2023年9月13-15日，中國(西部)氫能大會(簡稱“WCHC”)在陜西省榆林市召開。中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高在會上發(fā)表了題為“雙碳目標下全球能源轉(zhuǎn)型與儲能、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策展望”的演講。

 

　　歐陽明高院士在演講中指出：

 

　　氫儲能可以實現(xiàn)能量季節(jié)性轉(zhuǎn)移，未來10%的可再生能源要通過長時儲能解決，主體就要氫儲能。10%是多少呢?到2060年，中國需要1.5萬億度電的長時儲能， 2060年中國全社會用電量大概是17萬億度，占比9%。

 

　　氫儲能會是今后的主流儲能方式，因為儲能的規(guī)模和周期都是壓縮空氣和抽水蓄能無法相比的，電化學儲能就更不行了。

 

　　制氫將成為中國氫能的優(yōu)勢，氫儲運仍是薄弱環(huán)節(jié)，但是有很多選擇。實際上，儲氫是氫能相比電池最大的優(yōu)勢。當下，電池儲電至少需要1000元/度，1kg氫需要33度電，這些電用電池儲存需要3.3萬元。1kg氫如果用一個10MPa的高壓容器儲存，最多需要100多塊錢，差1～3個數(shù)量級。儲氫貴是指車端，車下儲氫跟電池儲電相比要便宜幾個數(shù)量級。

 

　　以下是演講內(nèi)容，香橙會研究院做了編輯處理。

 

 

中國科學院院士、清華大學教授、國際氫能與燃料電池協(xié)會 理事長 歐陽明高

 

　　尊敬的各位領導、各位院士、各位專家，大家上午好!

 

　　我今天匯報的題目是《綠色氫能研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進展及技術(shù)展望》。重點介紹我們在氫能領域做的一些工作，以及相關行業(yè)進展。

 

　　第一部分：燃料電池的商業(yè)化

 

　　2022年中國氫能汽車的銷量是3000多輛，今年上半年有所增長，銷量最多的省份是陜西省，陜汽控股今年上半年燃料電池卡車銷量是400多輛，全國排名第一。

 

　　另外氫車車型也在全方位擴展，原先主要是客車，現(xiàn)在各種卡車都有。而且燃料電池發(fā)動機企業(yè)非常多，市場占有率也在不斷增長，去年億華通市占率超過20%，排名第一。

 

　　在清華和億華通燃料電池體系的研發(fā)，是從燃料電池汽車開始的。最開始做燃料電池動力系統(tǒng)與控制，發(fā)動機是外購的，后來自主研發(fā)燃料電池發(fā)動機;電堆是外購的，后來開始研發(fā)電堆;膜電極是外購的，現(xiàn)在膜電極都是國產(chǎn)化。

 

　　現(xiàn)在來看，經(jīng)過20年的發(fā)展，氫能已經(jīng)形成全產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。

 

　　成本：現(xiàn)在整個燃料電池系統(tǒng)成本，已經(jīng)在快速下降。去年降到3000元/kW，今年已經(jīng)降到2500元/kW左右，還會持續(xù)下降。到2025年估計會降到1000元/kW，2030年會降到500元/kW。

 

　　效率：燃料電池電堆額定效率是60%，氫內(nèi)燃機的效率大概40%多，加上發(fā)電機效率一般在35%～40%之間，燃料電池整體效率要進一步提升到60%，60%的效率也意味著氫耗會大幅下降也就是成本大幅降低，但這還有一段路需要走。

 

　　壽命：氫燃料電池系統(tǒng)壽命方面，現(xiàn)在是20000小時左右，2025年預計能做到25000小時，到2030年我們預計達到30000-35000小時。

 

　　第二部分：綠氫的制備

 

　　到2030年，電解水制氫市場估計能到100GW。中國是全球最大的氫氣生產(chǎn)和消費市場，中國的電解水制氫在全球具有成本優(yōu)勢，將來有可能成為繼光伏、鋰電池、電動汽車這三個新能源產(chǎn)品之后的第四大出口產(chǎn)品。

 

　　我們團隊也進入電解制氫環(huán)節(jié)，目前有三種技術(shù)路線：固體氧化物電解、質(zhì)子交換膜電解、堿性電解，這三種技術(shù)都有研發(fā)，也都在進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，目前最具潛力、最現(xiàn)實、成本最低、壽命最長、最有中國優(yōu)勢的還是堿性電解。現(xiàn)在訂貨量(大規(guī)模)100GW以上都是堿性電解，其他技術(shù)路線雖然在試用，但還有很多問題(成本、壽命等)。

