专访郭烈锦院士:为什么说氢能被严重低估了|新京智库高端访谈

▲郭烈锦( 中国科学院院士、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任)

氢燃料电池汽车的春天来了。

11月2日,中共中央 国务院印发的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确提出,推动氢燃料电池汽车示范应用,有序推广清洁能源汽车。

2020年10月,国务院办公厅下发的《关于印发新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)的通知》则将燃料电池汽车(以加氢为主)列为我国“深化‘三纵三横’研发布局”的一纵之一。

在省级层面,越来越多的地方政府也在鼓励和支持发展氢燃料电池汽车。比如,今年10月25日,上海市发改委、市财政局等六部门联合印发的《关于支持本市燃料电池汽车产业发展若干政策》提出:

到2025年底前,上海市级财政按照国家燃料电池汽车示范中央财政奖励资金1:1比例出资,重点支持车辆示范应用、关键核心技术产业化、人才引进及团队建设等。

随着实现碳达峰、碳中和观念逐渐深入人心,以氢为能源的燃料电池汽车在市场上表现抢眼。韩国市场研究机构SNE Research10月底公布的数据显示,2021年1月—8月,氢燃料电池汽车(FCEV)全球注册销量1.12万辆,同比增长91.7%。

日前,在苏格兰格拉斯哥召开的全球气候变化大会COP26上,如何脱碳几乎成了最主要的议题。COP26亦将“到本世纪中叶,确保全球净零排放,并将温度控制在1.5℃以内”作为目标。

▲国内首次研发的大功率的清洁能源发电车,其使用的是氢能。新京报记者 李木易、吴婷婷 摄

氢能,作为一种高热值、零污染的能源,对于促进全球经济脱碳,特别是在工业和交通领域将发挥不可或缺的替代作用。

中国科学院院士、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任郭烈锦告诉新京智库:氢能将在未来发挥比当前国内舆论场所描绘的情景更为重大的作用,将大大超越当下主流观点的认识局限。对于终端能源用户而言,除了与电一样都是洁净无污染的二次能源外,氢是一种含能体能源(包含能量的物质)、具有可直接存储的优势,而电是一种过程性能源、不能直接存储。在未来可持续发展的能源供给体系中,氢能将成为与电并重的一种主体二次能源。

在全球要实现“碳中和”目标的背景下,我们该如何正确认识氢能,如何尽快提高氢气产量,一场新的能源革命如何走进现实?新京智库为此专访了郭烈锦院士。他主要从事能源动力多相流及氢能科学技术的研究,是科技部“太阳能规模制氢”两期“973”计划重大项目和“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”领域首批重点专项的项目首席科学家。

人们对氢的认识不够深,不够广

新京智库:你认为氢能对于实现我国的能源转型,实现碳达峰、碳中和目标能发挥多大作用?

郭烈锦:我个人认为,氢能在能源转型中将起到的作用比当前大多数人所认为的可能会更大。当前很多人对氢能的认知,主要是局限于氢燃料电池汽车方面,也就是运用到交通领域的动力能源,氢起到一个替代汽油、柴油等燃料的作用。

事实上,在未来实现碳中和目标的洁净无污染可持续能源供给体系中,氢的作用除了替代传统交通工具和移动动力的用油、气外,还可以替代一部分工业和民生领域的传统用能。

▲米其林氢能源赛车样车在上海完成通关验放(9月27日摄)。图/新华社

在未来的零排放社会中,氢应该与电一起构成人类社会的主体二次能源。氢,在满足终端用能中应该有更多的场景应用,而不是只依赖电。所以,你说氢能能发挥多大作用?只是我们目前对氢能的认识还不够深入,全面。

新京智库:这个是与我们的制氢能力有关吗?有数据显示,全球一年的氢气产量才7500万吨,还不足全球原油产量的2%。

郭烈锦:是。迄今,我们受限于从一次能源到二次能源的转化技术,还有受限于我们的观念——人类还没有转移到把氢作为一种能源来大规模使用,尤其是把氢作为一种主体二次能源来使用。

大家都知道,一次能源是指自然界直接给予人类的,如石油、天然气、煤炭,以及太阳能、风能等。我们谈能源转型时,其实质并不是谈一次能源能做多大的转型变化,自然界中一次能源该有多少量还是多少量,我们人类无法改变。怎么利用好一次能源才是转型的关键。

也就是说,其实我们要“转型”的是由一次能源生产为二次能源、乃至实现终端需求过程的方式方法。迄今我们使用的由一次能源转化为二次能源或者终端用能的技术在生产过程中都有污染物、温室气体等排放。其实,无论化石能源和可再生能源都可以用来发电和制氢,而当下正使用的制氢和发电都是有污染物和温室气体排放的方法。

新京智库:为什么说电解水制氢过程也有污染?

