专访郭烈锦院士：氢能——极具潜力的绿色能源- 大数跨境

中科富海

2024-08-14

今年以来，全国各地加快布局氢能产业，积极推进氢能项目落地，形成一轮“氢能热”。近日，记者就氢能及其产业化、能源转型等话题，专访中国科学院院士、西安交通大学绿色氢电全国重点实验室主任郭烈锦教授。郭烈锦教授从事能源动力多相流及氢能科学技术研究40多年，是我国著名的工程热物理与能源利用学家。

氢能作为一种新能源，距离大众似乎还比较遥远，普通人对它也比较陌生。请介绍一下什么是氢能，它具有怎样的特点？

世界新能源汽车大会上展出的氢能驱动电机视觉中国/供图

郭烈锦：其实“氢”离我们并不遥远，甚至可以说是很近。比如，生活中离不开的水，就大量含氢，这是就元素意义讲的。在常温常压下，氢是一种极易燃烧、无色透明、无味无害的气体。但是，把氢作为能源并广泛应用，的确与大众生活还有距离。在当前社会生产中，我们实际上并未将氢作为一种能源来对待，多数情况下是将其作为生产过程中的一种原料来使用。

关于氢的特点，可以概括为四点。第一，氢的储量十分丰富。氢是大自然中最为丰富和广泛的元素，包括在我们人体中，氢原子数也占了所有物质原子总数的2/3。

第二，氢是二次能源。一次、二次能源是对人类生产、使用能源的一种分类。一次能源是可以直接从自然界获取的，如煤炭、石油、天然气以及太阳能、风能等；二次能源是从一次能源转化而来的能源，如电能、氢能等。我们在中学化学课上都学过电解水制氢的电化学反应和金属与强酸反应制氢。

第三，氢极易燃烧。这会让人觉得它不安全，但是只要根据它的物理化学性质规范使用，还是非常安全的。氢易燃易爆，但只有在目标空间内氧气足量、氢气浓度足够高且有明火点燃等条件全部满足时，它才会燃烧爆炸。只要我们遵守标准、规范去做，它就是安全的。

第四，氢清洁高效。氢是一种清洁能源，其单位质量的能量价值在非核燃料中是最高的。同时，它的燃烧性能优异、燃点高，是所有物质中最容易控制、最便于实现我们所需温度和压力环境的燃料。

氢能的推广应用，十分有利于实现碳减排目标。虽然从整个经济社会体系看，交通领域的碳排放量占比不到10%，但它的应用是产业转型的引领，这是基于氢能在工业领域广泛应用的潜力及其对实现绿色低碳转型的重要性而言的。在“双碳”目标下，据预测，到2060年，我国氢能的需求量将超出万亿吨规模。

目前，从国际上看，氢能研究和应用的现状和趋势如何？

郭烈锦：从国际上看，当前，一些主要发达国家和经济体已将氢能作为能源转型的重要战略选择，超前布局，加大投入，加快抢占氢能产业发展制高点。

美国非常重视氢能的研究和应用。他们将每年的10月8日定为国家氢能日，因为氢的原子序数为1，原子量为1.00794，取四位有效数字是1008，就是10月8日。这种做法，既体现了美国作为当今世界科技最发达国家对氢能的重视程度，更凸显了氢能对人类可持续发展的极端重要性。

我国首艘氢能源船舶“三峡氢舟1号”首航新华社/供图

日本氢能技术研发走在前列。早在30年前，日本就开始研发太阳能直接制氢。近年来，日本能源发展规划从过去购买煤炭、石油、天然气等向直接购买氢能转变。因为日本是能源短缺国家，能源主要靠进口，与其买燃烧有污染的化石燃料，不如购买或生产无污染的清洁氢能，因此全社会向氢能转型的积极性很高，现有的技术储备也非常好。在发展新能源汽车方面，日本重点推进氢燃料电池汽车及家用燃料电池技术攻关和产业化。据相关研究，日本在氢能和燃料电池领域拥有的优先权专利占全球50%以上，并在多个关键技术上处于领先地位。

我国氢能产业处于发展初期。与国际先进水平相比，还存在产业创新能力不强、技术装备水平不高、部分关键核心零部件和基础材料依赖进口等问题。在全球氢能产业竞争中，我们要抓住机遇，努力实现氢能科技革命性突破，加快推进氢能与燃料电池技术成熟，促进氢能在交通、工业等领域大规模渗透和运用，抢占前沿阵地。

目前国内氢的制取、储运、应用等进展如何？应如何构建氢能产业链？请介绍一下西安交大绿色氢电全国重点实验室和您的团队在氢能技术研究和转化方面的情况。

郭烈锦：2024年政府工作报告部署的首要任务是发展新质生产力，其中明确提出发展氢能等前沿新兴产业。近年来，全国各省（区、市）高度重视、快速行动，竞相规划氢能产业发展，加快推动氢能项目落地。目前，我们在氢能制备、储运、基础设施建设等方面取得多项突破性进展。在氢能技术创新方面，已掌握了一批电解水制氢装置、储运设备和燃料电池等方面的先进技术，高端装备正逐步推向市场。在氢能制备方面，可再生能源制氢项目在华北和西北等地积极推进，电解水制氢成本稳中有降；长三角、粤港澳大湾区、环渤海三大区域氢能产业呈现集群化发展态势。据预测，到2030年，我国可再生能源制氢的装机规模可能突破1亿千瓦；到2060年，绿氢生产的量可能接近1亿吨，用氢能再发电的装机容量可能突破1亿千瓦。

