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中国科学院院士欧阳明高:以燃料电池商用车为先导带动绿色氢能全

发布时间:2022-09-19 00:51:34 来源:火狐体育链接 作者:火狐体育靠谱     


  由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

  大会由中国汽车工程学会等单位承办,将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题,邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动,200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

  其中,在8月26日举办的主论坛:“氢能与燃料电池汽车商业化”上,国际氢能燃料电池协会理事长,清华大学教授,中国科学院院士欧阳明高发表专题演讲。

  1、加快燃料电池汽车核心环节的技术创新,攻克关键技术难点,逐步降低成本;

  2、从工业副产氢,鼓励可再生能源制氢,到完全可再生能源制氢逐步过渡,实现燃料电池规模化应用;

  3、以燃料电池商用车的大规模商业示范为龙头来拉动,挖掘氢能全产业链的商业价值。

  尊敬的万主席,玉卓书记,各位领导,各位嘉宾,各位同行,大家下午好。我今天做报告的题目是以燃料电池商用车为先导,带动绿色氢全产业链商业化。我想分三个方面,首先介绍一下国际氢能燃料电池协会,这是我们刚刚由中国科协批准成立的一个国际性的协会,刚刚在6月30号召开了第一次会员大会和第一次理事会会议。万钢主席亲自出席这次会议,并发表了重要讲线个国家和地区,覆盖氢能燃料电池全产业链。协会的愿景是我们要做全球气候治理的贡献者,打造国际知名的国际组织,通过我们的努力实现全球氢能燃料电池规模化应用的市场环境,促进全球绿色低碳可持续发展,构建清洁美丽新世界,共建人类命运共同体。我们业务范围包括搭建国际学术交流,与合作平台推动政策标准规则的研究和制定,开展咨询服务,开展宣传和科普活动,建立共性技术研发的国际合作机制,发起国际合作项目,扩大组织的国际影响力。我们下个月会在上海召开国际氢能燃料电池汽车大会,欢迎大家的积极参与。

  下面我的报告主要讲三点,一是车用燃料电池发展的机遇与挑战,第二交通应用拉动氢基础设施建设,第三绿氢推动氢能全产业链商业化。

  首先,氢燃料电池商用车是中国氢能燃料电池的特色和优势,与十年前纯电动轿车类似,正在引领国际潮流。根据IEA 在2021年的统计,全球燃料电池商用车基本都是在中国推广的,巴士和卡车其它国家基本没有,都是在中国。我们回顾一下为什么会取得在全球的引领地位?是得益于中国燃料电池的技术进步和燃料电池汽车的一系列示范。跟2015年相比,2022年燃料电池汽车各项指标都是成倍的改善,比如说寿命,石墨双极板的电堆寿命从3000小时提高到15000小时。

  我们从2008年开始进行燃料电池汽车示范,第一次在夏季奥运会,轿车巴士一共十多辆,而刚刚结束的冬季奥运会,我们有1200辆燃料电池汽车参与示范,而且全部都是绿氢,是由张家口的风电制氢供应的,加氢站有几十座。说明从我们当年的十多辆车,2008年建的全国第一个加氢站,到现在发展到这么大,都是通过示范考核技术承载的。

  这些年来典型的研发模式,清华亿华通团队的“剥洋葱”模式,先解决系统,然后解决发动机技术,再解决电堆技术,每走一步都让它实用化,现在到膜电极解决了。

  2021年,中国市场典型的燃料电池发动机水平跟丰田和巴拉德是差不多的,但是在寿命方面有些差距,包括金属板的电堆,石墨板的电堆。但几条技术路线都取得突破。典型的示范工程就是这一次冬奥会,我们认为是很成功的。因为担心氢安全的问题,团队专门组织了国际氢安全国际执行委员会给我们把关,总体来看没有出现一例事故,这充分证明氢能是一个安全的,可实用化,可商用化,可规模化的一个技术。

  截至到2022年6月份,我们已经达到1万辆FCEV,“以奖代补”的五个城市群总规模也是万辆级。到目前为止已经有一两万辆,今后两三年国家补贴政策下的又是一万辆,所以今后几年是燃料电池汽车发展的最重要的窗口期。

