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氫能到底是不是“21世紀(jì)人類終極能源”?截至今天，全世界范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和業(yè)界就該問題尚未達(dá)成共識。
贊成與反對陣營都很龐大，就反對者而言，現(xiàn)實(shí)的確給他們提供了充足的反對理由：
就在去年，全球氫燃料電池汽車先鋒日本及其國內(nèi)三大車企齊齊倒戈，轉(zhuǎn)投純電動汽車懷抱。
但是至少，中國的學(xué)術(shù)界和業(yè)界不是這么認(rèn)為的。
就在日本放慢氫能發(fā)展腳步的時候，中國氫能產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展之迅猛，卻超出不少人的想象。
2019年，氫能首次寫進(jìn)《政府工作報告》。 2020年，氫能被寫入《中華人民共和國能源法》(征求意見稿)。. 同年，國務(wù)院發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出，要加速發(fā)展綠氫制取、氫儲運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)氫能及燃料電池技術(shù)創(chuàng)新、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。 2021年兩會上，氫能被正式列入國家“十四五”規(guī)劃和2035年愿景目標(biāo)。目前國家、各省市已陸續(xù)推出近百項與氫能及燃料電池有關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策，產(chǎn)業(yè)正處于導(dǎo)入發(fā)展期，產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境對發(fā)展氫能及燃料電池有巨大的推動作用。
時至今年，政策力度仍在不斷加強(qiáng)。 今年3月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》重磅出臺，帶來了行業(yè)期盼多年的頂層設(shè)計。 這標(biāo)志著整個氫能產(chǎn)業(yè)終于走上了康莊大道，讓眾多押寶氫能的從業(yè)者松了一口氣。
可以預(yù)見，我國氫能產(chǎn)業(yè)的騰飛已成定局。
預(yù)計在未來，尤其是2030年以后，為達(dá)成“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，氫能需求量將持續(xù)快速增長。到2050年，中國氫氣年產(chǎn)量將超過6000萬噸。
氫氣本身有許多優(yōu)點(diǎn)，而使之成為“21世紀(jì)終極能源”有力競爭者的核心優(yōu)點(diǎn)如下。
首先，氫氣無毒無害，且清潔性好。
從來源上看，通過對制氫源頭的工藝和生產(chǎn)控制，是可以實(shí)現(xiàn)氫氣成為綠色零碳排放的二次能源。
從使用上看，無論是氫燃料電池還是氫氣的直接燃燒，氫能的利用過程中只產(chǎn)生可達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)的水，非常符合我國碳中和的目標(biāo)需求。
其次，氫氣的來源極為廣泛和豐富，畢竟氫元素占到了自然界的約75%。
目前主流的儲能方式，還是以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能，但鋰離子電池不僅能量密度低，更致命的是，前瞻碳中和戰(zhàn)略研究院副院長李民指出，從長遠(yuǎn)來看，使用基于鋰離子電池的儲能方案，會面臨鋰等關(guān)鍵資源匱乏的困局。
而以氫氣作為能源的載體，則不虞耗盡風(fēng)險。
最后，氫能作為21世紀(jì)人類終極能源，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也是典型的高精尖，科技含量高、資本投入大、產(chǎn)業(yè)鏈長、帶動的產(chǎn)業(yè)范圍廣，是推動我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和動力系統(tǒng)革命的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
但與此同時，氫能發(fā)展存在幾個難以回避的問題，如果不能得到解決，中國氫能振興之路將遙遙無期。
在終端價格方面，加氫站所供給的氫氣產(chǎn)品價格目前為每公斤約60元，每公斤氫氣能驅(qū)動汽車跑約100公里，也就是每百公里要花費(fèi)約60元的燃料費(fèi)。
然而燃油車呢?2021年我國乘用車每百公里油耗上限要求已經(jīng)下降到每百公里5L，以目前油價8-9元/L計算，每百公里花費(fèi)在40-45元。
請注意，這還是在目前油價高企時的結(jié)果，如果油價大幅下降到6元/L等級，那么燃油車的每百公里花費(fèi)只有約30元，是目前氫燃料電池汽車燃料費(fèi)的一半。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民表示：“當(dāng)加氫站的產(chǎn)品氫氣價格降至30元/公斤以下時，氫燃料電池汽車才有與燃油車競爭的能力。” 要解決上述有關(guān)氫能及燃料電池經(jīng)濟(jì)性和競爭性問題，必須通過氫能全產(chǎn)業(yè)鏈上技術(shù)、工藝、生產(chǎn)制造以及市場應(yīng)用等關(guān)鍵方面上來創(chuàng)新、迭代、升級以實(shí)現(xiàn)!