构建氢能产业链，我认为必须紧紧围绕实现“双碳”目标、推动经济转型和可持续发展的战略目标，从上游氢气制取、中游储运加注到下游推广应用全面展开。从整个能源产业来看，将产业链各个链条间彼此孤立、分隔地去判断评估，是不利于推动产业链整体构建的。应该考虑从能源的源头到终端产物，包括主、副产品乃至废弃物的处理，进行全面完整的、全生命周期的评估和判断。从原材料获取到产品形成、能源与物质转化、加工利用等各个环节，以及环境效益、效率和成本，全生命周期地判断其是否绿色无害、高效低成本，是否符合可持续发展原则。

比如，天然气重整，这是目前制氢的一个主要方式。对我国而言，天然气资源本身就不充足，同时传统的天然气重整工艺同样会排放污染物、产生污水和二氧化碳，那这就不是我们要选择的绿色生产技术。

再比如，在化工行业尤其是大型化工产业中，加氢炼化正在加速发展。但不恰当的氢能利用实际上延缓了对过时产能的淘汰，对整个行业发展是不利的。

还比如，氢能在交通领域的应用，这是当前大家关注的热点。作为燃料电池车的动力系统，推动氢燃料电池汽车的研发和商业化应用需要多种形式的氢能动力。比如，深圳的氢能自行车已在多个城市推广，佛山市的公交车和叉车等都是氢能车。氢燃料电池车的能量转化效率相对较高，我国现有汽车平均能量转化效率大约在30%至40%。但是，对于氢燃料电池车来说，总的能源利用效率可达到70%至80%以上。因此，在未来发展中，氢燃料电池汽车具有极大潜力。

西安交大绿色氢电全国重点实验室，原名动力工程多相流国家重点实验室，我们的主要关注点是能源转化与利用的实际应用，研究方向聚焦绿色发电和制氢、高效低成本大规模长时氢储、能源在终端的热利用和电利用等，努力目标是推动构建绿色氢电的能源供给与能源动力体系。

在绿色氢电生产方面，我们主要有三个研究方向：一是太阳能低成本、大规模制氢发电。这不是单一的发电或制氢，而是将两者耦合一体化，充分利用太阳能的宽光谱特性。二是基于化石能源的碳基绿色制氢和发电。三是先进的核能安全高效发电和制氢。在这些研究方向上，目前有多个关键核心技术已被攻克，正在进行工程化示范。

请围绕氢能经济、能源转型等，展望一下氢能产业的未来。

郭烈锦：随着能源转型，我们将逐步迈向氢能经济时代。立足当前，着眼未来，我们更应关注社会生产结构及其经济形态，特别是能源供给体系的基本特点。

就氢能应用而言，交通能源在我们能源转型中只占很小一部分。目前我国二氧化碳排放量达到100亿吨到110亿吨，而交通能源排放不到10亿吨，这意味着90%的排放来自其他工业领域。因此，能源转型的关键是采用新的、绿色的生产方式，改变目前的发电、供热以及工业和农业用能模式。从这个角度预测，氢能产业的需求规模实际上是数十万亿级别，如果投资界现在大力投入氢能源的开发和推广，从长远来看，无疑将带来巨大收益。

目前世界各国都在研究如何以更经济的方式生产氢气，而不仅仅是关注储氢技术。尽管今天的储氢技术仍有降价空间，但它实际上并不是阻碍当前氢能转型的主要瓶颈。全球范围内，我们缺少的是大规模绿色生产的低成本氢气。一旦有足够的氢气供应，全社会就能迅速认识氢的巨大优势，加快其推广应用，从而带动氢储存技术加速发展。

未来的氢储能技术不仅局限于储能本身，还可以与二氧化碳的资源化利用和工业脱碳紧密结合，形成一个整体解决方案。只有统筹推进，才能真正解决当前面临的环境和生态问题。

最后，我想重点谈一谈氢能发展的关键爆发点，它与氢气的价格成本紧密相关。如果能将一次能源生产的氢的价格降低至每公斤35元以下，氢能转型将会迅速进行。然而，传统的电解水制氢、煤制氢或天然气制氢方法都无法满足这一价格要求，加上考虑到环境和生态效益，必须研发全新技术。

目前，尽管已有一些氢能新技术正在向产业化迈进，但总体上仍面临巨大挑战。这些挑战不仅仅是技术上的，更多是社会各层面对于这些新技术的接受度。比如，日本虽然数十年来一直在推进太阳能和新阳光计划等，但至今仍未实现氢能社会的目标。其原因在于，作为一个能源进口国，如能购买到足够制作氢气的能源，就能转变为氢能社会；如购买不到，则转型进程就会受阻。因此，当前要重点解决的是降低绿氢和绿电的成本、制氢设备的成本，这是我们面临的主要任务。至于管道输氢，实际上并不需要跨越数千公里的长距离输送。

因此，发展氢能经济有两个关键突破点：一是颠覆现有能源结构的低价格；二是环境友好型的生产方法。在广东佛山的大型示范工程中，已经实现氢气成本低于15元1公斤，而且二氧化碳得到有效利用，全程没有污染。

我们应因地制宜，充分利用各地的能源和资源。比如，利用太阳能和风能，将其转化为电力和氢气，并与当地资源禀赋结合，构建新兴产业，生产出性价比高的产品。通过这种方式，不仅能促进经济快速发展，也能推动氢能加快爆发。

总之，氢能是未来极具发展潜力的能源之一，它甚至有可能成为重要的一次能源，而不仅仅是目前认定的二次能源。将氢作为未来交通能源的主体，是一个很好的选择，将为我们带来非常美好的生活体验。

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