“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(guó)鴻首席科學(xué)家張久俊在2022鄂爾多斯零碳產(chǎn)業(yè)峰會(huì)上演講時(shí)稱，這是因?yàn)闅錃庖蛉键c(diǎn)范圍寬，在室溫壓力下不能變成液體，對(duì)氫制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)造成挑戰(zhàn)，所以價(jià)格相對(duì)較高。

目前，全球加氫站大約有400座，日本有100座，中國(guó)約兩三百座。全球加氫站預(yù)計(jì)到2032年達(dá)到5000座，尚不能達(dá)到完全規(guī)模化。

“建立一個(gè)加氫站大約需要1000萬(wàn)-2000萬(wàn)元，只能加200-300公斤的氫氣。”張久俊說(shuō)，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(jià)格大約是每公斤60元，”張久俊說(shuō)，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?yàn)橹乜▽?duì)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(guó)家發(fā)改委發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》。規(guī)劃明確了氫的能源屬性，是未來(lái)國(guó)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(gè)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(wàn)-20萬(wàn)噸/年，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100萬(wàn)-200萬(wàn)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(wàn)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(wú)污染，來(lái)源廣闊，太陽(yáng)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(shuō)，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(shí)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(jì)實(shí)現(xiàn)后來(lái)者居上的基礎(chǔ)。

氫能利用包括制氫、儲(chǔ)氫、用氫三個(gè)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(gè)場(chǎng)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(shuō)，未來(lái)，氫燃料電池汽車將成為最大的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

預(yù)計(jì)到2030年，全球的氫燃料電池乘用車將達(dá)到1000萬(wàn)-1500萬(wàn)輛。張久俊覺得這個(gè)估計(jì)還有點(diǎn)保守，以中國(guó)的氫能發(fā)展趨勢(shì)，到2030年會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)數(shù)字。

制氫和轉(zhuǎn)換

目前，制氫主要來(lái)自燃燒化石燃料，主要是燃燒天然氣制氫。

“只有4%來(lái)自電解水制氫，價(jià)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(shuō)，“化石燃料制氫現(xiàn)在還可以用，未來(lái)我相信不會(huì)用這個(gè)方法，因?yàn)閲?guó)家已經(jīng)明確規(guī)定不能用化石燃料來(lái)制氫。”

根據(jù)中國(guó)氫能發(fā)展規(guī)劃，到2030年氫產(chǎn)量每年達(dá)500萬(wàn)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(diǎn)。”張久俊說(shuō)，催化劑的發(fā)展有很多高水平的論文。

未來(lái)，中長(zhǎng)期制氫還將加入太陽(yáng)能制氫。“利用太陽(yáng)能聚集到某一個(gè)點(diǎn)上，達(dá)到2500度的時(shí)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(dòng)力行業(yè)，如何將氫轉(zhuǎn)換成動(dòng)能和電能?

張久俊認(rèn)為主要有兩種方式，一個(gè)是氫內(nèi)燃機(jī)方式，也即類比傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)鉄停梢杂脙?nèi)燃機(jī)燒氫氣。

“這種方式有它的問題，燃燒會(huì)產(chǎn)生一氧化氮。”張九俊說(shuō)，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(duì)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)也會(huì)造成損壞。

另一個(gè)轉(zhuǎn)換方式，就是氫燃料電池產(chǎn)生電能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。

張九俊認(rèn)為氫燃料電池驅(qū)動(dòng)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(chǔ)存和安全

氫氣目前儲(chǔ)存有三種方式，一種是高壓氣體儲(chǔ)存，一種是液態(tài)儲(chǔ)存，一種是固態(tài)儲(chǔ)存。

現(xiàn)在用的最多的最成熟的技術(shù)，是高壓儲(chǔ)氣罐加氫。

日本的氫燃料電池汽車一般會(huì)使用三層結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)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(chǔ)氣罐可以盛700個(gè)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(chǔ)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(guò)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(dòng)車有很大的優(yōu)勢(shì)。”張久俊說(shuō)。而加氫站的普及，則成為燃料電池發(fā)展的一個(gè)障礙。因?yàn)樗F了。

“建立一個(gè)加氫站大約需要1000萬(wàn)-2000萬(wàn)元，只能加200-300公斤的氫氣。”張久俊說(shuō)，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(jià)格大約是每公斤60元。”張久俊說(shuō)，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(bǔ)貼。重慶市給予加氫站每站最高300萬(wàn)元的運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼，溫州市和寧波市均給予500萬(wàn)元，濮陽(yáng)市給予1000萬(wàn)元，武漢市則給出了2000萬(wàn)元的頂格補(bǔ)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(diǎn)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(huì)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。