以下是按照氫能全產(chǎn)業(yè)鏈——制氫、儲氫、運(yùn)氫、用氫方面的分析研究以論證氫能為何為21世紀(jì)人類終極能源。
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作為二次能源的氫能，氫氣的制取有如下幾種工藝和生產(chǎn)途徑：
1. 化石能源制氫，包括天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫、工業(yè)醇類制氫等。這些工藝過程所制取的氫氣統(tǒng)稱為灰氫，即：在氫氣制取過程中有大量二氧化碳排放。同時，如果這些灰氫用CCUS技術(shù)和工藝處理后將成為藍(lán)氫，因此，藍(lán)氫成本相當(dāng)高。
2. 電解水制氫，該工藝和生產(chǎn)過程使得綠氫(即：零碳排放)的制取成為現(xiàn)實(shí)。
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目前，各種制氫方式的市場占比比較如下：
2021年，國內(nèi)天然氣制氫占32.7%;煤炭制氫占29.4%;工業(yè)副產(chǎn)氫占23.6%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占11.4%，電解水制氫約占3%。
相比較而言，2021年全球范圍內(nèi)制氫方式的占比為天然氣制氫占54.3%;煤炭制氫占12.3%;工業(yè)副產(chǎn)氫約占5.8%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占21.6%，電解水制氫約占6%。
同樣，在2021年，日本的制氫方式的占比為天然氣制氫占9.2%;煤炭制氫占7.6%;工業(yè)副產(chǎn)氫約占17.8%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占16.3%，電解水制氫約占49% (主要為鹽水電解水制氫)。
如前所述，只有電解水制氫工藝和生產(chǎn)過程才能實(shí)現(xiàn)零碳排放的綠氫，關(guān)鍵是，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一定要用零碳排放的電(即：綠電;比如太陽能、風(fēng)能、水電、核能)，來電解水制取的氫。
要使得氫能有效地促進(jìn)中國實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，使其真正承擔(dān)起21世紀(jì)終極能源的歷史責(zé)任，必須要大力發(fā)展綠電電解水制綠氫這個產(chǎn)業(yè)。
我國具有發(fā)展綠電電解水制取綠氫的優(yōu)異的技術(shù)、地理和市場優(yōu)勢，比如：可以充分利用巨量的西北地區(qū)的棄光和棄風(fēng)，來進(jìn)行電解水制取綠氫。
同時，從規(guī)模化市場應(yīng)用角度，可通過中國的國際領(lǐng)先的特高壓輸送技術(shù)，把這些綠電輸送到東南沿海，進(jìn)行市場消納，特別是電解水制取綠氫。另一個途徑是采用上述利用棄光和棄風(fēng)所制取的綠氫，在西北當(dāng)?shù)剡M(jìn)行儲存，然后輸送到東南沿海，進(jìn)行市場消納。
電解水制氫目前主要有三種技術(shù)路線，即：堿性電解水(AWE)，質(zhì)子交換膜(PEM)電解水以及固體氧化物電解水(SOEC)三種技術(shù)路線。
主流的堿性電解水技術(shù)雖然成本相對較低，但效率偏低、產(chǎn)氫純度偏低、強(qiáng)堿腐蝕性、沉淀堵塞降低性能以及動態(tài)響應(yīng)速率慢等諸多嚴(yán)重問題，使其在氫氣產(chǎn)出需求大漲的今天已經(jīng)不敷使用。
而在高速發(fā)展的質(zhì)子交換膜(PEM)電解水技術(shù)上，我國尚處于技術(shù)落后狀態(tài)。
核心問題在于組成膜電極的核心零部件——質(zhì)子交換膜、催化劑等。
基于酸性條件下的PEM電解水制氫對陽極側(cè)的催化劑載體與電解池材料的抗氧化與耐腐蝕要求高，滿足條件的催化劑只有鉑、銥等貴金屬及其氧化物。
然而，這兩種貴金屬在地殼中的資源儲量及全球年產(chǎn)量都非常少，資源稀缺、價格昂貴。
盡管，近年來PEM電解槽成本已下降超過40%，但材料成本過高仍是PEM水電解制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展亟待、解決的主要問題。
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在這方面，國內(nèi)稍稍落后，國際領(lǐng)先水平的催化劑用量已實(shí)現(xiàn)<0.2g/kW，而國內(nèi)最頂尖的催化劑用量普遍處于約0.35g/kW的水平。
因此，質(zhì)子交換膜技術(shù)卡脖子問題依然嚴(yán)重，大量依賴進(jìn)口。 另外，氫氣的儲存與運(yùn)輸有如下幾種工藝和實(shí)施途徑： 氣態(tài)儲運(yùn)、液態(tài)儲運(yùn)以及固態(tài)儲運(yùn)。
而前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民指出，在這方面，問題同樣出在材料。 氣態(tài)儲運(yùn)分成兩種形式，主流的是高壓氣態(tài)儲運(yùn)，通過長管拖車運(yùn)載裝著氫氣的高壓儲氫瓶運(yùn)輸，占所有儲運(yùn)方式超過80%。 高壓氣態(tài)儲運(yùn)的難點(diǎn)在于，氫氣是分子最小的元素，密度最低，易散性最強(qiáng)等特點(diǎn)，想要提高其儲運(yùn)效率，必須將其加壓到數(shù)百個大氣壓的高壓，使得儲氫瓶瓶壁材料承受巨大的考驗;
