全國政協(xié)副主席,中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席 萬鋼
“鑒于新能源汽車多種技術(shù)路線呈現(xiàn)‘你追我趕’態(tài)勢(shì),燃料電池汽車要想脫穎而出,必須在2035年達(dá)到百萬輛級(jí)目標(biāo),如果達(dá)不到,行業(yè)將面臨風(fēng)險(xiǎn)。”中國科學(xué)院院士歐陽明高近期公開說明了當(dāng)前氫能及燃料電池行業(yè)發(fā)展的緊迫態(tài)勢(shì)。
當(dāng)前,世界各國都在將氫能源與燃料電池作為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象甚至列入國家能源戰(zhàn)略,不斷加大研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的扶持力度。在中國,氫燃料電池汽車正處于示范應(yīng)用推廣階段,2020年則是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn),規(guī)模再上一個(gè)臺(tái)階的重要年份。國內(nèi)應(yīng)如何協(xié)調(diào)推進(jìn)氫能和燃料電池汽車發(fā)展?近期,國內(nèi)在這一領(lǐng)域的兩位權(quán)威專家針對(duì)當(dāng)前行業(yè)內(nèi)外的主要問題,公開發(fā)表了各自的思考及建議。
在近幾十年的能源戰(zhàn)略中,脫碳加氫和清潔高效是能源科技進(jìn)步的總體趨勢(shì),從燃煤、石油、天然氣到使用氫氣,氫的含量在不斷增加,碳的含量在不斷減少,在使用這些燃料的時(shí)候,從蒸汽透平到柴油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、燃料電池發(fā)電,效率非常明顯。中國水電、風(fēng)電、光伏等都在世界上產(chǎn)能最大、裝機(jī)質(zhì)量最大、發(fā)電量最多,占世界的1/3左右。所以清潔能源的電力和氫氣都能夠滿足大范圍需求,特別是工業(yè)副產(chǎn)氫。
以電力和氫氣為代表的載體能源具有來源多樣化、驅(qū)動(dòng)高效率和運(yùn)行零排放等技術(shù)特征。由氫氣和電力驅(qū)動(dòng)的新能源汽車不再受地域資源的限制,也不再隨著石油價(jià)格而起伏,對(duì)維護(hù)能源安全、保護(hù)大氣環(huán)境、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)都有巨大的作用。
燃料電池是氫能發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)領(lǐng)域,現(xiàn)在各方的關(guān)注焦點(diǎn)集中在交通領(lǐng)域的大量應(yīng)用,包括乘用車、客車、中重貨車以及專用車輛等,其實(shí)氫能和燃料電池在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛,包括工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)服務(wù)和家居生活等。比如在上海,有一百多個(gè)通信基站的備用電源是燃料電池,還有水下運(yùn)輸、包括醫(yī)院應(yīng)急電源等都可以用到。因此,氫能和燃料電池是新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用重點(diǎn),可以助力實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模穩(wěn)定轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及利用,正成為全球能源技術(shù)革命的一個(gè)重要方向,也是各國未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分,因此應(yīng)該從國家能源戰(zhàn)略角度考慮氫能源作用。
目前,氫能和燃料電池在新能源汽車領(lǐng)域快速發(fā)展,國內(nèi)已經(jīng)初步形成了京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、山東半島、中部地區(qū)等產(chǎn)業(yè)集群和示范應(yīng)用區(qū)。在這些示范應(yīng)用區(qū)中,各類運(yùn)行的車輛近4000輛。
截至2019年底,規(guī)劃再建和在建的加氫站共130多座,其中有61座已經(jīng)建成,投入運(yùn)營的有52座。國內(nèi)正在構(gòu)建集制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸、加注等為一體的商業(yè)化氫能運(yùn)營體系。從參與示范運(yùn)行的車輛看,既有高檔轎車、中巴、大巴車,也有物流、工程用車。