  我们还面临的挑战,以及对策和路线图。首先是效率问题。大家知道提高了效率可以增加氢瓶的寿命,另外可以减轻热管理的负担,尤其是商用车,因为燃料电池供热温度跟大气温度的温差比较小,对于长途重载的卡车来说热管理尤其重要,因为它要持续运行。如果是300千瓦的燃料电池,基本150、160千瓦的热要散出去,而温差在夏天是很低的。所以效率问题,我认为是当前最需要解决的。鄂尔多斯因为有30多万辆矿山用的大卡车,他们做了燃料电池重卡、换电重卡、柴油重卡,这个城市是比较有代表性的。因为它的氢价补贴后25块钱一公斤,电价是4毛钱一度电。100公里25块钱,我们现在49吨重卡的氢耗是15公斤,每公里是3.75元。换电重卡每公里在2.75元以下,柴油重卡大概在2.5、2.6元,因为换电重卡可以低到2.3,所以换电重卡经济性可以比柴油重卡更好,但是离燃料电池重卡还有1块钱的差距。怎么办?就要提高效率,降低氢耗。我们下一步目标必须把49吨重卡的百公里氢耗由目前的15公斤降低到10公斤。为了降低氢耗,必须提高燃料电池的效率必须超过50%。

  第二个寿命问题,国内的燃料电池寿命跟国际还是有点差距的,我们目前大概是15000到18000小时的寿命,下一步我们要做到多少呢?我们必须做到25000,以前我们把这个作为2030年的目标,目前看来要提前到2025年。因为我们会面临国外产品的竞争,还会面临纯电卡车的竞争,因为纯电卡车很容易超过百万公里。我们必须提高寿命到25000小时,这中间包括材料的改进,电堆的改进,以及系统的改进,所以我们还要进行进一步的技术创新,来解决寿命问题。

  第三个成本问题,我们现在的电堆跟国际先进企业比还是成本偏高的,所以我们现在平均的电堆成本并不比国外低,当然国外有高的有低的,我们平均下来并不具备优势。我们要逐步降低成本,目前已经降低到5000块钱一个千瓦,降低的速度还是很快的,我们希望到2025年再降低到1000块钱,2030年到500块钱。对于成本的降低我们还是很有信心的,因为现在进入快速降低的通道,我们要通过规模化和国产化来降低成本。

  还有一个基础性的问题,就是膜电极。应该说中国的膜电极还不是完全自主的,因为有些材料,尤其是膜还是用的国外进口。现在山东东岳的膜要开始替代了,但总体还要努力,跟国外高性能的膜进行竞争。目前国外的膜成本比较高,膜电极应该说占到我们整个燃料电池系统技术的一半。膜电极是我们下面研发攻关的重中之重,我们的系统做的不错,电堆也正在解决,下面重中之重是膜电极的问题。膜电极有两点,一个是提高效率,我们要向60%迈进,未来可能要在发电系统中率先实现,车用系统会慢一点。我们要提高催化剂的活性,降低催化剂层的损失,需要在催化剂的结构上想办法,催化剂活性本身其实能做的已经不是很多了。另外就是降低我们质子交换膜的电阻,还有催化层的含水能力,主要是IC比还有反应问题。现在国际的趋势要把温度提升,温度提升之后,水淹的问题也会顺利解决。现在低温质子交换膜的燃料电池也是一个问题。燃料电池客车是很成功的车型,东奥1200多辆有900辆都是客车,在张家口700辆客车完全可以跟柴油车竞争,在北方可以跟纯电动竞争。冷藏车也完全没有问题,现在要攻克的是重卡和长途客车。可以扩展到各种重载交通工具,例如各种火车、船舶、飞机、还有SUV也是我们很好的发展的路径,包括出租车。这是第一个方面。

