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PPT丨干勇院士:中国氢能发展的几点思考

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2020/7/24 15:00:45 我要投稿

北极星氢能网讯:前言:北极星氢能网获悉,干勇院士在题为《中国氢能发展的几点思考》的演讲中提到:2050年氢在我国终端能源体系中占10-15%;部分地区绿氢成本可达200元/公斤以下;膜电极的发展目标;开创氢能重卡时代;固态储氢在氢燃料电池汽车中的应用有独到之处等内容。

7月24日,中国石化邀请国内氢能领域顶级院士、专家进行研讨,召开“氢能发展战略研讨会”,中国工程院院士,中国工程院原副院长干勇作题为《中国氢能发展的几点思考》的演讲。以下为嘉宾演讲内容:中国工程院院士,中国工程院原副院长干勇:非常高兴今天大家一起交流一下中国氢能的发展。氢能发展我们做了很多论坛和研究,各地区搞了很多规划,所以这里我有几点思考,主要谈谈几个想法,有五个方面。

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2050年氢在我国终端能源体系中占10-15%

第一,我国发展氢能产业的可行性。

国际氢能领域快速发展,美国、日本、欧盟、韩国在2030、2050有一定的规划,特别是美国和日本国家的氢能战略已经出来,而且欧盟最近动作很快,在各种指标和氢能利用上做出最好的样板。

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第二是国内发展的供应现状和趋势。

普华永道2020年《绿氢的黎明》报告里面预计本世纪中叶实验用氢达到5亿3000万吨,现在我们国内2500万吨的产量。原来并没有把氢作为能源,原来是作为催化剂等等,现在看来有煤制氢、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。氢能的应用场景非常丰富,除了交通运输以外,为什么现在氢能作为能源的高潮上来了,首先应该感谢在交通运输上的投入。还有在能源系统、供电供热、炼化冶金的其他应用上的应用场景。

保守估计,未来氢在我国终端能源体系中2050年占10%,我估计是10-15%。世界氢能巨头们讨论,他们认为应该到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,共同为终端能源体系的消费主体可以带来几十万亿新兴产业。2050年我们占10%左右,氢能源到10%左右估计氢能产量要应用到1亿吨左右,我们知道1亿吨标煤大家需要6-6.5吨煤,所以1亿吨分布大概是中间能源交通占4.5%,化工能源3.5%,工业大概是1千万吨,建筑包括我们分布式供电、供热大概在一千万吨左右。

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能源的经济性很重要,二次能源这么贵,好不容易发了电,又用电制制氢,是不是多此一举,能不能经济应用。在经济上也是完全可行的,比如用电网的电,一公斤氢的制氢成本达到5.7美元,光是制氢到30多块钱人民币,排放将近每公斤氢将排放30公斤左右的二氧化碳。但是我们如果用煤制氢,而且带CCUS,虽然有一定的成本,每吨CCUS要花好几十块钱,这个成本能控制在200元以内。

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光伏发电成本很低,最低到7毛钱。在风电、光电国内我们算了一下“绿氢”大概每公斤200元以下,这个目标对氢的成本是有一个很好的表现。但是这种地区并不是太多,它要融合风能,包括河北的张家口、吉林的白城等等光伏风电都是非常好的,还有福建、河北、新疆、青海。

人类利用氢能的经济性问题还有一个主要是运氢,还是要用专用管网,以300毫米直径为例的输送管网测算,每公里300万,每100km需要一个增压站,管道的成本达到每公斤每百公里只要0.7元,这个是200bar长管拖车运输费用的10%,我们降低现有常规运气费用的90%,这个成本大幅下降,而且是液氢运输费用的50%,将近降低了一半。

