能源安全。實現(xiàn)這樣一個偉大的、劃時代的第二個百年目標(biāo)，有很多途徑。歸納起來有五條道路。
第一條道路，就是風(fēng)、光、水等清潔能源為支撐的二次能源，實現(xiàn)高度電氣化。
第二條道路積極發(fā)展綠色氫能，綠色氫能是一個有多種功能的東西，它是能源，也是資源。它像能源的一個海綿，可以吸納，可以擠出能源來。為將來能源高比例、大規(guī)模的發(fā)展，提供了吸納的作用。為新能源發(fā)展提供柔性護(hù)航，同時支持一些難減排的領(lǐng)域，能夠部分替代煤炭、石化、天然氣等等，發(fā)揮出重大作用。
第三個途徑是提高全社會的綜合能效。我們國家的能效比較低，平均能效等于全世界平均水平的1.4倍，是發(fā)達(dá)國家的3倍到4倍。我們要提高能效，把能源轉(zhuǎn)型看作小數(shù)算數(shù)題，分母就是消耗的能源，這個是總量，我們要設(shè)法降低總量。
第四，發(fā)展以柔性電網(wǎng)為樞紐的新型電網(wǎng)系統(tǒng)。
第五，實現(xiàn)以煤為總的基本國情，實現(xiàn)煤炭的清潔、高效、低碳和多元應(yīng)用。
發(fā)展綠色氫能
氫能可以說是各種能源的橋梁，各種能源通過電都可以變成氫，氫又通過一些方式可以變成各種能源和物質(zhì)，所以它是一個橋梁定位。
它可以平移和吸納新能源的波動，部分替代化石能源。它和煤炭一樣，不但可以當(dāng)燃料使用，還可以當(dāng)做資源利用，代替部分煤炭。另外氫能可以部分代替油氣，我們國家的油氣進(jìn)口依存度，油是74%，氣是40%。也就是開車的四個輪子，有三個輪子靠中東地區(qū)的石油，能源安全岌岌可危。
新能源和氫是一種情侶關(guān)系，可以支持新能源的發(fā)展，同時自己也能得到發(fā)展。提升能源利用效率，打造以氫能為橋頭堡的可再生能源，加上電力系統(tǒng)的能源體系。
以氫能作為長周期的儲能介質(zhì)，降低供電成本，提高吸納能力。我們實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型有一個能源三角形，能源保供、能源轉(zhuǎn)型和國計民生。這個能源不可能三角形，氫能在其中將起到非常大的作用。
氫能的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，將為能源全領(lǐng)域的體系自主化，提供一個很好的機(jī)會。因為氫能屬于技術(shù)密集的高科技行業(yè)，行業(yè)鏈長，關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)多，從制氫到用氫，實現(xiàn)氫能的核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、重要原材料的自主化，很重要。展望將來，事情更多，比如如果能實現(xiàn)高溫超導(dǎo)，效率可以提高6%。
氫能現(xiàn)在的作用可以說暫時起到了支撐和調(diào)節(jié)的作用，支撐能源轉(zhuǎn)型，未來可以成為國家能源體系的重要組成部分。再未來的未來，它可能和核聚變一起成為我們國家的能源。
氫電是一對兄妹，過去談一個國家的進(jìn)步用電氣化率為主，所以列寧曾經(jīng)說過，蘇維埃加電氣化等于共產(chǎn)主義。我們國家的電氣化率是27%，這兩年做能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略規(guī)劃，到2026年電氣化率達(dá)到60%到70%。
電氣化率不僅是現(xiàn)代化社會和生活的象征，而且電氣化率每提高1個百分點，可以使GDP單位能源下降5個點。現(xiàn)在又有新秀出現(xiàn)了，可以說氫電這兩個新老朋友或新老戀人的結(jié)合，將是建設(shè)新型能源系統(tǒng)的關(guān)鍵。
它可以助力可再生能源的能源安全，因為新能源靠天吃飯，它可以幫它的忙，而自己又不受任何損失。不像火電，火電自己會受損失。助力中國成為可再生氫的貿(mào)易樞紐，我們國家在沙漠、戈壁建立了可再生能源群，4.6億千瓦的風(fēng)電和太陽能，通過特高壓輸向東部和東南海，今年的特高壓輸電批準(zhǔn)了5條，明年還要繼續(xù)建設(shè)。
氫電耦合的三個方向
