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如何抓住万亿级新能源风口

—院士专家纵论氢能产业发展



2021-10-25 08:49:52 中国科学报   作者: 李惠钰  

氢气燃烧产生的唯一废物就是水,它甚至连造成污染的隐患都不存在,凭此优势,氢能成为业界最为期待的一匹黑马。

据国际氢能委员会预计,到2030年,全球氢能领域投资总额将达到5000亿美元。从世界范围看,亚洲和欧洲已经成为氢能产业发展最快的地区。

然而,经过数年发展,我国氢能产业虽然在技术创新及政策环境等方面都有所突破,但是始终未能得以大规模应用。

万亿级新能源风口下,我国氢能产业该如何突围?近日,在上海召开的“碳达峰、碳中和背景下的氢能产业发展高端论坛”上,多位院士为我国氢能产业发展建言献策。

中国工程院院士曹湘洪:

尽快改变缺少核心技术的局面

“缺少核心技术、关键材料和装备,制约了我国氢能产业健康发展。”在曹湘洪看来,目前,我国氢能产业面临储运分销成本较高、缺少核心技术和装备、法规与标准制度有待完善等诸多问题。为推动我国氢能产业健康发展,坚持问题导向、加强科技创新,迫在眉睫。

曹湘洪表示,以氢燃料电池汽车为主,结合绿氢制甲醇、绿氢冶金、绿氢供电供热等多种应用场景,积极发展氢能,是我国实现“双碳”目标的重要战略措施,也是逐步改变我国能源结构的社会系统工程。

“氢能是未来间隙性、随机性可再生能源系统中必不可少的能源载体。利用弃风弃光的电力制成并储存氢气,或者将氢气转化为能源类产品,更容易实现大规模、长期储存,非常有利于提高可再生能源利用效率。”曹湘洪说。

不过,从绿电制氢、氢气储存、运输到加氢站等各类用氢设施建设到各种燃料电池技术,我国与国际先进水平相比仍存在较大差距。在曹湘洪看来,我国应尽快改变缺少核心技术、关键材料的局面。

他建议,布局氢能产业链技术研究,在制氢技术方面应重点关注利用绿电的电解水制氢技术,包括新一代规模化低电耗质子交换膜电解水制氢技术、碱性固体阴离子交换膜电解水制氢技术、固体氧化物电解水制氢技术和前沿性太阳能制氢技术等。在氢气储存运输方面应重点关注有机液体储氢、镁氢合金及钛基合金储氢技术、70 MPa塑料内胆碳纤维复合材料压缩气瓶的材料与制造技术。

此外,曹湘洪还提出未来氢能产业发展的六大趋势:一是替代柴油车的燃料电池汽车为主用户;二是液氢、氢气管道运输将得到发展;三是燃料电池工业发电将得到重视;四是氢储能将成为主要储能方法;五是近期以灰氢为主,中远期向蓝氢、绿氢方向发展;六是难以减排领域氢能逐渐开发利用。

中国工程院院士涂善东:

保障氢能本质安全的基础是材料

氢能发展过程中的安全问题十分重要,涂善东认为,氢的危险性主要有易泄漏性、极宽的燃烧范围、易燃易爆性等,如何保障氢能的本质安全利用问题,需要关注本质安全的储运工艺和装备技术。

据涂善东介绍,目前储氢的方式有很多,液化储氢和压缩储氢是不断要努力攻克的方向。因为氢的危险性大,大家寄希望于各种储氢技术,如甲醇、氨和有机液体储氢载体以及利用其他材料储氢。

对于两种储氢载体——氨和甲醇,涂善东介绍,氨的优势是容易存储、运输和使用,但制造工艺能耗高,温和温度和压力下氨分解的转化率低于60%,相关催化剂还在进一步研究。此外,氨气泄漏有毒性,对于燃料电池来说存在氨中毒的问题。另外一个理想的储氢载体是甲醇,它的优势在于常温下稳定安全,是氢含量最高的液体燃料,被业内看好。

“要保障氢能的本质安全,材料是物质的基础。”涂善东强调说,过去的研究表明,高强材料的轻质损伤是一个关键问题,所以迫切需要抗氢损伤的高强材料。其研究方向的第一个方法是用涂层覆盖,第二个方法是阻止氢在材料内部的扩散,第三个方法是在微结构调控中引入抗氢的成本。此外,在本质安全设计方面,基于失效模式,还要考虑过量变形、断裂失效和交互作用的破坏等问题。

涂善东强调,安全的科学技术是推动氢能安全应用的关键,其次才是法规体系的完善。他也在致力于倡导一种新的制造模式,打造以可靠性为中心的创新网络,希望在氢能制造装备中,通过一代材料、一代可靠性技术和一代先进装备,为我国氢能产业做贡献。

加拿大工程研究院院士张久俊:

电解水制氢是重大研究课题

目前,电解水制氢成为新的热点。张久俊表示,太阳能、风能、水电能、生物能、地热能等人类未来可持续能源的探索将是重要方向之一,而以氢气、液氢为主要能源载体的氢能经济是可持续发展的必然,电化学能源储存和转换技术在氢能的利用中也将发挥核心作用。

张久俊表示,电解水制氢的主要优势表现在原料水及太阳能风能发电取之不尽,用之不竭;可利用用电低谷期剩余电力制氢,以便能源存储;可得到高纯度的产物氢 (>99.999%);反应速度可以通过槽电压进行控制。其主要挑战表现为催化剂的活性和稳定性低、能量效率低(<50%)、制氢成本高、对水的纯度要求高、电能消耗高等。

张久俊指出,氢制备的总体发展战略可以分为现在、中期、长期3个阶段。现在主要是天然气的裂解产生氢气,中期可能有一些电解水、碳的气化或者是天然气电解水,长期是由太阳能和水来制氢。

“2017年全球氢气生产量超过6000万吨,大部分采用天然气和煤。电解水制氢只占4%,成本比较高。”张久俊进一步指出,到2060年,中国的氢产量预计可达1亿吨,其中电解水制氢达80%以上。

在张久俊看来,电解水制氢具有以水、太阳能、风电为原料,反应速率可以通过电压来控制的优势。同样,电解水制氢也面临着产生的氢气成本高、需要高压储存、耗能高等挑战。他指出,目前该制氢方法可能需要提高催化剂的活性和稳定性,这是降低电解水制氢电压、提高效率的最重要途径。

“未来发展电解水制氢最重要的方法是直接分解水产生氢气,就是在一个溶液里加上催化剂,经太阳照射以后产生氢气和氧气。”张久俊说,这种方法是人类未来的追求,目前的效率只有10%左右,是一个重大的研发课题。




责任编辑: 李颖

标签: 氢能产业 氢燃料电池汽车

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