郭烈锦:首先,所用的电是从哪里来的?我们的电力目前主要来自于煤炭发电,即便是太阳能发电、风电和水电等,从全生命周期来看,如发电机组的材料、元器件、设备等生产和制造过程不但耗能、而且也都存在污染物排放。而且,当下的电解水制氢,实际上不是分解的纯水,而是分解的电解液,这些电解液在制备过程中不同样耗能?都有污染物排放,只是多少的问题。

也就是说,我们在用一次能源转化成二次能源的过程中,人类应该选择更好的方式方法,要发展和使用没有污染物和温室气体(如二氧化碳、甲烷等)排放的技术。从这个角度来说,关于碳达峰、碳中和对于降低全球温室效应而言,这个“碳”字用得并不准确。

“煤制氢”实质并不是用煤来制氢

新京智库:也就是说,不管用什么方式制氢都会有排放?我们现在所能做的就是如何更有效地减少排放?

郭烈锦:是这样的,用传统的方法都会有排放,但变革性的方法可以做到没有排放。通常俗称的煤制氢其实不是用煤来制氢,其主体还是用水来制氢,煤的作用其实只是用其热能去驱动水汽变换反应实现分解水制氢。当前已工业化使用的煤制氢、煤制油技术其实都要消耗大量的水,所以这个名字也误导了公众。

新京智库:有数据显示,制1吨氢要耗12吨水。真实的情况是什么样?

郭烈锦:理论上,生产一吨氢气消耗多少水从反应方程式很容易算出。但现实中,制氢过程中所耗的水比这个数高得多,有很多水在过程中被浪费了。因为当前煤制氢的工艺太复杂,除了生成氢气所用的那部分做原料的水外,大量干净的水是被主反应以外的辅助工艺过程消耗掉或变成污染的水了,而且还增加能耗。

新京智库:为什么用煤发电或者煤制氢就一定会排放污染物?

郭烈锦:并不是用煤发电和制氢就一定会排放污染物,而是目前人类大规模采用的燃煤发电和常规煤制氢方法一定会排放污染物。因为虽然煤炭(以及石油、天然气)主要是碳氢化合物,但煤炭中还有灰分如钙、镁、铝硅等各种金属或无机元素的氧化物、盐类化合物成分。这种不纯的物质放到锅炉或汽化炉炉膛内去燃烧或部分氧化气化,空气的成分不纯,其所含硫、氮等燃烧后就成了污染物——从烟囱排放的是气体污染物,湿法脱硫、脱硝等还会排放液体污染物,还有固态炉渣。

新京智库:所以我们不能选择煤制氢?

郭烈锦:不是不能选择煤制氢,而是不能用传统或常规的方法去煤制氢。要实现清洁无污染可持续发展,需要尽量用更少的水,同时让能量转化效率尽可能地高,尽量不要有污染物排放,即便做不到零排放也要尽量少排放。

新京智库:那有什么技术能避免这个过程的污染排放吗?

郭烈锦:有。比如“水蒸煤技术”,其全称叫“煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术”(编者注:该技术于2018年2月在西安作为示范项目正式启动),它可以让制氢、发电、供热和产高纯二氧化碳的多联产一体化一次完成。这是我们实验室1997年以来启动的一项研究的成果,当时就想怎么革传统锅炉的“命”,从而使得煤炭可以更干净、高效的转化生产出电和氢。

我们发现:利用水在超临界状态(温度和压力达到或超过临界点374.30C/22.1MPa)下一系列独特的物理化学性质,可以实现煤的完全无污染、无二氧化碳排放的洁净、高效转化利用。而且,还可以最大程度地节约用水,对发电而言它不耗水。

解水制氢最大挑战是成本太高

新京智库:所以将来制氢还是需要探索出一些其他的方法。比如海上制氢,因为海上既有水,也有风能、太阳能。海上制氢是不是获取氢气的最佳选择?

▲风力发电。图/新京报资料图

郭烈锦:氢主要是从水里来,所以也可以从海水中来。太阳能直接分解海水制氢,我们也一直在研究,已经做了一二十年。未来,如果成本、大规模化都不成问题了,能满足商业化需求时,当然也就能成为主要的技术选择之一。

其实,分解水制氢,不管是用电解、热解还是光解,都是输入能量用以将水分子的氢氧结合键打断,生成氢气和氧气。所以海上电解水制氢,如果有现成的光伏或风力发电装机,不妨鼓励加装电解水制氢装置,将这部分电能转化成氢能的形式存储起来。但如果需要新建机组,则有多种技术路线可以选择,要做全面的技术经济性分析。比如用太阳能,用太阳光直接分解水制氢也是一条途径,它比先发电再电解海水制氢少一个过程。多一个过程就多一个耗能的环节,投资和成本也会增大。

目前,电解水制氢的效率在实验室做得最高的大约80%,商业光伏发电的效率也就20%左右,如果是光伏发电再来电解水制氢,效率就更低了。

新京智库:所以,这也是为什么现在电解水制氢量很低的缘故?

