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氢能:第一元素

发表时间:2017-01-08

氢能:第一元素

  在门捷列夫的元素周期表中,排在第一位的元素是氢(H),它无色无味,是自然界最为丰富的元素。

  可多数人并不知道,氢还与人类的能源演进息息相关,并被众多科学家视为“21世纪的终极能源”。

  从历史上的三次能源革命来看,存在这样一个规律:碳含量降低、氢含量上升。燃料中氢原子与碳原子数目的比例从固态的煤(1:1),到液态的石油(1:2),再到气态的天然气(1:4),脱碳不断加速、含氢越来越高,这已成为能源开发利用的自然规律和趋势。

  从现实应对生态环境挑战来看,氢能作为零碳绿色的新能源,具有环保安全、能量密度大、转化效率高、储量丰富和适用范围广等特点,可实现从开发到利用全过程的零排放、零污染,是最具发展潜力的高效替代新能源。

  对此,世界各国都将发展氢能提升到国家战略层面,制定行动计划、描绘路线图、探索产业化路径。

  2011年12月,欧盟制订了《2050能源技术路线图》,将“安全、竞争力和脱碳”列为核心愿景,并将氢能和燃料电池作为未来影响能源系统变革的十大要素之一,提出优先发展。

  2014年5月,美国发布了《全面能源战略》,将“发展低碳技术、为清洁能源奠基”作为放眼长远的战略支点,并明确提出,氢能作为替代性能源,在交通业转型中的引领作用。

  2016年4月,日本出台了《面向2050能源环境创新战略》,将氢能列入重点推进的五大技术创新领域,强调研发先进的制氢、储氢和氢燃料的发电技术,扩大使用范围,构建零排放的“氢能社会”。

  2016年5月,国家发改委下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》,将“氢能与燃料电池技术创新”列为15项重点任务之一,提出“实现大规模、低成本氢气的制取、存储、运输、应用一体化”的战略目标。

  2016年5月20日,中共中央、国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》。纲要指出:“发展引领产业变革的颠覆性技术,不断催生新产业、创造新就业。高度关注可能引起现有投资、人才、技术、产业、规则‘归零’的颠覆性技术,前瞻布局新兴产业前沿技术研发,力争实现‘弯道超车’”。氢能、燃料电池等新一代能源科技就是这样的技术,要大力发展。

  2016年8月18日,中共中央、国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,再次要求发展氢能、燃料电池这类“发展引领产业变革的颠覆性技术”。

  目前,氢燃料电池汽车是人们寄予希望迈入“氢能时代”的突破口和现实路径,而中国也被国际公认为最有可能率先实现其产业化的国家。因此,通用汽车、戴姆勒—克莱斯勒、杜邦、福特汽车等国际大公司都已开始在我国培育氢能市场,抢占先机。

  国外氢能的快速发展,要求我国应尽快按照已制定的氢能开发路线图行动起来,一方面,加强国内外氢能技术交流与合作,充分利用国内外现有的研究成果和资源,开发具有中国特色的氢能技术与装备,另一方面,加强氢燃料电池汽车产业化探索,尽早推出市场认可的量产车型。

  有鉴于此,本期《能源评论》封面文章,邀请到中国工程院院士、燃料电池专家衣宝廉,国际氢能协会副主席、全国氢能标准化技术委员会主任毛宗强,诺贝尔和平奖共同获得者、联合国政府间气候变化专门委员会特约科学家伍德罗•克拉克,3位在氢能和燃料电池研究领域的重量级专家,一同探讨氢能及燃料电池技术发展现状与未来趋势,并为广大读者解答:在可预见的未来,氢能可否成为主力能源?相比于其他能源形式,氢能与燃料电池的优势在哪里?氢能与燃料电池的应用场景有哪些,可以给消费者带来何种便利?氢燃料电池汽车的产业化路径将在何方?

 

如何迈入氢能时代

  《能源评论》:氢能被誉为21世纪的“终极能源”,与其他能源形式相比,它的优点有哪些?

