干勇院士：中国氢能发展的几点思考- 大数跨境

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干勇院士：中国氢能发展的几点思考

中科富海

2020-11-16

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。