氫電耦合等于吃螃蟹，敢于創(chuàng)新的企業(yè)很多，因為它可以支撐儲能功能。比如在發(fā)電高峰期和用電低谷時，分別吐故納新。以氫為衍生體，為能源存儲介質(zhì)，和其他儲能，像電儲能、熱儲能、電容儲能等等配合起來，共同起著為能源轉(zhuǎn)型保駕護(hù)航的作用。
可以理解是三個方向，電到氫、氫到電和電氫電，這個戀人永遠(yuǎn)手牽手在一起。
應(yīng)用場景之一，電氫單向耦合
在需求側(cè)電氫單向耦合，以綠色氫能為燃料，為氫能車、重卡車和河流船舶提供動力。在西北、東北、東南、中南等公交車、物流車、重卡車來布局氫能燃料車的示范。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院的預(yù)測，到2030年交通用氫折算用電約1650億千瓦時，對應(yīng)的電解裝機(jī)4000萬千瓦。在需求側(cè)的工業(yè)場景，將綠色氫能作為原料，去替代灰氫和煤炭的工業(yè)應(yīng)用。
圍繞大型化工基地和冶金工廠開展應(yīng)用，以鄂爾多斯寧東、榆林等大型能源化工基地和以河北、山東、江蘇鋼鐵生產(chǎn)基地為核心進(jìn)行應(yīng)用。鄂爾多斯愿望很大，志愿做中國的氫都。
應(yīng)用場景二，電氫的電氫耦合
電氫的電氫耦合，應(yīng)用模式是新能源變成電力，電力的波動用氫能保護(hù)，進(jìn)行一個單向轉(zhuǎn)化，使得能源在出力高和負(fù)荷低時，發(fā)電和制氫雙向功能，平衡這個波動。還有一個是電網(wǎng)調(diào)峰，當(dāng)前電網(wǎng)運行最大的短板就是調(diào)峰能力不夠，我們的調(diào)峰能力僅占總裝機(jī)能量的3%到4%，國外一般在12%到13%。
我們可以用孫悟空的72變，耦合核電、火電，作為調(diào)峰工具。用于全國火電、核電和調(diào)峰機(jī)組，它的調(diào)峰，如果是未來的火電、核電，是1.6億到1.74億千瓦，按照一定比例配置儲能的話，規(guī)模能達(dá)到1106、6960和8700萬千瓦。風(fēng)光儲能，用于電源側(cè)，有很大好處，可以進(jìn)行大力發(fā)展。
應(yīng)用場景三，氫電單向耦合應(yīng)用
可以做到發(fā)電頂峰，通過電站的協(xié)同，在負(fù)荷高峰期，像歐洲、美國的問題不突出，就是以天然氣為主，天然氣發(fā)電調(diào)峰能力非常強(qiáng)，靈活機(jī)動，我們這方面屬于貧氣的國家。
它的規(guī)模能力還是很大的，根據(jù)電網(wǎng)發(fā)電的需求進(jìn)行規(guī)劃。另外還可以備用應(yīng)急，當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模的天氣異常時，長期的雨季或極熱無風(fēng)，可以應(yīng)急，以燃料電池的方式發(fā)電就可以解決這些問題。
耦合的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢
氫電耦合的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，由科技部梳理出55個方向，我們國家2項領(lǐng)跑，19項并跑，其他是跟跑。像車載III型瓶、燃料電池系統(tǒng)、空壓機(jī)的差距在快速縮小。
氫能的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件還需要應(yīng)對很多挑戰(zhàn)，需要有更大的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，以及產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)步。無論是質(zhì)子交換膜還是貴金屬催化劑，我們國家都需要加大開發(fā)。我們能夠上天，能夠入海，那么陸地上的燃?xì)廨啓C(jī)不應(yīng)該成為問題。
耦合的關(guān)鍵技術(shù)一個是電解水，從技術(shù)角度而言，取決于制氫的電耗、設(shè)備成本和壽命，這個三角形也有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。堿性電解水制氫的關(guān)鍵在于提高電流密度，降低制氫電耗。