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随着氢能应用技术的成熟和大规模应用,瓶颈技术的突破,比如现在制氢、电解气已经可以在每立方米降到4度电以下,加上规模效益,比如有管网等等、基础设施成本摊薄以后,和锂动力电池相比,400公里左右和纯电动汽车成本基本持平,略高一点。但是里程超过400公里的时候,它的程序和里程特性得以体现。因为这时候纯锂动力汽车充电时间又长,还不如氢燃料电池的经济性。

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国内氢能产业已形成6大产业集群

第二个问题是国内氢能产业发展状况:国内氢能产业整体水平和国际先进水平的对比。褐色的部分是和国外差距比较大的,从制氢、储氢到加氢,到氢能燃料电池系统等等,打钩的部分和国外接近,打叉的部分是大家都处于研发阶段,比如催化剂、扩散层、质子交换膜、可靠性,包括燃料电池的耐久设备等等。

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电解槽国外做的很好,但是碱性电解槽我们和国外基本差不多。在储气环节里面,我们在车载储氢罐和国外差距是有的,我们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,包括燃电电池系统检测和氢气检测,和国外的差距比较大。

燃料电池的工程在用的60千瓦,密度114千瓦,已经完全工程化了,而且功率密度我们比人家低,每升只要1.8,我们正在往3千瓦的密度上走。耐久性寿命比人家短,低温性能相当。包括一些电路密度,包括下面铂载量我们在0.4-06克之间,国外达到小于0.2克,我们ORR活性在270毫安,国外在600毫安。

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与气氢相关的关键材料,高强度的缠绕碳纤维、聚合物气瓶内胆、气氢密封材料等等,包括低温金属材料、高效冷绝缘材料,下面零部件和装备都是需要突破的。耐高压至100MPa以上,还有固定式、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们还要形成技术规范和标准,达到批量化、商业化的应用。08.jpg

刚才说了膜电极和国外差距比较大,膜电极是燃料电池最昂贵的部件,如果一千套的生产能力,膜电极占78%的成本,如果到10万套占了66%,即使到50万套也到62%,包括质子膜、膜电极的成本很贵。但是我们国内制定了支持中长期膜电极计划,但是有些指标没有达到,投入还不够,大型企业的介入也不够。

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燃料电池关键材料——膜电极的国家发展目标,到2020年到2安,0.62伏。0.4毫克每平方米的需要的膜量在0.4毫克,特别是反极电极的通电实验要大于每百分钟两百次,衰减度要小于5%,包括寿命要大于两万小时,我们还有一些困难。质子交换膜美国戈尔公司已经到了100多万平米的生产能力,特别是增加网布的利用寿命得到了提升,增加网布是用的聚四氟乙烯膜。我们山东东岳正在建150万平米,我们的导电性能还有待提升。

国内氢能产业规划和发展前景,形成了六个产业集群,包括氢能能源的利用,包括新燃料电池、汽车示范线等等逐渐起来,截止到2020年2月中国加氢站数量达到64座,有40个地区出台了相关的氢能规划,工程院还帮十几个省份做氢能规划,最近广东和山东已经通过了验收。2019年国内燃料电池汽车运行总量超过6千辆。支持政策也“以奖代补”的方式发放补贴,地方也有政策。

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我举个例子,因为我在钢铁系统,河北钢铁很早就准备利用钢铁行业工艺大量的产氢,而且地处河北进行柴油机的改进,建立统一的加氢站,每天500公斤,现在开始运行。京津冀、华东等等六大产业集群完整的产业链正在形成。

山东是一个全省的统一行动,所以在一个大区域上进行氢能发展是最有利的。氢能产业链长,特别是氢源的供给非常重要,必须是统一行动,有一个大的规划,以合理的规划降低成本。山东主要电解铝在全国是第一,焦炉煤气也很厉害,所以它的氢气的产能副产氢将近90万吨,光现存的达到75万吨。氢最好用的我们认为要做在氢燃料电池汽车的示范上,包括山东潍柴他们也在行动。所以山东的发展战略是“两横两纵氢走廊”,还有山东重工-潍柴、中通、中国重汽,氢气产能庞大、副产氢多,它的高速铁路6000多公里,全国掌握在一个国企里面,沿途120多个服务站可以统一布局,决策非常快,没有任何的政策障碍和人为障碍,所以山东条件还是不错的。