 

　　當前大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化制氫主要是堿性電解水制氫。目前國內(nèi)堿性制氫缺乏體系和標準，現(xiàn)在國內(nèi)使用的是以718研究所為代表的，上個世紀50年代從蘇聯(lián)引進的制氫的技術(shù)。氫能行業(yè)以前需求小，所以就一兩家企業(yè)在做，現(xiàn)在行業(yè)起來了，需要急劇的技術(shù)提升和變革。

 

　　行業(yè)快速發(fā)展的同時也面臨很多問題，包括電極的衰減、鍍層脫落、隔膜磨損、密封失效、效率衰減大以及維修不便等等。

 

　　堿性電解水額定效率不高，目前效率只有50%多，主要存在兩個問題：隔膜和催化劑。通過改進隔膜和催化劑，可以把額定效率提升到75%以上(低熱值)，額定電流可以達到10000安培。

 

　　最好是可以不用或者少用貴金屬。隔膜是核心材料，決定阻抗大小、效率高低。對于隔膜研發(fā)，有兩種選擇路徑，一是陰離子膜，一個是離子溶劑膜。更看好離子溶劑膜，這是未來的發(fā)展方向，所以堿性電解水路線還有很大的技術(shù)研發(fā)潛力。

 

　　第三部分：綠氫儲運和加注

 

　　氫氣的儲存有多種技術(shù)路線：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，近期比較火的是固態(tài)儲氫，固態(tài)又分很多種，液態(tài)儲氫有液氫、甲醇、甲酸、甲苯等。儲氫的關鍵是成本，這里指平準化儲氫成本，也就是全生命周期總投入和儲氫循環(huán)的總量來算成本，但固態(tài)儲氫目前還在自研階段，成本無法計算。

 

　　目前高壓容器儲氫成本最低。液態(tài)儲氫發(fā)展最好的是液氨儲氫，氨的儲氫量大，1立方米能儲120公斤氫氣，液氫液化可以儲存50公斤，液氨儲氫比液氫高出1倍多，而且氨基礎設施完備，所以大規(guī)模、長距離的儲運將來都是氨。

 

　　車端儲氫目前都是35MPa氫瓶，這個仍然是主流技術(shù)，中期突破的可能較小。下一步是提高氫瓶壓力，目前70MPa氫瓶較貴，儲氫價格在6000～7000元/公斤。降低氫瓶成本的核心材料是高強度碳纖維，需要材料國產(chǎn)化才能把價格降下來。

 

　　從運氫的角度看，如果氫氣價格是11元/kg，拖車是20MPa，100km需要10元,加氫站費用10元，到最終加到車上大概30元。如果儲運壓力提到50MPa，單車運氫可接近1噸，運輸成本會大幅下降。如果長距離(1000公里)運輸，量比較小的時候，輸電更加劃算，1000公里8分錢/度電，超高壓輸電更有優(yōu)勢，將來如果大規(guī)模、長距離輸氫管道更具優(yōu)勢。

 

　　第四部分：氫系統(tǒng)集成和氫儲能

 

　　氫能系統(tǒng)集成的技術(shù)挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)和多元化，從可再生能源到終端應用，包括制氫、轉(zhuǎn)化、儲存、運輸、加氫和應用，每一個環(huán)節(jié)都是多元化的。和電動汽車和動力電池不一樣，氫能沒有統(tǒng)一的標準，環(huán)節(jié)又比較多，所以必須要選擇，沒有統(tǒng)一的模式和標準的解決方案，就只能因事制宜、因地制宜，國情決定路線，場景定義產(chǎn)品。

 

　　氫系統(tǒng)集成：現(xiàn)在大的制氫公司往往都要50個、100個電解槽(1000方)，這100個怎么集成，全世界都沒干過。這里面有控制問題、安全問題、化工問題等一系列問題，這也是我們現(xiàn)在做的工作，比如現(xiàn)在在做仿真平臺，多槽混聯(lián)，有實驗的、有構(gòu)型方面、還有控制運行策略的等。

 

　　氫儲能：就是利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力來大規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來，然后再在電力輸出不足時利用氫氣通過燃料電池或其它方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)，發(fā)揮電力調(diào)節(jié)的作用。氫儲能會是今后的主流儲能方式，因為儲能的規(guī)模和周期都是壓縮空氣和抽水蓄能無法相比的，電化學儲能就更不行了。