在中國的新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略中,純電動(dòng)和燃料電池汽車同等重要、長(zhǎng)期共存。在科技創(chuàng)新當(dāng)中,二者互相補(bǔ)充、循序漸進(jìn)發(fā)展。純電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)燃料電池車型有推動(dòng)作用,燃料電池的發(fā)展又拓展了純電動(dòng)車型的應(yīng)用。他們?cè)谑袌?chǎng)中各有定位、互不替代。目前各方達(dá)成的共識(shí)是,在長(zhǎng)距離、重載級(jí)用車,特別是城市間的交通,使用燃料電池車型更加合理。
一是要堅(jiān)持戰(zhàn)略引領(lǐng)。建議將氫能納入國家能源戰(zhàn)略體系,明確氫能在能源體系當(dāng)中的定位,特別要開發(fā)氫能和水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電互相補(bǔ)充的體系,推動(dòng)可再生能源的電-氫輸配協(xié)同,增加可再生能源制氫來源。國內(nèi)已經(jīng)建立了很多特高壓輸電系統(tǒng),把西部的可再生能源運(yùn)到東部來,這些能源應(yīng)當(dāng)合理地應(yīng)用到氫能生產(chǎn)中。
所謂“綠色氫氣天上來”,還是要提高綠色氫能在消費(fèi)終端的占比,把握好發(fā)展機(jī)制和節(jié)奏,因地制宜、清潔高效地利用工業(yè)副產(chǎn)氫。中國每年多余的副產(chǎn)氫氣可達(dá)800萬噸,應(yīng)當(dāng)將其合理利用起來,優(yōu)化氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的整體布局,有序推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,使其各展所長(zhǎng),在不同應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
二是要堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。深入分析當(dāng)前氫燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的短板和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),加速攻克基礎(chǔ)材料、核心技術(shù)和關(guān)鍵器件難關(guān),實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新和高水平開放合作的協(xié)同推進(jìn),聚焦難點(diǎn),加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,探索高效制氫新技術(shù),提升對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)能力;重點(diǎn)突破膜電極、空壓機(jī)和儲(chǔ)氫罐的產(chǎn)業(yè)化,加大投入,超前部署,著力提升關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成能力。2019年的國內(nèi)燃料電池領(lǐng)域,有一些突破性技術(shù)值得關(guān)注,例如,新源動(dòng)力自主研發(fā)的電堆額定功率達(dá)到70kW,峰值功率超過85kW,裸堆功率密度達(dá)到3.4kW/L;億華通自主研發(fā)的電堆,實(shí)現(xiàn)-30℃低溫啟動(dòng),-40℃低溫存儲(chǔ)。
三是要加快產(chǎn)業(yè)布局。加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同,形成氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、用全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)布局,依托研發(fā)支持、產(chǎn)業(yè)扶持、示范工程等項(xiàng)目,抓住氫能制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié),提升產(chǎn)品的技術(shù)水平,聚焦薄弱環(huán)節(jié)攻關(guān),完善和均衡產(chǎn)業(yè)鏈。鼓勵(lì)能源企業(yè)、整車企業(yè)及裝備制造企業(yè)聯(lián)合行業(yè)投資基金及國內(nèi)外社會(huì)資本,加大對(duì)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的投資力度,提升產(chǎn)業(yè)化水平。特別是重點(diǎn)企業(yè)要成為骨干,帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。