  毛宗强:我对氢能有两个定义。首先,它是一种和平能源。目前,世界上的化石能源是分布不均的,而人们为了获取更多的化石能源,频频发动战争。而氢气作为一种二次能源,水是氢在地球上最大的源泉。水覆盖地球表面的72%,取之不尽,用之不竭,如果能够很好利用的话,将会为人类的和平搭起一座桥梁。其次,氢能还是一种自由能源。因为,氢气的制取很方便,它不像开采石油和煤炭那样,需要很多重型设备和尖端技术,这有利于广大民营企业参与,不容易受到制约。

  衣宝廉:随着全球工业化进程不断加快,化石燃料消耗量日益增加,对环境造成的污染越来越严重,迫切需要寻找一种作为替代品的清洁燃料。而氢能,恰恰还是一种清洁能源。氢气本身就来自于水,不管怎样,最后仍变成水,所以整个生命周期不产生任何的二氧化碳,能够有效地解决空气污染等问题。

  克拉克:人类迈入“氢能时代”,将从根源破解日趋严峻的气候变化、生态环境挑战以及能源安全等问题,将会带来安全稳定清洁的能源供应,带来整个产业和经济体系的重建,以及更绿色、健康的人类居住环境。

  《能源评论》:从现实应用角度,氢能能给我们带来哪些便利?又能够促进哪些能源变革?

  克拉克:氢能就是以氢和其同位素为主体的反应中释放出来的能量,其用途主要有三个方向。一是,航空事业中需要氢能作为燃料。早在第二次世界大战期间,氢就被用作某些火箭发动机的液体推进剂。二是,氢能还可以作为各种交通工具的燃料,比如民用汽车、火车、轮船,等等。早在上个世纪80年代左右,世界上便研发出了氢能汽车。由于使用氢能作为主要燃料,氢能汽车排放的尾气主要成分是水蒸气,因此它对环境的污染非常小,而且噪声也比较低。三是,氢能进入家庭,既可以当作燃料使用,又可以通过氢燃料电池发电供家庭取暖、空调、冰箱和热水器等使用,但目前还处于研发阶段。

  毛宗强:目前来看,氢能已经实现的应用场景之一就是氢燃料电池汽车,可以喻为汽车工业的又一次革命。其实氢燃料电池又可以看作是一个氢能的发电机,氢燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的发电装置。与锂电池相比,最大的区别在于锂电池是把能量储存于电池中,而氢燃料电池是把氢气和空气储存在电池外部,氢气和空气不断地送进燃料电池,电就被源源不断地生产出来,氢燃料燃烧后只排出水,而不产生其他的氮氧化物。和锂电池汽车相比,氢燃料电池汽车的优点是补充燃料很快,以丰田“未来”燃料电池汽车为例,3分钟就可充满氢气,充气一次可行驶650公里。与汽油、柴油内燃机汽车相比,氢燃料电池车的噪声很小且完全不排放温室气体。因此,氢燃料电池汽车与传统汽车和锂电池汽车相比,在性能、速度、补充燃料时间和清洁性上都具有明显优势。

  《能源评论》:氢燃料电池汽车目前在研究和产业化方面现状如何,何时能进入百姓家?

  衣宝廉:从过去到现在,全球氢燃料电池汽车走了三个阶段。第一阶段,设想的很乐观,但燃料电池应用于汽车上之后,受汽车工况影响,性能衰减很快。第二阶段,主要解决燃料电池的可靠性、耐久性问题。因为工况比较复杂,这一阶段经历了七八年时间,基本上解决了这些问题,燃料电池寿命也达到了要求。现在进入了第三阶段,主要是进一步降低成本和铂(Pt)用量,同时加快加氢站的建设,实现燃料电池汽车的商业化。

  氢燃料电池汽车的门槛比较高,为了攻克燃料电池产业化的问题,国际上形成了三大联盟,共同解决这些技术问题。2015年丰田的“未来”燃料电池汽车已经宣布实现了商业化,订货已经接近1500辆。同时,丰田为了促进氢燃料电池汽车在全世界尽快商业化,宣布两个重大措施,一个是专利公开,再一个是产品关键材料和部件可以向世界其他厂家出售。特别是后一件事情,对其他国家燃料电池尽快实现商业化的作用很大。

  克拉克:美国在氢能源应用上发展很快,特别是加州氢燃料电池车的发展是全美最好的。用户在加氢站只需要3分钟就可以充满气罐,汽车可以行驶700公里,时速最高可达180公里。在加州,用户通常以租赁的形式使用氢燃料电池车。以丰田燃料电池车为例,其租赁价格为500美元/月,这其中还包括燃料和维修费用。如果要买一辆新车则需要约5.7万美元(无补贴),美国政府还可退税1.4万美元,汽车经销商提供3年的燃料费。所以目前阶段加氢都是免费的。加州计划到2018年实现氢燃料电池车保有量达1万辆,到2020年突破2万辆。加州目前有10座向公众开放的加氢站,加州政府的支持力度很大,预计到2016年底要完成50座新站建设,这种支持不仅体现在资金上,还涉及土地使用、能源安全等问题的指导意见。未来新建的加氢站都会与加油站、加天然气站“捆绑”在一起。