郭烈锦:是的。目前还是投资和成本太高,承受不了。

新京智库:那可再生能源电(光)解水制氢与“煤制氢”的成本相差到底有多大?

郭烈锦:简单报个数据你就知道了,如果是电解水制氢,制一标立方的氢气大约消耗4度电,技术不好耗到约5度电。这成本就要看用在哪里,什么季节发的电。如果是在广东、江浙一带,一度电1-2元,就根本划不来。传统已成熟的煤制氢,一标立方的氢成本大约是七八毛钱,即便高时也在一元钱以内(折算为电是1度左右)。

但在有的地方,比如三北地区(指东北、华北北部和西北)风、光、水力发电的电都发出来了却用不完,自然应该鼓励加装电解水制氢装置,当然前提是当地也得有水,没水也不行。

新京智库:但那些地方正好缺水。

郭烈锦:对,自然环境也对于发展制氢和氢能产业有很大的制约。所以要根据自然资源环境条件来选择技术路线,不要硬性推广什么电解水制氢。

新京智库:你认为我国什么时候能够实现氢占主导的局面?

郭烈锦:我当然希望越快越好,但是事实上受到很多因素的影响,比如对氢能的全面准确认识、如何看待对传统产业可能造成的挑战等等。

新京智库:这个局面好像也不只是中国这样吧?

郭烈锦:不完全这样,比如日本、韩国,本来就是能源短缺国家,能源主要靠进口,与其买燃烧有污染的化石燃料,不如买无污染的清洁氢能,因此全社会往氢能转型的积极性就很高,发展动力大,现在的技术储备也非常好。这也是为什么日本、韩国都把重点放在氢燃料电池汽车及家用燃料电池技术攻关和产业化及其推广上了(编者注:有研究论文显示,日本在氢能和燃料电池领域拥有的优先权专利占全球的50%以上,并在多个关键技术方面处于绝对领先地位)。日本人在30年前就开始研发太阳能直接制氢,电解水制氢技术也有,但并没有作为最主要的技术。日本的能源发展规划中也从过去的买煤炭、石油、天然气等向直接购买氢能转变。

氢燃料电池汽车成本会降下来

新京智库:我国氢气主要应用于工业(尤其化工)、交通、建筑和电力等主要领域,你认为在哪个领域用氢气替换现有的能源将实现更大的碳减排效应?

郭烈锦:迄今为止,我国还停留在只是把氢作为原料,而非能源来用。所以要说目前氢能在碳减排上有什么效益,现在是还没效益。只有把氢作为能源来用,去替代交通工具、移动动力上所消耗的化石燃料,去替代传统电力、化工、冶金、材料和建筑等规模工业和民生产业中所使用的化石能源,才能产生有真正价值和规模的碳减排效应。

新京智库:现在的问题是,氢燃料电池汽车商业规模的体量非常小。你认为主要原因是什么?

郭烈锦:原因还是成本太高。比如目前的电动汽车,尽管存在这样那样的问题,但由于实现大规模生产后,目前其成本比氢燃料电池汽车还低,所以市场接受度还是更高。但随着氢燃料电池技术的进步,大规模生产的实现,成本肯定会大幅度降下来。

▲这是我国自主研发的首台氢燃料混合动力机车。新华社记者 曹阳 摄

这个成本包括生产制造氢燃料电池汽车本身的成本和制氢的成本。还有一个受限因素是,氢作为能源的基础设施还没有建起来。这个问题应该很快将得到解决,国家正在大力推动建设氢能及燃料电池产业示范城市群(编者注:2020年9月,财政部、工信部等五部委下发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》明确,对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励,形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展新模式。此后,京津冀、长三角等多省市宣布成为该项目示范城市。)

新京智库:今年国内外的氢燃料电池汽车市场表现都不错,前8个月全球销量超过去年全年。这是不是个好现象?

郭烈锦:当然是好现象,以后年年都会有增长,我相信,“未来人类用能模式一定是由氢和电作为同等重要的二次能源主体来构成”。这是人类未来发展的基本前景。这个不用怀疑,只是时间早晚的问题。

新京智库:但是国内氢燃料电池汽车还是有很多短板。你最想对我国的燃料电池汽车产业发展说点什么?