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大家知道广东的进展很快,特别是佛山,已经建成了17座加氢站。我们和美国加州比一比,广东还是很逼近加州的,我们现在已经有2159辆燃料电池车,它有5000辆投运。我们补贴政策也很不错,最多可以补贴到每个加氢站800万,美国的商用或者公交车也是有在补贴。

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这是广东省“一环三线”的规划,上个礼拜刚刚进行了验收,近期要达到一万辆新燃料电池的运行,包括广州、深圳、佛山、东莞、中山,后面是粤西、粤北、粤东“三线”。他可以采取很多办法,像周边云南水电这么发达,可以用输氢管道,广东面临南海,可以采取不同的方式。

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还有很多城市在新燃料电池上布局很完整,充电桩起来了,新燃料电池要大量推广有一定的市场限制,但是可以作为技术驱动型,运氢、输氢、加氢、储氢,包括加氢站、标准、示范县向全国输出技术,这是属于技术输出型的,有的省纯粹是环保驱动型的。山西省每年外输6吨煤,50%是公路运输,柴油大卡不得了,每车50吨,需要893万车次来运煤,运距1000公里计算,单车次消耗柴油250千克,共223万吨。2050年山西省及京津冀地区燃料电池预测消耗氢气约1400万吨,所需煤约1亿吨。18.jpg

四川省的可再生能源比较丰富,水、天然气不少,产氢28万吨左右,可满足6万辆公交使用。

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海南特色,环岛高速,2030年燃油车禁售,新燃料汽车就是非常好的应用场所,他们也在做新的规划。

云南很有意思,云南水资源开发力特别大,在全国第一。云南现在发展氢气的规划,有一些特殊的有利条件,除了可再生能源、水资源、水电,最重要的是有几千个被废掉的有色金属的矿,这个矿还不是煤矿,可以作为储氢或者是储二氧化碳的一个大仓储,成本很低。储能的时候,二氧化碳没有容器,我就可以进入巷道、废气的矿山。德国大学的教授们对这一点了解的比我们还清楚,他说这是人类利用大的空间可以低成本储氢,或者把二氧化碳进行采集储存在这里。

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全球氢能竞争中我们还没有占据优势,但是我们核心材料、零部件、装备重大工程等方面存在不少关键问题,我们希望粤港澳、长三角、京津冀等等全省一盘棋,这样可以能源合理、效率高、成本低,否则很难成气候。比如搞乘用车五年十年要亏损,可以研发,燃料电池水平不断提高,但是乘用车很难全国完整地部署加氢站。

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开创氢能重卡时代

第三个问题就是开创氢能的“重卡时代”。

首先中国应该在柴油车上,特别在集中柴油车的地区首先使用,要做氢能“重卡时代”。因为柴油氮氧化物排放量占排放总量68.3%,它占汽车保有量的9.4%,颗粒物排放量占排放总量99%以上。而且物流密集的港口地区适合建立柴改氢示范区,氢燃料电池车的特点适合长距离、重载,若改为“氢能重卡”,利用集中布局膜电极,氢消耗量大,便于建立大型膜电极,达到了示范经济效益。

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港口地区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,可以开创氢能“重卡时代”,优先发展氢能源商用物流车这是重中之重。

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大家看丰田和日野,还有Nikola在重卡上实现了商业化应用。

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,柴改氢太重要了。唐山要求汽改铁,但是修铁路也不是最好的办法,超短途运输可以用铁路,最终解决还是柴改氢的问题。

开创氢能“重卡时代”,优先发展氢能源商用物流车是我们的重点,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。一氧化碳、氮氧化物、颗粒物就会下降,空气就会好起来。所以河北看到这一点,首先要搞重卡,在港口,在唐山,这个战略是对的。