與此同時，氫氣，尤其在高壓環(huán)境下極易和金屬反應(yīng)，發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，對金屬結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度造成破壞，所以儲氫瓶材料最好不用金屬。 非金屬，又耐壓，并且輕便。這樣的東西的確是有，比如：碳纖維和工業(yè)樹脂。 在國際范圍內(nèi)，35MPa的III型儲氫瓶乃至70MPa的IV型儲氫瓶已經(jīng)在車用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普遍應(yīng)用。
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所謂IV型瓶，就是純粹的非金屬儲氫瓶，以特殊的工業(yè)化學(xué)樹脂作為內(nèi)膽，中層是碳纖維強(qiáng)化樹脂，外層是玻璃纖維強(qiáng)化樹脂的高壓儲氫瓶。 但在國內(nèi)，應(yīng)用最普遍的還是35MPa III型儲氫瓶，以鋁為內(nèi)膽。
比起III型瓶，Ⅳ型瓶可以抗氫脆，更安全;且儲氫密度可以達(dá)到6.0wt%以上，高于III型瓶的約3.5wt%;由于其材質(zhì)，IV型瓶本身重量也輕得多。 同時從經(jīng)濟(jì)性上來講，Ⅳ型儲氫瓶制造成本要比III型瓶低得多，而且其由于內(nèi)膽為樹脂，不易疲勞失效，使用壽命較長，進(jìn)一步降低了消費(fèi)成本。
對于Ⅳ型儲氫瓶，國內(nèi)無論是在樹脂內(nèi)膽材料還是中層、外層碳纖維/玻璃纖維纏繞材料上，都長期嚴(yán)重依賴進(jìn)口，高壓儲氫瓶口閥門組與樹脂內(nèi)膽之間密封等關(guān)鍵技術(shù)也被卡脖子。 高壓儲氫瓶口閥門組技術(shù)基本由日本捷太格特、加拿大GFI和美國Luxfer等國外公司掌握。
由于上述技術(shù)受制于人，自然無法降低儲氫成本。 當(dāng)然，國內(nèi)也不是毫無寸進(jìn)。 在碳纖維材料方面，據(jù)悉，上海石化去年已取得了重大突破。
其公告中稱，“今年10月，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程，第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。” 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民進(jìn)一步指出，同時，另一種投入商業(yè)化應(yīng)用的氣態(tài)儲運(yùn)形式是通過管道，輸送含氫氣的混合氣體(比如氫氣-天然氣混合氣體)，好處是一次建設(shè)，終身使用，壞處是初始投資大，需要慢慢布設(shè)，氫氣分離的成本較高(比如：膜分離器提取氫，氫-天然氣混合氣體重整提取氫)，遺憾的是，國內(nèi)在氫氣的混合氣體分離技術(shù)方面同樣存在卡脖子技術(shù)問題。
中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出，截止2021年，全世界總共只有不到5500公里的輸氫管道，基本分布在美國、日本、歐洲。 在液態(tài)氫氣儲運(yùn)方面，一種方法是低溫液態(tài)氫氣儲存與運(yùn)輸，把氫氣溫度在高壓下降低到-240℃以下，使其液化，體積可以縮小800倍以上，相較氣態(tài)運(yùn)輸效率提高12倍以上;
另一種方法是有機(jī)液體氫氣儲運(yùn)，比如：用工業(yè)甲苯，經(jīng)過加氫反應(yīng)，使其變成甲基環(huán)己烷(物理特性與柴油類似)運(yùn)輸，使用時再經(jīng)過脫氫反應(yīng)，獲得滿足氫燃料電池所需純度的氫氣。 在液態(tài)氫氣儲運(yùn)的技術(shù)及市場應(yīng)用方面，日本處于國際領(lǐng)先地位，尤其在低溫液態(tài)氫氣儲運(yùn)方面。
然而，這兩種液態(tài)氫氣儲運(yùn)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性都較差，比如：低溫液態(tài)儲氫罐采用的是多層真空隔熱材料，其成本相當(dāng)昂貴，有機(jī)液體儲氫由于采用了加氫和脫氫工藝過程，使其成本同樣高昂。 有關(guān)固態(tài)儲氫，實(shí)際上是固態(tài)金屬儲氫，目前已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但離規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用仍有一段距離，最大挑戰(zhàn)是如何達(dá)到理想化的重量能量密度。
接下來我們討論一下加氫站產(chǎn)業(yè)。 加氫站所包含的高能耗設(shè)備和材料相當(dāng)多，即：多級氫氣壓縮機(jī)、加氫槍，以及各種類型的高壓儲氫罐(長管車，加氫站儲氫罐)等加氫站內(nèi)的核心設(shè)備基本上依賴進(jìn)口，這方面技術(shù)卡脖子的問題尤為突出。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民指出，按照國際能源權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的信息，一個規(guī)模化商用加氫站的建設(shè)造價可達(dá)1200-1500萬元人民幣。 另據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2020)》，加氫站設(shè)備與材料的成本占其建造成本的約90%。
