氫能產(chǎn)業(yè)該如何突圍

／本刊記者 才秀敏／

據(jù)國際氫能委員會預(yù)計，到2030年，全球氫能領(lǐng)域投資總額將達到5000億美元。從世界范圍看，亞洲和歐洲已經(jīng)成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)。然而，經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，我國氫能產(chǎn)業(yè)雖然在技術(shù)創(chuàng)新及政策環(huán)境等方面都有所突破，但是始終未能得以大規(guī)模應(yīng)用。

實現(xiàn)碳達峰和碳中和，氫能源的利用不可忽略。在上海召開的“碳達峰、碳中和背景下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展高端論壇”上，中國工程院院士曹湘洪介紹，氫能可以顯著減少化石能源利用過程中的碳排放。利用先進流程的天然氣制氫能效超過80%，燃料電池能效可以達到90%，綜合能效達到72%，明顯高于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)60%的熱效率。使用燃料電池的新能源汽車百公里氫耗明顯低于同等質(zhì)量的汽油車的油耗。

氫能發(fā)展過程中的安全問題十分重要，氫氣使用中的安全風(fēng)險要可防可控。中國工程院院士涂善東認(rèn)為，氫的危險性主要有易泄漏性、極寬的燃燒范圍、易燃易爆性等，如何保障氫能的本質(zhì)安全利用問題，需要關(guān)注本質(zhì)安全的儲運工藝和裝備技術(shù)。目前儲氫的方式有很多，液化儲氫和壓縮儲氫是不斷要努力攻克的方向。因為氫的危險性大，人們寄希望于各種儲氫技術(shù)，如甲醇、氨和有機液體儲氫載體以及利用其他材料儲氫。

對于兩種儲氫載體——氨和甲醇，氨的優(yōu)勢是容易存儲、運輸和使用，但制造工藝能耗高，溫和溫度和壓力下氨分解的轉(zhuǎn)化率低于60%，相關(guān)催化劑還在進一步研究。此外，氨氣泄漏有毒性，對于燃料電池來說存在氨中毒的問題。另外一個理想的儲氫載體是甲醇，它的優(yōu)勢在于常溫下穩(wěn)定安全，是氫含量最高的液體燃料，被業(yè)內(nèi)看好。

“要保障氫能的本質(zhì)安全，材料是物質(zhì)的基礎(chǔ)?！边^去的研究表明，高強材料的輕質(zhì)損傷是一個關(guān)鍵問題，所以迫切需要抗氫損傷的高強材料。其研究方向的第一個方法是用涂層覆蓋，第二個方法是阻止氫在材料內(nèi)部的擴散，第三個方法是在微結(jié)構(gòu)調(diào)控中引入抗氫的成本。此外，在本質(zhì)安全設(shè)計方面，基于失效模式，還要考慮過量變形、斷裂失效和交互作用的破壞等問題。

涂善東強調(diào)，安全的科學(xué)技術(shù)是推動氫能安全應(yīng)用的關(guān)鍵，其次才是法規(guī)體系的完善。

萬億級新能源風(fēng)口下，我國氫能產(chǎn)業(yè)該如何突圍？目前，電解水制氫成為新的熱點。加拿大工程研究院院士張久俊表示，太陽能、風(fēng)能、水電能、生物能、地?zé)崮艿热祟愇磥砜沙掷m(xù)能源的探索將是重要方向之一，而以氫氣、液氫為主要能源載體的氫能經(jīng)濟是可持續(xù)發(fā)展的必然，電化學(xué)能源儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)在氫能的利用中也將發(fā)揮核心作用。

電解水制氫的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在原料水及太陽能風(fēng)能發(fā)電取之不盡，用之不竭；可利用用電低谷期剩余電力制氫，以便能源存儲；可得到高純度的產(chǎn)物氫 （>99.999%）；反應(yīng)速度可以通過槽電壓進行控制。其主要挑戰(zhàn)表現(xiàn)為催化劑的活性和穩(wěn)定性低、能量效率低（<50%）、制氫成本高、對水的純度要求高、電能消耗高等。

張久俊指出，氫制備的總體發(fā)展戰(zhàn)略可以分為現(xiàn)在、中期、長期三個階段?，F(xiàn)在主要是天然氣的裂解產(chǎn)生氫氣，中期可能有一些電解水、碳的氣化或者是天然氣電解水，長期是由太陽能和水來制氫。到2060年，中國的氫產(chǎn)量預(yù)計可達1億噸，其中電解水制氫達80%以上。

電解水制氫具有以水、太陽能、風(fēng)電為原料，反應(yīng)速率可以通過電壓來控制的優(yōu)勢。同樣，電解水制氫也面臨著產(chǎn)生的氫氣成本高、需要高壓儲存、耗能高等挑戰(zhàn)。目前該制氫方法可能需要提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，這是降低電解水制氫電壓、提高效率的最重要途徑。

“未來發(fā)展電解水制氫最重要的方法是直接分解水產(chǎn)生氫氣，就是在一個溶液里加上催化劑，經(jīng)太陽照射以后產(chǎn)生氫氣和氧氣。” 張久俊認(rèn)為，這種方法是人類未來的追求，目前的效率只有10%左右，是一個重大的研發(fā)課題。

“缺少核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和裝備，制約了我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。”曹湘洪表示，目前，我國氫能產(chǎn)業(yè)面臨儲運分銷成本較高、缺少核心技術(shù)和裝備、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)制度有待完善等諸多問題。為推動我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，堅持問題導(dǎo)向、加強科技創(chuàng)新，迫在眉睫。

以氫燃料電池汽車為主，結(jié)合綠氫制甲醇、綠氫冶金、綠氫供電供熱等多種應(yīng)用場景，積極發(fā)展氫能，是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略措施，也是逐步改變我國能源結(jié)構(gòu)的社會系統(tǒng)工程?！皻淠苁俏磥黹g隙性、隨機性可再生能源系統(tǒng)中必不可少的能源載體。利用棄風(fēng)棄光的電力制成并儲存氫氣，或者將氫氣轉(zhuǎn)化為能源類產(chǎn)品，更容易實現(xiàn)大規(guī)模、長期儲存，非常有利于提高可再生能源利用效率?！?/p>

在曹湘洪看來，我國應(yīng)盡快改變?nèi)鄙俸诵募夹g(shù)、關(guān)鍵材料的局面。他建議，布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)研究，在制氫技術(shù)方面應(yīng)重點關(guān)注利用綠電的電解水制氫技術(shù)，包括新一代規(guī)?；碗姾馁|(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)、堿性固體陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)、固體氧化物電解水制氫技術(shù)和前沿性太陽能制氫技術(shù)等。在氫氣儲存運輸方面應(yīng)重點關(guān)注有機液體儲氫、鎂氫合金及鈦基合金儲氫技術(shù)、70MPa塑料內(nèi)膽碳纖維復(fù)合材料壓縮氣瓶的材料與制造技術(shù)。

曹湘洪提出未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的六大趨勢：一是替代柴油車的燃料電池汽車為主用戶；二是液氫、氫氣管道運輸將得到發(fā)展；三是燃料電池工業(yè)發(fā)電將得到重視；四是氫儲能將成為主要儲能方法；五是近期以灰氫為主，中遠期向藍氫、綠氫方向發(fā)展；六是難以減排領(lǐng)域氫能逐漸開發(fā)利用。電 器