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钢铁行业的氢循环经济

第四个问题,钢铁行业的氢循环经济。

由氢还原矿石生成水,比焦炭好多了,可以成凝碳,非常漂亮,所以宝武成立了宝武清能公司推动氢能利用,因为氢冶金里面有很重要的氢意识。

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第一氢气可以不要那么高的纯度,60%的就很好用。第二,便宜,含氢高,生产的铁水量纯度相当高,是高纯铁水,如果全部用氢,这个铁水就没有碳,就叫不锈铁,耐蚀能力超过一般的不锈钢,所以生产洁净钢、洁净铁,而且用要求不是太高的氢。所以欧洲大量推广氢冶金,瑞典已经开始,而且成本最后并不是增加很多,现在宝武已经全部启动,抓两头,促中间,抓用氢和制氢,促进储氢、运氢、加氢的发展,本身它自己有一百万吨氢能源,它丰富的煤气资源70万吨,焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等等,所以他的方向首先是氢能冶金技术,我觉得是非常重要的渠道,对钢铁行业流程制造业是巨大的发展。

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曾经在宝钢建湛江钢铁的时候,有个中科炼化准备搞焦炉煤气,减轻成本,这个我就不说了。氢冶金已经开始全面启动。瑞典在实验中认为氢气的冶炼钢铁成本约比传统的冶炼钢铁工艺高20-30%,这个数会随着氢气的提升改变,在经济上也可以算过账来。

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固态储氢在氢燃料电池汽车中的应用有其独到之处

最后一个讲固态储氢。我认为固态储氢在氢燃料电池汽车中的应用有它的独到之处。体积储氢密度高、能效低、能效高。它的体积储氢密度很高,质量储氢密度也很高,达到7.6,达到美国能源部的中期目标,压力、温度、密度非常好,特别是体积储氢密度,最近在常州有个公司共享助力单车用了固体储氢材料的储氢瓶,储氢量也很大。

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固态储氢为氢能源的“电电混动”的氢能源汽车将成为新技术发展方向之一,它可以不考虑布局加氢站,可以把气瓶作为标准储氢,压力几乎是常压,没有任何风险,每个高速铁路的服务站都可以出售这种氢气瓶,用完就换,用来加速用的,常规情况下就可以用氢能,固态储氢的作用非常大。

我们可以看到它的商业模式和经济可行性、技术路线已经在出现,固态储氢为氢源的燃料电池动力系统集成技术,产品已经出来了,而且安全性高,现在出来的共享助力单车氢气瓶很少,就1升,但是可以装55克氢,所以固态储氢材料的储氢能力非常强。一个兆帕续航历程80公里,2.2升的体积储27克,所以固态储氢是气体储氢的设备。

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所以最后我的结语就是国际能源署给日本提供报告的六个建议和四个寄语。

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第一,在长期能源战略中确立氢的作用。

第二,此外清洁氢的商业需求。

第三,解决先行者的投资风险。

第四,支持研发以降低成本。

第五,消除不必要的监管障碍,协调标准。

第六,参与国际事务并跟踪进展。

四个机遇,这是国际能源署做的。

1、使工业港成为扩大清洁氢气使用的神经中枢。经济意义、环境效益都非常重大。

2、以现有的基础设施为基础,如数百万公里的天然气管道可以长期运输业可以纯气运输。

3、通过车队,货运和走廊扩大运输中的氢气。

4、启动氢贸易的第一条国际航线。如果全世界变成一个共同行动,国际上的互补性会出来,为全球能源系统产生重要的影响。

上面是我的几点思考,不对之处请大家批评指正,谢谢!

(以上内容北极星氢能网根据新华网、光明网直播整理,未经嘉宾审核)


原标题:PPT丨干勇院士:中国氢能发展的几点思考

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