“氫能提出了100多年，為什么不能作為燃料大規(guī)模使用?”8月9日，加拿大皇家科學(xué)院、加拿大工程院、加拿大工程研究院院士、國鴻首席科學(xué)家張久俊在2022鄂爾多斯零碳產(chǎn)業(yè)峰會上演講時稱，這是因為氫氣因燃點范圍寬，在室溫壓力下不能變成液體，對氫制備、儲存、運輸技術(shù)造成挑戰(zhàn)，所以價格相對較高。
目前，全球加氫站大約有400座，日本有100座，中國約兩三百座。全球加氫站預(yù)計到2032年達(dá)到5000座，尚不能達(dá)到完全規(guī)模化。
“建立一個加氫站大約需要1000萬-2000萬元，只能加200-300公斤的氫氣。”張久俊說，燃料電池用的氫純度很高，氫純度需要達(dá)到99.999%。
“氫燃料的價格大約是每公斤60元，”張久俊說，它要降到35元，才能和汽油相媲美。目前，燃料電池率先在重卡上使用，就是因為重卡對氫氣的依賴度比較小。
戰(zhàn)略和應(yīng)用
氫能發(fā)展戰(zhàn)略是“碳中和”戰(zhàn)略中的重要組成部分。
今年3月23日，國家發(fā)改委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》。規(guī)劃明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分。
張九俊認(rèn)為，根據(jù)規(guī)劃，氫能發(fā)展戰(zhàn)略大致可以分為四個階段目標(biāo)：第一階段目標(biāo)是，可再生能源制氫量達(dá)到10萬-20萬噸/年，成為新增氫能消費的重要組成部分，實現(xiàn)二氧化碳減排100萬-200萬噸/年;第二階段是到2025年基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設(shè)一批加氫站;第三階段是到2030年，形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系;2035年形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源在終端消耗中的比例明顯提升。
氫能源清潔無污染，來源廣闊，太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電之后，電解水可以制氫。此外，燃燒中的氫氣的能量密度是最高的。
張久俊說，氫氣的能量密度大約是140.4兆焦耳/公斤，比汽油高三倍。高能量密度正是氫氣實現(xiàn)新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要基礎(chǔ)，也是氫燃料電池預(yù)計實現(xiàn)后來者居上的基礎(chǔ)。
氫能利用包括制氫、儲氫、用氫三個主要環(huán)節(jié)。在應(yīng)用端，氫能主要應(yīng)用在化工燃料、燃料電池和微電網(wǎng)三個場景上。
“現(xiàn)在，氫氣有60%用于合成氨化肥上，38%用于煉油和煤的深度加工，只有非常小的一部分用于燃料電池。”張久俊說，未來，氫燃料電池汽車將成為最大的一個應(yīng)用場景。
預(yù)計到2030年，全球的氫燃料電池乘用車將達(dá)到1000萬-1500萬輛。張久俊覺得這個估計還有點保守，以中國的氫能發(fā)展趨勢，到2030年會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個數(shù)字。
制氫和轉(zhuǎn)換
目前，制氫主要來自燃燒化石燃料，主要是燃燒天然氣制氫。
“只有4%來自電解水制氫，價格昂貴，是化石能源制氫的兩倍多。”從事水制氫研究的張久俊說，“化石燃料制氫現(xiàn)在還可以用，未來我相信不會用這個方法，因為國家已經(jīng)明確規(guī)定不能用化石燃料來制氫。”
根據(jù)中國氫能發(fā)展規(guī)劃，到2030年氫產(chǎn)量每年達(dá)500萬噸，到2060年每年達(dá)到1億噸，電解水制氫占比達(dá)到80%。
“現(xiàn)在電解水制氫在學(xué)術(shù)界是熱點。”張久俊說，催化劑的發(fā)展有很多高水平的論文。
未來，中長期制氫還將加入太陽能制氫。“利用太陽能聚集到某一個點上，達(dá)到2500度的時候加上催化劑，水在上面一潑，就可以產(chǎn)生氫氣。”張久俊稱。
制氫之后，在動力行業(yè)，如何將氫轉(zhuǎn)換成動能和電能?
張久俊認(rèn)為主要有兩種方式，一個是氫內(nèi)燃機方式，也即類比傳統(tǒng)動力系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)鉄停梢杂脙?nèi)燃機燒氫氣。
“這種方式有它的問題，燃燒會產(chǎn)生一氧化氮。”張九俊說，受卡諾循環(huán)(Carnot cycle) 的限制，這種方式的能量轉(zhuǎn)換效率只達(dá)到30%-40%，對內(nèi)燃機系統(tǒng)也會造成損壞。
另一個轉(zhuǎn)換方式，就是氫燃料電池產(chǎn)生電能來驅(qū)動汽車。
張九俊認(rèn)為氫燃料電池驅(qū)動汽車的能量效率高，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)60%-80%，污染小、噪聲低，裝置可大可小，應(yīng)用靈活。
儲存和安全
氫氣目前儲存有三種方式，一種是高壓氣體儲存，一種是液態(tài)儲存，一種是固態(tài)儲存。
現(xiàn)在用的最多的最成熟的技術(shù)，是高壓儲氣罐加氫。
日本的氫燃料電池汽車一般會使用三層結(jié)構(gòu)的儲氣罐，三層分別是內(nèi)膽，加上一層不銹鋼或者合金鋁，外面是碳纖維纏繞。
“這種儲氣罐可以盛700個大氣壓的氫氣，大約是5公斤氫氣。”張九俊分析道，這種規(guī)模的儲氫罐可以維持500-700公里的續(xù)航里程。
加氫站是把液態(tài)氫氣或者高壓氫氣經(jīng)過變溫變壓，給汽車充氫氣。
“汽車加氫只需要3-5分鐘，非常快，這就比鋰電池電動車有很大的優(yōu)勢。”張久俊說。而加氫站的普及，則成為燃料電池發(fā)展的一個障礙。因為它太貴了。
“建立一個加氫站大約需要1000萬-2000萬元，只能加200-300公斤的氫氣。”張久俊說，燃料電池用的氫純度很高，氫純度需要達(dá)到99.999%。
“氫燃料的價格大約是每公斤60元。”張久俊說，它要降到35元，才能和汽油相媲美。
為了推廣加氫站建設(shè)，地方政府紛紛豪擲補貼。重慶市給予加氫站每站最高300萬元的運營補貼，溫州市和寧波市均給予500萬元，濮陽市給予1000萬元，武漢市則給出了2000萬元的頂格補貼，幾乎等于政府掏腰包建加氫站。
而在氫燃料電池的安全問題上，張久俊認(rèn)為人們普遍存在誤解。
氫氣的燃點范圍寬，在17—70攝氏度范圍內(nèi)，碰著火星就爆炸，這是利用氫氣的主要安全挑戰(zhàn)。
“但是氫氣即使爆炸，也是縮小體積的爆炸，大約是石油爆炸的1/22。并且氫氣的密度很低，一旦爆炸會在空中快速散開，燃燒速度非常快。它比爆炸的汽油要安全。”張久俊解釋道。
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