四是要堅(jiān)持市場(chǎng)導(dǎo)向。目前電動(dòng)汽車比氫燃料電池汽車發(fā)展更快。究其原因,直觀來看,當(dāng)前人們已經(jīng)生活在一個(gè)電力社會(huì)中,隨處可取電,非常方便。而氫氣在自然界中也是無處不在的,但是氫能系統(tǒng)還沒有建立起來。因此推動(dòng)氫能汽車發(fā)展要看發(fā)展的趨勢(shì)和階段,要因地制宜地選擇氫能發(fā)展區(qū)域,優(yōu)先選擇氫源供給充足、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好、環(huán)保先行地區(qū),分批次、有重點(diǎn)地開展全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉稇?yīng)用,通過實(shí)施若干特色示范區(qū)建設(shè)工程,積累氫能和燃料電池汽車商業(yè)化運(yùn)營數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn),合理選擇如城際間遠(yuǎn)程公交、城市快遞物流、中重卡車適用場(chǎng)景、高端和特殊用途的乘用車領(lǐng)域開展應(yīng)用,推動(dòng)國內(nèi)建立氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的點(diǎn)、線、面發(fā)展格局。國家對(duì)燃料電池汽車支持政策如財(cái)政補(bǔ)貼等重點(diǎn)向商業(yè)化示范區(qū)域傾斜。純電動(dòng)和氫能兩者要并重發(fā)展,從能源戰(zhàn)略上要特別關(guān)注。
五是要堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)先行。目前國內(nèi)與發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域的最關(guān)鍵差距在于,國內(nèi)針對(duì)氫能的標(biāo)準(zhǔn)管理觀念還沒有轉(zhuǎn)變過來。氫氣到目前在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中還屬于危險(xiǎn)品,不是能源的一個(gè)組成部分。國內(nèi)現(xiàn)行氫能燃料電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)近50項(xiàng),但遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求,需要完善氫能燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,建立完整的材料、部件系統(tǒng)的有效檢測(cè)體系,為氫燃料電池的技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。所以要夯實(shí)基礎(chǔ),加快氫能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,為氫能發(fā)展?fàn)I造良好氛圍。聚焦氫能的制取、儲(chǔ)運(yùn)、加注和使用等全產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)示范等環(huán)節(jié),保證氫能供應(yīng)系統(tǒng),同時(shí)又要保障安全運(yùn)行,在任何情況下安全都是首位要求、是可以一票否定的關(guān)鍵條件。
六是要擴(kuò)大國際合作。與發(fā)達(dá)國家相比,國內(nèi)的氫能和燃料電池技術(shù)示范應(yīng)用各有所長(zhǎng),目前均未進(jìn)入大規(guī)模市場(chǎng)推廣階段,需要相互學(xué)習(xí)。在共同應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下,進(jìn)一步加強(qiáng)國際合作,在支持政策取向上相互借鑒,在科學(xué)研究上溝通交流(目前國內(nèi)外的校企合作也進(jìn)入了新階段,但是企業(yè)之間還沒有實(shí)質(zhì)性的合作),在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上緊密合作,在產(chǎn)業(yè)技術(shù)上有序合作,在市場(chǎng)開拓上相互開放,推動(dòng)高水平、互利共贏的開放合作。
當(dāng)前國內(nèi)氫能及燃料電池汽車所處的發(fā)展階段和整體環(huán)境與十多年前剛啟動(dòng)電動(dòng)汽車“十城千輛”時(shí)的情況類似,電動(dòng)汽車已經(jīng)發(fā)展起來了,氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)也會(huì)從中吸取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
中國科學(xué)院院士 歐陽明高
2019年被視為中國氫能的元年。諸多國外大企業(yè)如BP、殼牌、西門子、法國EDF、美國AP等大型能源公司都在關(guān)注氫能。歐洲推出了面向低碳轉(zhuǎn)型的技術(shù)一攬子計(jì)劃。很多中國的能源大企業(yè)比汽車企業(yè)更積極地介入氫能領(lǐng)域。