  毛宗强:从产业化角度讲,氢燃料电池汽车已经开始进入市场。2014年12月丰田宣布其“未来”燃料电池轿车进入市场,补贴前售价为5.75万美元。2016年3月本田汽车公司也宣布其氢燃料电池轿车进入市场,补贴前售价为6万美元。目前,国际各大汽车厂商都将2020年看作氢燃料电池汽车市场启动年,届时将大规模量产。可以预见,在2020年左右,世界将进入氢燃料电池汽车的时代。

 

氢能世界的中国元素

  《能源评论》:既然氢能社会这么美好,我国的氢能发展现状如何?处于世界什么水平?

  毛宗强:我国氢气产量位居全球第一,2012年氢气产量达到1600万吨。然而,我国在氢燃料电池技术方面可以说是“起了个大早,赶了个晚集”。我国研究这一技术始于20世纪70年代,1990年开始发展起来,当时的质子交换膜燃料电池水平可与欧美相比。目前,我国已经具备生产质子交换膜燃料电池所需全部材料及零部件的能力,有数家公司可以制作适合车用的数十千瓦级质子交换膜燃料电池系统,不过其寿命和可靠性还有待提高。国产氢燃料电池电站还没有进入市场,氢燃料电池备用电源也仅有零星的示范。与国际相比,我国差距还很大。

  《能源评论》:那么氢燃料电池汽车方面,我国的技术水平也与国外有很大差距吗?

  毛宗强:在氢燃料电池车方面,我国开发氢燃料电池汽车也较早。1999年,清华大学就研制出中国第一辆氢燃料电池汽车,然而,自2008年起,我国将新能源车的重点放在了纯电池的电动车上,结果氢燃料电池车的水平不进反退。目前,我国氢燃料电池轿车已落后于国际水平,也远远落后于氢燃料电池轿车起步晚于我国的韩国;车企的氢燃料电池技术已落后于欧盟、美国和日本的车企,特别是在电池寿命与成本上存在极大的差距。

  衣宝廉:在氢燃料电池汽车领域,我国从“九五”期间就做了准备工作,现在已经发展到“十三五”,这期间我国自主研发的氢燃料电池汽车参加了北京奥运会、新加坡世青赛、美国加州示范和上海世博会等,200多辆车参加了示范运营,累计运行里程超过十万公里。就目前来看,国内产品性能接近国际水平,但在成本、耐久性等领域还有明显差距。

  克拉克:21世纪初,我亲眼见识到并驾驶了第一辆氢燃料电池汽车,由戴姆勒发明、测试,并在几年后随加氢站一同进入欧盟十个城市。经历10多年研发积累和技术攻关后,氢燃料电池汽车关键技术已经成熟、产业政策日趋明朗、市场前景非常广阔,步入了产业化提速发展阶段,氢燃料电池汽车产业发展的关键战略机遇期将在今后2年左右提前到来。近年来,日本的丰田、本田、日产,韩国现代等已经成功推出氢燃料电池汽车量产车型,德国奔驰宝马和美国通用也宣布了氢燃料电池汽车正式量产计划,未来的1至2年市场将至少新增17款氢燃料电池汽车。

  《能源评论》:目前,制约中国氢燃料电池汽车进入商业化的障碍有哪些?

  衣宝廉:从国际上来看,氢燃料电池汽车正在进入商业化导入期。就我国而言,主要技术问题已经基本解决,限制其大规模商业化的有两件事,一个是加氢站的建设,另一个是进一步提高燃料电池的可靠性和耐久性。

  同时降低铂用量也是关键突破点。使铂的用量能跟汽车尾气净化器的贵金属用量差不多,这样才能实现全面商业化。降低成本的重点是生产线的建立,现在燃料电池汽车还不能像燃油车那样一分钟一辆在生产线上进行生产,所以生产线(包括整车和各个关键零部件的生产线)的建立还是很艰巨的一个任务。