 

　　可以在東部發(fā)展氫儲能，比方分布式氫儲能，就是用燃料電池發(fā)電。氫儲能是除了氫動力和氫原料，用于化工和鋼鐵之外的最大用途，也是未來新型電力系統(tǒng)重要支撐。

 

　　氫儲能需要把氫能全產(chǎn)業(yè)鏈集成，一個環(huán)節(jié)都不能落下，這是最難的。首先瓶頸在制氫系統(tǒng)成本和發(fā)電成本，對于發(fā)電有多種選擇：燃料電池、氫內(nèi)燃機以及摻燒鍋爐，現(xiàn)在主張在國內(nèi)光伏風電基地旁邊調(diào)峰煤電廠用摻氫燃燒的方式發(fā)電。

 

　　現(xiàn)在煤電廠都在發(fā)展靈活改造，在低負荷的時候，煤燃燒是不穩(wěn)定的，通過摻氫的方式可以解決這個問題。

 

　　這是我們做的一個計算分析。在風光富足的時候制氫，圖中紅色的鍋爐還沒發(fā)電，摻入20%氫，二氧化碳會降低40%。

 

　　氫儲能可以實現(xiàn)能量季節(jié)性轉(zhuǎn)移，未來10%的可再生能源要通過長時儲能解決，主體就要氫儲能。10%是多少呢?到2060年，中國需要1.5萬億度電的長時儲能， 2060年中國全社會用電量大概是17萬億度，占比9%。

 

　　第五部分：總結(jié)

 

　　中國氫能源技術(shù)發(fā)展的階段性特征是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立，燃料電池系統(tǒng)的成本在快速下降。

 

　　燃料電池汽車的問題是儲氫系統(tǒng)較貴。60kg氫35MPa的儲氫系統(tǒng)，大概30-40萬元。燃料電池成本下降的快，儲氫系統(tǒng)成本降的偏慢，是制約氫車發(fā)展的一大障礙。

 

　　氫能交通逐步發(fā)展到氫燃料、氫化工、氫冶金、氫發(fā)電、氫儲能，氫能交通是氫能的先導，不是主體。氫能交通占整個氫能產(chǎn)業(yè)的20%，80%應用是在其他領域。

 

　　制氫將成為中國氫能的優(yōu)勢，氫儲運仍是薄弱環(huán)節(jié)，但是有很多選擇。實際上，儲氫是氫能相比電池最大的優(yōu)勢。當下，電池儲電至少需要1000元/度，1kg氫需要33度電，這些電用電池儲存需要3.3萬元。1kg氫如果用一個10MPa的高壓容器儲存，最多需要100多塊錢，差1～3個數(shù)量級。儲氫貴是指車端，車下儲氫跟電池儲電相比要便宜幾個數(shù)量級。

 

　　氫的一切都是成本問題，也就是經(jīng)濟性問題。為了解決氫的成本問題，比方說加氫站，未來加氫站站內(nèi)制氫就是低成本的方案之一，現(xiàn)在已經(jīng)有很多氫氣制取沒有在化工園區(qū)進行。當電價是0.15元/度時，綠氫具備經(jīng)濟性，但是加上過網(wǎng)費后(0.35元/度)就不具備經(jīng)濟性，總的來說電價要低于0.2元/度。

 

　　氫儲能可以通過去掉過網(wǎng)費或者離網(wǎng)制氫，不去網(wǎng)上取電，直接光伏發(fā)電離網(wǎng)制氫。氫儲能對電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，所以制氫的時候電價低，放電的時候有容量電價、調(diào)峰電價，因此電價很高，可以賺取差價。

 

　　車載儲氫瓶很貴怎么辦?70MPa的氫瓶大概需要50萬元，而一輛柴油車總共不到50萬元。學習換電卡車的方式，換氫瓶不賣氫瓶，氫瓶壽命可達1000萬公里，我們也在探索換氫瓶模式。所以需要通過技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新來解決綠氫的經(jīng)濟性問題。

 

　　從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈看，已經(jīng)基本具備產(chǎn)業(yè)化的條件。氫能有戰(zhàn)略價值，但是現(xiàn)在要發(fā)揮它的商業(yè)價值，沒有商業(yè)價值，技術(shù)會很難進行下去，而商業(yè)價值的核心就是性價比，關鍵是綠氫的成本。要以富余綠電資源低成本制氫為源頭推動，以多元化場景應用為龍頭拉動，這樣來帶動綠色氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。