氫能是新能源技術(shù)體系的重要組成部分,氫能把可再生能源發(fā)出的不穩(wěn)定的電,通過電解水制氫將其轉(zhuǎn)換為氫能。特別是在中國西北部,集中式的光伏和風(fēng)電更需要大規(guī)模、長(zhǎng)周期的儲(chǔ)存。而小規(guī)模、短周期儲(chǔ)存,鋰離子動(dòng)力電池等已經(jīng)做得非常優(yōu)秀。另外,氫能有多元化利用需求,不僅僅是車要用,將來發(fā)電、航空、供熱、工業(yè)原料、農(nóng)業(yè)化肥甚至醫(yī)學(xué)、煉鋼等都會(huì)用到。
從固定式儲(chǔ)能角度看,氫能有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
第一是儲(chǔ)氫比電池儲(chǔ)電要便宜。如果比車下儲(chǔ)能,大概要差一個(gè)數(shù)量級(jí)。儲(chǔ)能電池一般循環(huán)壽命9000次,1000元/kWh以上,而氫能儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)1kWh能量約需100元(車下與車載情形不同,車載由于體積限制,加上氫燃料電池發(fā)電效率比電力電池儲(chǔ)電效率低,所以會(huì)下降到3至5倍)。
第二是儲(chǔ)氫與儲(chǔ)電有互補(bǔ)性。電池是高頻雙向調(diào)節(jié),氫能則是低頻調(diào)節(jié)。
第三,儲(chǔ)氫作為商品的屬性更好。
第四是氫的儲(chǔ)運(yùn)方式靈活多樣,比如可以長(zhǎng)途輸電、當(dāng)?shù)刂茪?。無論在何處制氫對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用類似,現(xiàn)在國家電網(wǎng)投資公司已經(jīng)在做示范項(xiàng)目。
燃料電池汽車的合理性取決于氫能,氫能的合理性主要取于可再生能源轉(zhuǎn)型中的大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存與多元化利用需求。如果基于化石能源,氫能到終端利用的鏈條長(zhǎng)、效率低、成本高,還有二氧化碳排放問題等,常常受到嚴(yán)重質(zhì)疑。因此主攻綠氫既突出重點(diǎn)又簡(jiǎn)化問題。
關(guān)于綠氫,其制取主途徑是風(fēng)電光伏電解水。根據(jù)發(fā)改委能源所的研究,10%的棄電(棄風(fēng)、光水)制氫能夠滿足2025年燃料電池汽車用氫需求,50%的棄電能夠滿足2035年全年燃料電池汽車用氫需求。燃料電池對(duì)氫純度要求高,綠氫也是最純凈的氫(副產(chǎn)氫提純質(zhì)量要嚴(yán)格監(jiān)管,以免加氫站、儲(chǔ)氫瓶和燃料電池受腐蝕或中毒,造成嚴(yán)重后果)。關(guān)于氫能的輸運(yùn),中國的優(yōu)勢(shì)是輸電主干網(wǎng)全球領(lǐng)先,而氣氫管道和液氫儲(chǔ)運(yùn)非常薄弱,基于綠電的綠氫給了我們揚(yáng)長(zhǎng)避短的機(jī)遇,因此主通道1000公里以上可以長(zhǎng)途輸電(當(dāng)?shù)刂茪?或管道輸氫/摻氫;200km以內(nèi)可配送短途氣氫 。
2019年國內(nèi)出現(xiàn)“氫能熱”,也有很多人提出質(zhì)疑,其中有一些觀點(diǎn)看上去也是有道理的。其實(shí)氫能及燃料電池汽車既不是那么好,也不是那么差,關(guān)鍵是找到平衡點(diǎn)。
比如關(guān)于鉑金屬,作為質(zhì)子交換膜電解和燃料電池的電化學(xué)催化劑的重要材料,公眾擔(dān)心燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致全球鉑資源稀缺。但事實(shí)上,現(xiàn)在全球每年生產(chǎn)8000萬輛汽車,大多要用到鉑催化劑,但基本不消耗鉑,而是循環(huán)使用。當(dāng)然,燃料電池的用鉑量在初期比現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)用的量大多了。但目前燃料電池已經(jīng)從每千瓦時(shí)1g鉑下降到0.3g了,下一步目標(biāo)是0.1g,與大型商用車的柴油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器的用量略有接近,所以這不是一個(gè)特別需要擔(dān)心的問題。
新能源汽車只有在向可再生能源低碳轉(zhuǎn)型時(shí),其優(yōu)勢(shì)才會(huì)凸顯。它不僅要用新能源,而且會(huì)反過來推動(dòng)新能源的轉(zhuǎn)型。所以基于可再生能源,動(dòng)力蓄電池和氫能成為儲(chǔ)能的優(yōu)先選擇,純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車成為智能低碳能源系統(tǒng)的互動(dòng)終端,新能源汽車的優(yōu)勢(shì)才會(huì)凸顯。
氫能燃料電池汽車在什么情境下有優(yōu)勢(shì)? 與純電動(dòng)相比,燃料電池動(dòng)力綜合優(yōu)勢(shì)更適合應(yīng)用于商用車。二者的成本平衡點(diǎn)是:乘用車在500km左右,大型商用車在200km左右。(具體算法是,純電動(dòng)車型由動(dòng)力電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng),而燃料電池汽車的動(dòng)力是“儲(chǔ)氫瓶+燃科電池+電機(jī)”,儲(chǔ)氫低于儲(chǔ)電的成本差價(jià),隨續(xù)駛里程增加而產(chǎn)生的總成本優(yōu)勢(shì),減去燃料電池系統(tǒng)的成本相抵消,得到的續(xù)駛里程數(shù)值就是其與純電動(dòng)的平衡點(diǎn))。
氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)更適合長(zhǎng)途大型高速重載車型,替代柴油機(jī),鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)更適合替換汽油機(jī),柴油商用車的總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽油轎車,但油耗和排放大體相當(dāng),因此意義重大。而且,輪船、飛機(jī)、潛艇、火車、作業(yè)機(jī)械等都有可能采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
中國燃料電池商用車總量已經(jīng)居世界首位,超過4000輛,要繼續(xù)朝這個(gè)方向努力。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本也在快速下降,與5年前比成本大約已經(jīng)降了一半,今后5年再降一半以上。事實(shí)上,很多材料和部件是由于進(jìn)口導(dǎo)致的成本高,比如質(zhì)子交換膜,進(jìn)口價(jià)為2500元/m2,現(xiàn)在用國產(chǎn)的可以控制在1000元以內(nèi)。
從商用車角度看,雖然儲(chǔ)氫比儲(chǔ)電的成本要低,但是它的體積大。雖然很多人認(rèn)為氫能是能量密度最高的能源,但指的是質(zhì)量能量密度,而體積能量密度幾乎是最低的了。面向2035年以燃料電池商用車為主的百萬輛級(jí)推廣應(yīng)用,急需突破三個(gè)瓶頸:
1.車載儲(chǔ)氫瓶頸:商用車?yán)锍涕L(zhǎng)車載儲(chǔ)氫量大,現(xiàn)有車載儲(chǔ)氫瓶體積偏大、成本偏高,安全較敏感,十年內(nèi)將安全高壓瓶成本降低到儲(chǔ)1kg氫3000元以內(nèi)。
2.加氫站瓶頸:商用車車載儲(chǔ)氫量大,占用加氫站時(shí)間長(zhǎng),占地面積大,使單站服務(wù)車輛數(shù)減少為乘用車的1/3-1/5,到2035年至少要建5000座加氫站。
3.燃料經(jīng)濟(jì)性:商用車主要成本是燃料成本,目前氫燃料成本偏高;經(jīng)過十年左右要使終端加價(jià)格普遍降低到30元/kg以內(nèi),滿足經(jīng)濟(jì)合理性。
總體上看,車用氫燃料需求量預(yù)計(jì)為2025年20萬-40萬噸,2035年200萬-400萬噸,應(yīng)用總量其實(shí)不是瓶頸,但氫能來源的技術(shù)路線卻成為了2019年的熱點(diǎn)。
正是因?yàn)橛羞@些瓶頸,所以這一領(lǐng)域的創(chuàng)新非常活躍,我們當(dāng)然需要?jiǎng)?chuàng)新,但是也要甄別偽創(chuàng)新。
氫能戰(zhàn)略的必要性沒有問題,但目前全球面臨的共同挑戰(zhàn)是氫能及燃料電池全鏈條的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,出路在于創(chuàng)新。當(dāng)前的市場(chǎng)突破口在哪里?
首先,在有大量棄風(fēng)、棄電、棄水和副產(chǎn)氫富余的地方,盡量在當(dāng)?shù)厥褂?、就近使用,限制在低成本、高安全、?chǔ)氫瓶能夠覆蓋的里程范圍,而不是長(zhǎng)距離運(yùn)輸,因?yàn)橐坏┻\(yùn)輸成本將大幅增加。比如35兆帕的氫瓶已經(jīng)比較便宜。
其次,最好在溫度較低的北方地區(qū)使用(黃河以北特別是長(zhǎng)城以北),因?yàn)檫@些地區(qū)可以充分利用燃料電池產(chǎn)生的大量余熱,用來取暖。在這些地方適合采用燃料電池深度混合動(dòng)力車型,加上地方政府的大力支持以及大型能源企業(yè)愿意建加氫站,這是很有競(jìng)爭(zhēng)力的。
再次,主要用在商用車型上,特別是公路貨運(yùn)及客運(yùn)等長(zhǎng)途重載運(yùn)輸。
目前氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是有挑戰(zhàn)的,但是也有市場(chǎng)突破口,雖然不能全方位商業(yè)化,但是局部市場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,要重點(diǎn)突破,示范帶動(dòng),以點(diǎn)帶面,行穩(wěn)至遠(yuǎn),避免大起大落。
建議“主攻綠氫,創(chuàng)新引領(lǐng);突破瓶頸,示范先行;安全為本,有序推進(jìn)?!睔淠芗叭剂想姵仄囅乱粋€(gè)目標(biāo)重點(diǎn)是冬奧會(huì)的氫能示范,這是全球最大規(guī)模的氫能燃料電池汽車示范工程,只要把這件事做好,氫能及燃料電池汽車今后的發(fā)展就會(huì)比較順利。