  毛宗强:没错,目前制约我国氢燃料电池汽车应用的最大障碍是缺乏氢气加注站。建造加氢站是氢燃料电池汽车发展的关键,目前各国都在加速建造加氢站。截至2013年年底,投入使用的全球加氢站总数已达到208座,计划再建造127座,加氢站的建设正逐步走向网络化。而我国目前在北京,上海、郑州、大连各建成1座加氢站,佛山,如皋,都有在建设中的多座加氢站。不少城市,如武汉、盐城都已经规划了加氢站。

  克拉克:在技术方面,国外氢燃料电池乘用车必须能保障5000个工作小时,按美国行业标准每小时至少行驶约48公里,商用车(巴士)则要保障1.8万个工作小时,目前,有的燃料电池商用车已经超过2万个工作小时。而据我了解,中国产氢燃料电池乘用车工作时限仅有2000个小时左右,之后必须更换电池,这往往意味着要换新车。

  《能源评论》:对于我国氢燃料电池汽车的发展,有什么建议?需要政府、企业做什么?

  克拉克:据绿色技术研究所的一份报告显示,到2020年,氢能产业的全球市值将达到1000亿美元,2030年将是4000亿美元,而到2050年则为近1.6万亿美元。

  对于中国氢燃料电池汽车的发展,首先要有顶层设计。日本在2014年发布了《氢能源白皮书》,从国家层面推动氢的运用以及对燃料电池汽车的普及进行规划,包括在2015年围绕四大商圈建设100座氢能源补给站、2020年前后实现氢能源汽车燃料耗费价格与混合动力汽车基本齐平等。由于有政府层面的总体规划,日本工业界、科研界等全社会的力量积极参与进来。

  其次,企业要发挥主体作用,推动商业化进程。以丰田为例,其把燃料电池汽车视为发展的新方向,全力以赴地推进商业化。而中国一直是高校等科研单位在推进,大企业作为主体一直处于缺失状态,已经参与的企业也犹豫不决。

  毛宗强:现在国外的氢燃料电池车是以乘用车为发展主流,然而这种发展模式并不适合我国目前的实际情况。中国更适合开发氢燃料电池商用车,也就是氢燃料电池公共汽车、大客车、物流车和特种车辆,一方面是技术门槛相对较低,另一方面公共交通的平均成本低,还能起到良好的社会推广效果。

  早在2004年,我国就有国产氢燃料电池大巴,2005年联合国计划开发署和全球环境基金和科技部在北京实施“发展中国家燃料电池大巴示范项目”,2008年奥运会期间投用了3辆燃料电池大巴示范车,2010年上海世博会又出现了6辆燃料电池大巴示范车。今年,联合国计划开发署和全球环境基金和科技部燃料电池大把示范项目第三期已经开始。参加城市为北京,上海,郑州,佛山和盐城。将有109辆燃料电池大把投入示范。佛山已经生产出国产燃料电池大巴,2016年9月12辆燃料电池大巴将在佛山正式投入公交运行。

  要让氢燃料电池车完全替代现有车型,实现利用氢能的“深绿”阶段,目前来看为时尚早。我们可以先发展轻轨、氢燃料电池大巴、氢燃料电池物流车等专用车辆,在发展的过程中,逐渐完善加氢站等基础设施,待产业发展到一定阶段,再来发展燃料电池乘用车。

  衣宝廉:关于发展氢燃料电池汽车,我有5个建议:一是,我国燃料电池用的各种关键材料和零部件,测试性能和实用性能都达到了国际水平,但是现在还不能实现商业化,原因就是没有建立批量生产线。这需要企业家投入,建立关键材料和关键部件小批量生产线,使关键材料的供给立足于国内。

  二是,国内原来研究电堆主要注重提高电堆的重量比功率、体积比功率,现在我认为,重点应该转向提高电堆的可靠性和耐久性,因为它是燃料电池发动机可靠性和耐久性的基础。

  三是,要把如何减少燃料电池在车用工况下衰减的基础研究成果,与燃料电池发动机生产企业联合起来,把这些过程通过控制程序和零部件在整车上实现,这样使燃料电池发动机在整车上整个系统寿命能够达到5000至10000小时。

  四是,除关键材料外,中国还有几个关键部件(如空压机)暂时可以外购,但从长远角度看,要进行深入研究,实现国产化。

  最后,国家要对催化剂和电极进行深入的研究,能够做到铂用量轿车在5克左右、大巴车在10克左右,最终实现0.1gPt/kW目标。

  (本文由本刊记者于涛、王伟、彭慧文共同执笔)

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