  第二个方面,基础设施。带动基础设施的发展,现在有260座加氢站。根据现在的实际情况,我们可以把副产氢作为过渡,绿氢逐步成为主流。初期为了把燃料电池的规模拉起来,我们对氢的来源要适当的多元化,如果全部限定绿氢,那么现在价格偏高,但是要很快过渡到绿氢上去。氢有两种性,一种正氢,一种是重氢,两种自旋方向是不一样的,化学性质是相似的,但是热力学性质相差很大,氢的质量能源密度很高,但是体积能量密度是极小的,所以储运是一个瓶颈。目前我们的储氢方式还主要是物理储氢中的气态储氢,只能是气态高压,其它的储存方式目前也不具备技术优势和经济可行性。对于这个,首先看车上的储氢,氢瓶现在是30兆帕,但是体积太大,下面必须往70兆帕发展,但是70兆帕的成本是比较高的。预计今后几年通过国产化可以做到接近2000块钱出一公斤氢,加上还有安全阀等等,争取到3000块钱出一公斤氢,这是我们三年之内追求的目标。

  另外就是储运,我们目前的储运压力是20兆帕,储运的成本太高。原料成本11块钱,20兆帕拉100公里到加氢口38块钱,所以我们必须要把这个压力提升到500个大气压,把运输成本降下来,因为这个运输成本是很高的,甚至超过我们的氢原料的成本。

  我们也要考虑其它的,比如说存氢管道,规模大的可以研发,但规模小的并不适用。还有一种就是站内制氢,如果运输的成本超过原料成本,那站内制氢是有优越性,而且站内制氢可以提高经济性,因地制宜,有的地方电费比较便宜,如鄂尔多斯、四川三毛五分钱一度电。

  面向燃料电池汽车的基础设施的发展路线图,从工业副产氢,鼓励可再生能源制氢,到完全可再生能源制氢逐步过渡。希望2025年加氢站到1000座,到2030年,燃料电池汽车到80万辆,预计在2030、2035年应该80到100万辆,届时我们需要5000座加氢站。希望到2030原料成本低于10块钱。

  最后说一下绿氢推动氢能全产业链商业化。我刚才谈论的是氢能燃料电池汽车,氢能源汽车是先导,不是氢能的全部,只是一个突破口。从未来新能源汽车革命的角度,可再生能源出来就是电,电完了就有氢,氢和电是可再生能源革命的两个主要的能源载体,氢电再互换。既是物质基础又是动力基础,氢又可以做气氨或者甲醇,不增加碳,甲醇不增加碳的前提是要从空气中捕捉再放回去。

  我们有两个支柱,储电、储氢,两个循环一个转换。全产业链从可再生能源、电网制氢、转换、储存、运输、转储、应用,氢燃料、氢储能、氢动力,我们每一种都有很多选择,所以技术路线选择是非常重要的,我们必须一步一步的改变我们的选择。看典型的路径分析,我们可以从可再生能源到电网,到检验制氢,高压气氢、灌输车、增压、氢动力,这是目前燃料电池的技术路径。燃料电池还有可能是用副产氢,基础好、产业链基本具备,但现在的问题是制氢的电价,运氢的距离和燃料电池车的效率。

  绿氨应用范围更大了。它可以制氢用、合成氨,远洋货轮会继续使用内燃机,因为它效率本身就是50%,并不比燃料电池效率低,所以完全可以用氨内燃机。还有我们的长途飞机可能还会用燃气轮机,但是燃料会换成氢合成的氨,这也是IEA的全球共识。

  目前绿氨出口价格是比较高的,也可以可再生能源制氢,制完氢无法消纳,完全可以制成氨出口。现在的问题是技术还不是很成熟,需要探索,电合成氨的化学合成法在发展之中,而我们传统的合成法的能耗偏高。

  第三个纯水制氢,绿氢是最清洁的路径,也可以用于各种途径。下面要重点讲讲氢储能的事。应该说目前的问题是制氢系统的成本和燃料电池发电的效率,因为氢储能是先把电变成氢,然后再氢变成电发回去,构成循环。目前看,绿氢技术链、产业链正在迅速崛起,氢动力正在商业示范,氢燃料有很多项目在规划之中。最重要的,目前要解决的是绿氢制取,如果绿氢的制取没有经济性,后面就很难有经济性。

  三种电解水制氢的比较。目前从效率的角度,碱性电解和质子交换膜效率差距不大,但是固体氧化物可以接近100%。投资的成本是目前只有碱性电解可以大规模商业化,质子交换膜的电解还有一些问题,比如说它要用稀有金属铱做催化剂,还有一些技术难题没有攻克。固体氧化物在国内处于初级阶段。