郭烈锦:其实,一二十年前我们国家就有发展氢能及燃料电池汽车等技术的机会,但错过了。目前我们国家在氢能和燃料电池的产业链技术上,尤其是核心技术上,与先进国家相比确实还有很大差距,比如燃料电池汽车的八大核心关键技术、氢泵及压缩机、加氢喷枪、高压阀门、涉氢材料和器件及其加工工艺和技术等,都需要加快布局攻关。因此需要实事求是地,从实用出发,从最基础最基本的问题着手,切实努力攻关,把失去的时间赶回来。

令人欣慰的是,从2017年后起,从国家到地方各种相关政策陆续出台,现在产业已经有驱动向氢能转型的势头,市场已经慢慢热起来了。有很多企业也有了主动投资介入氢能产业链的积极性。

新京智库访谈员 | 肖隆平

编辑 | 张笑缘

校对 | 陈荻雁

网友85e4502848:这不能把院士的话当圣旨。氢燃料的利用早就开始了,过去的火箭就是用液氢做燃料。它清洁没有争议。但是院士不一定对工程在行,特别是实用技术方面。氢燃料及其不稳定,使用成本太高,有极大安全隐患。这就是为什么氢液氢火箭技术成熟了,人们还要研发出固体燃料火箭。 马斯克本人就是个幻想加实干的科学家和%工程师,在介入新能源汽车方面毫不犹豫选择了纯电而非氢燃料电池。他的思维更实际:你如何让一个想法在可接受的成本下得以实现。另一个例子是激光雷达和摄像头的的争论,他选择了摄像头。因为两者成本差距太大。实用技术要利于普及才有市场价值。

蝙蝠原随云:马斯克现在改变观点了,无人驾驶开始重新重视激光雷达了,华为把激光雷达降到了很低成本

楠湖客:氢是最环保的能源,氢产生的尾气为水。但制氢目前还较复杂,成本较高。如果能把成本降下来,氢应该是目前己知的能源中最有前景的能源。

Q1y3L2:压缩空气能也能作为汽车的动力,压缩空气和制氢都需要电,风电光电都是不稳定的能源,都可以用来制取可稳定输出的新动能,它们都需要一种关键的器件;储能压缩罐。只要有足够安全足够廉价足够数量的储能压缩罐,氢气和空气都可以作为汽车的动力源。

接秋梵豫9a:氢能源,人类的终极能源[赞同]

hhl7820:终极能源是核聚变

网友85e4502848:丰田已经搞出了氢燃料车并投放市场。但是,日本人搞复杂了,走了一条看似光明但十分曲折的道路。如果马斯克也从氢燃料电池入手搞车,恐怕还不如丰田。但是,丰田的氢燃料车成本高居不下,根本拿不出好办法。 大道至简,这就是马斯克所说的第一性原理。锂电生产技术日趋成熟,早已经形成了大规模生产。对现有技术进行改造,能更快进入市场。这也是在马斯克的带领下,近两年电动车的迅猛发展让丰田倍感压力。不仅丰田的油车技术积累即将进入博物馆,而这几年搞出点眉目的昂贵的氢燃料车技术也面临出局的危险。

whl2077:最好的能源 就是太阳,人类要永续生存,就尽量不使用地球上现有的资源,而使用太阳能进行转化。

打酱油的老虎:车载甲醇重振制氢的小型化可能是个方向,背一个大储氢罐肯定不行,太危险了

tiejiang1975:就现在中国小区地下车库的设计,这氢能源车都将是一个个的巨型炸弹,如何安全利用是为关键,不然,最终又会是一个核能,看上去美好,用起来恐怖。

爱管闲事Sv7i8:用电制氢,还不如直接用电。所以,不解决制氢技术,氢就无法成为能源。

Jack20201106:不要被忽悠,氢燃料电池不是什么新能源,只是电池而已,储存能源的器件,它不像风能,光能,核能,能产生能量,它只是储能,把电能制氢,再通过氢燃料电池将氢化学能转为电能。

knowunbounded:(1) C O₂ -> CO₂(放热反应,变成炽热的碳)(2) C H₂O -> CO H₂(吸热反应,利用化学式1产生的高温)(3) CO H₂O -> CO₂ H₂(放热反应)说了半天,本质还是通过煤中主要元素碳与氧气燃烧反应产生高温热能,利用热能和化学反应将水转换成氢气,本质和电解水一样,只不过煤比电便宜。

tovey91:如果全球都用水制氢,那么是否加剧水荒?还有海水是否因此降低,现在全球都担心水位上升的问题。

盈同xC:关键是技术专利要掌握在自己手里,否则产业发展的再好,也是替别人做嫁衣裳!

Q1y3L2:希望红旗和奇瑞进军氢能源汽车行业。这样能发挥自己的传统优势。

阿弥陀佛ZGL:坚决抵制新能源汽车进入地下车库充电!!!

慕飞荷fz:氢气制甲醇好办法

mingo1961:如果氢的获取也能零排放,氢能才可能全是大有前途。

悠然君2c0f4:决定人类未来的能源,人家日韩有赌对了,走在了世界前列

文冠养生:氢最大的问题是贮存和运输,密度小,易燃易爆

幸福空间站:什么是终极能源?

成都12356988:核能,大功率核电池