相較而言，1個擁有10臺輸電槍的充電站(用于純電動汽車)，只需要80-100萬人民幣的建設(shè)造價，因此，目前加氫站在經(jīng)濟(jì)性方面還無法與充電站比擬，所以為了盡快提升加氫站經(jīng)濟(jì)性與競爭性，解決上述核心設(shè)備與材料技術(shù)卡脖子問題，以促成國產(chǎn)化替代尤為迫切。 值得期待的是，上述關(guān)鍵設(shè)備，如：氫氣壓縮機(jī)、加氫槍一旦實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。建站總成本有望下降超過50%。
從世界范圍來說，加氫站供給的氫氣產(chǎn)品價格基于：制氫成本-約50%;氫氣儲運(yùn)成本-約20%;以及加氫站成本-約30%。 在氫氣的產(chǎn)業(yè)用戶方面，其最重要的應(yīng)用場景之一——?dú)淙剂想姵仄嚿希瑲淙剂想姵仉姸颜剂藲淙剂想姵叵到y(tǒng)總成本的約60%，而氫燃料電池系統(tǒng)又占了整車總成本的約55%。
前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民表示，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)處于導(dǎo)入的關(guān)鍵時期，取得了相當(dāng)程度的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展成果，換句話說，我國已初步掌握了氫燃料電池電堆及系統(tǒng)的工藝及生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)具備了規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用的條件。 然而，由于氫燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵材料與核心零部件技術(shù)并未完全掌握，導(dǎo)致氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈并不完備，國產(chǎn)化程度仍然較低。因此，導(dǎo)致國內(nèi)氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)電效率、比功率、可靠性及經(jīng)濟(jì)性與國際領(lǐng)先水平相比仍有較大差距。
事實(shí)上，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)目前呈現(xiàn)“倒金字塔”結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)集成類企業(yè)眾多，而關(guān)鍵材料和核心零部件卻嚴(yán)重依賴進(jìn)口，比如質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層(碳紙)、金屬雙極板、電控噴氫器、氫循環(huán)泵、氫氣濃度傳感器、高壓儲氫瓶口組合閥、減壓器、空壓機(jī)背壓閥、玻璃纖維儲氫瓶材料、儲氫瓶用樹脂材料以及氫燃料電池混合動力控制系統(tǒng)等。 正因為上述眾多的卡脖子技術(shù)，導(dǎo)致我國目前的氫燃料電池汽車(如：SL03)的成本居高不下，完全不具市場競爭性。
舉例說明：目前中國在氫燃料電池系統(tǒng)的成本上最好能做到約7000元/ kW左右(額定功率為60 kW)，每輛氫燃料電池汽車造價約為70萬元人民幣。 相比之下，國際領(lǐng)先的豐田Mirai II的氫燃料電池系統(tǒng)成本約為2900元/ kW(額定功率為100 kW)，每輛Mirai II汽車造價約為48萬元人民幣。
顯然，一定要在上述氫燃料電池電堆及系統(tǒng)關(guān)鍵材料和核心零部件的卡脖子技術(shù)上，盡早實(shí)現(xiàn)突破，以早日實(shí)現(xiàn)其國產(chǎn)化替代。同時，盡快使國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)成本降低到2000元/ kW，從而使氫燃料電池汽車徹底具有經(jīng)濟(jì)性和市場競爭性。
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眾所周知，純電動汽車有幾個嚴(yán)重問題。首先，電池在低溫環(huán)境下迅速衰變，導(dǎo)致續(xù)航里程大幅縮短;其次，電池充電效率令人非常頭疼，一般需要30分鐘才能充電至80%。 相比之下，上述這些問題對氫燃料電池汽車而言反而成為明顯的優(yōu)勢。首先，氫燃料電池汽車在-35℃至45℃環(huán)境溫度下，依然可以滿功率工作，從而續(xù)航里程得到保證;同時，氫燃料電池汽車可以高效快速加氫，一般加滿氫僅需3-4分鐘。
因此，僅憑這兩大優(yōu)勢，氫燃料電池汽車就應(yīng)該是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向。
前瞻網(wǎng) | 
發(fā)表于 2022-11-28 10:29:41
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