  目前全行业都在投入的就是碱性电解。中国的碱性电解系统是从哪里发源的?是718所为了做潜艇在50年代从苏联引进的。以前由于需求没有太多,所以技术长时间没有大的突破。目前行业的技术水平是偏低的,所以这个行业呼唤技术创新,我们团队刚刚做的一种新的系统,做了一些尝试,主要是在安全、高效、智能三个方面做工作。

  首先是安全。制氢系统安全是很大的问题,我们利用在奥运会上那个氢能点火的安全技术,把它移植到制氢系统上来。

  第二个,堆型以前都是圆的,其实这个堆型并不是最合理的,我们做了一种新的堆型。我们现在做的模块化的,每一个单品可以在现场直接拿掉的,500方或1000方直接扩展。

  第三个智能化,发展数字平台,智能监控,让整个运行过程在监控下。有什么好处呢?我们现在热定点的效率基本上很难有大突破,现在应该是解决全生命周期的效率,而我们如何保证整个效率在全生命周期是不变的?这是目前要解决的主要问题。当然,这里还有很多基础的东西都需要研究,包括隔膜、催化剂都需要创新,创新的空间很大。所以这个行业目前的关键是呼唤技术创新,希望大家都来进行技术创新,靠技术来竞争。

  可再生能源电解制氢的成本。碱性电解制氢的成本跟绿氢价格相关,电解槽的成本直接用的现在的价格。如果电力成本低于一毛五分钱,那么就可以跟煤制氢成本相当。

  集成化的氢能源系统,因为碳减排的主力还是工业和电力,电力是最重要的,由此我们煤发电的二氧化碳占到总的二氧化碳排放的40%,需要用氢能来解决这部分问题,也就是可再生能源长周期大规模的储能和利用,这就是氢储能的场景。从电力系统来讲,我们有发电侧、电网侧和用户侧。在发电侧的时候,我们用光伏风电制氢,电解水制氢,然后储氢。比如鄂尔多斯有很多煤矿的矿井废弃之后可以用来储氢,这是最便宜的方式,再发电回去,这个可以是替代煤去发电,来调峰。现在的煤电厂都在做灵活性改造,其实氢掺到煤里面对灵活性改造是大有帮助,因为煤的燃烧在30%左右就不稳定了,氢是更优质的燃料。我们也可以制成氨长途运输到一些比较远的发电厂。

  发电怎么发?我们可以燃料电池发电,现在正在做燃料电池发电系统。也可以有氢燃气能机。也可以是氨燃气轮机,也可以跟燃煤锅炉燃烧,甚至全部替代成氢或者氨。我们准备在鄂尔多斯做一个示范。

  总结来看,氢储能的优势,第一能量利用的充分性,大容量长时间的储能对可再生电力的利用更充分。另外,规模储能的经济性可观。第三,灵活能源可以用于各种动力。制储运的方式也很灵活,可以管道,可以拖车,高压电、长途输电、长途制氢也是可以的。

  最后做一个小结,当前的技术创新核心环节燃料电池、电解装置需要率先突破,降低成本,提高效率,延长寿命都是我们要做的。而且要从系统层次逐步的深入到材料层次,比如说碱性电解的隔膜,我们现在都是700微米的隔膜,很厚,电阻很大,孔也太大,造成氢、氧的互串,一部分运行氢串漏就超标,必须在隔膜上实现突破。储运的技术虽不理想,但革命性突破需要基础研究的发现,当前我们主要还是选择合理的储运技术路线。

  第二氢能的价值链,我们已经认识的是战略价值,所以催生了氢能热。我们亟待开发的是商业价值,商业价值的源头在哪里?就是绿氢的经济性。最后就是氢产业链,我们以绿氢制备的商业价值为源头来推动,以燃料电池商用车的大规模商业示范为龙头来拉动,这样就可以带动氢能全产业链的发展。

  我们展望一下,未来中国要实现碳中和,我们绿氢要到8000万吨以上。国际氢能委员会预测到2050年全球氢能利用的二氧化碳排放情况累计减少800亿吨,2050年当年减少70亿吨,所以这是非常值得期待的革命性的技术。

  最后,我要感谢我的团队来提供很多资料,感谢我的团队的全体成员。谢谢各位!

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