質(zhì)子交換膜電解水制氫的關(guān)鍵，在于綜合提高和優(yōu)化三者功能。電解水制氫，無論是堿性電解水還是質(zhì)子交換膜，這里有各種制約因素和突破要點，需要在實踐中去解決。在未來我們的重點任務(wù)就是高效、長壽命、低成本和突破電解水制氫技術(shù)。
第二個關(guān)鍵技術(shù)是燃料電池，燃料電池可以實現(xiàn)大功率、長壽命、高性能，質(zhì)子交換膜和堿性燃料電池的研發(fā)。我國氫燃料電池產(chǎn)品功率已超過了200千瓦，部分達(dá)到了250和300千瓦以上，使用壽命大于20000小時，系統(tǒng)成本2000到3000元每千瓦，具有一定的競爭性。
將來要需要更低成本、更好經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，以利于這些技術(shù)的全面發(fā)展。不光是電廠，各個企業(yè)，甚至每一個居民樓都可以安裝燃料電池，來作為備用。
第三，另外是可再生氫耦合煤化工技術(shù)。通過石油化工和煤化工，以及能源化工和多能耦合，來突破芳烴、含氧化合物、特種油品和化學(xué)品低碳新技術(shù)。
第四，摻氫和純氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，也是不可缺少的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，它和天然氣一樣，具有很快的啟動、調(diào)節(jié)和變化負(fù)荷能力。可以作為發(fā)電產(chǎn)業(yè)中靈活、低碳的重要選擇。國外的西門子、三菱和通用電氣進(jìn)行了全面布局。
我們的重點任務(wù)是進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與燃燒器設(shè)計開發(fā)，因為它效率越高，溫度越高，達(dá)到1400度，沒有任何金屬可以承受1400度。它的葉片需要很復(fù)雜的內(nèi)部冷卻，這個工藝比較復(fù)雜.
第五，然后是煤摻氨發(fā)電技術(shù)，日本也開始研發(fā)，成功示范了20%燃煤摻氨發(fā)電項目。國家能源集團(tuán)燃煤技術(shù)燃燒35%的比例，在40兆瓦的鍋爐上實現(xiàn)了應(yīng)用，這個成果由我當(dāng)組長進(jìn)行的鑒定，今后還要繼續(xù)研究，來實現(xiàn)大型化。
第六，儲運、標(biāo)準(zhǔn)和安全有關(guān)制度建設(shè)，支持氫電耦合安全經(jīng)濟(jì)靈活發(fā)展。
氫電耦合技術(shù)的研發(fā)，使項目盡快落地，我問了一下，華電投資公司打造專業(yè)化平臺很不錯，而且盈利也非常好。他們也表示，可以拿出一部分錢來支持下一步技術(shù)和產(chǎn)業(yè)研發(fā)。這里有很多研發(fā)項目，安徽6兆瓦示范區(qū)，寧波也有。
還有海上風(fēng)電，臺灣海峽可以使得海洋風(fēng)電年運營小時4000小時以上，數(shù)倍相當(dāng)于煤電，這相當(dāng)于搖錢樹。謝院士搞了海水無需淡化制氫，在3到8級風(fēng)，0.3米到0.9米的真實環(huán)境下運行，制氫純度達(dá)到了4個9，經(jīng)過了組織和專家的認(rèn)定。
實現(xiàn)氫電協(xié)同發(fā)展，有很多的方面可以細(xì)談。歸納起來無外乎把55項中的弱點，屬于跟跑、并跑和落后的技術(shù)研發(fā)要加強(qiáng)，加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新。因為這是一個創(chuàng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，任何一個單位都不可能獨善其身、獨當(dāng)一面，需要產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新。還有產(chǎn)業(yè)示范，還有產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和示范管理、電力市場等等方面，都需要協(xié)同發(fā)展。
