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2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程

时间:  2022-01-10 17:52   来源:  氢云链    作者:  网络转载

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2021年是氢能产业理想照进现实之年。在“双碳”政策和燃料电池汽车示范城市群背景下,氢能产业快速发展。2021年入局企业数量激增,产业分工逐步明显,氢能在各领域的应用方式也逐渐清晰,各环节的问题也逐渐细化。来自不同领域的院士们结合自身的学科背景,针对氢能产业发展的具体问题时而针砭时弊,时而指点江山,为氢能产也化建言献策,如衣宝廉老师等为代表的院士堪称产业守护者、促进者和实践者!下文梳理了2021年9个领域的20位院士对氢能产业的建言献策,通过回顾院士们的评论,可以更清楚地了解氢能产业的发展阶段,更准确的判断产业的难点、重点和发展方向。
一、氢能产业化发展情况
01
衣宝廉院士:
大幅降低氢能产业成本,尽快实现燃料电池汽车产业化
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
衣宝廉院士认为,燃料电池汽车的产业化是氢能应用的突破口,我们要实现关键材料与部件的批量生产,大幅度降低燃料电池车、加氢站建设和氢源的成本,尽快实现燃料电池汽车的产业化。“降低燃料电池电堆的成本,一是提高电堆的比重率;二是实现关键材料,电催化剂、质子交换膜、双极板、膜电极三合一和电堆批量生产;三是依据工况和电堆适宜的运行条件制定控制策略,确保电池系统的可靠性与耐久性;四是降低燃料电池的PEMFC典型极化曲线。
氢气成本方面。采用天然气或纯氢管网输送氢气,加氢站加的氢可降至每公斤30元以下,车的运行费用就可以和燃油车竞争了。加氢站方面。实现氢气压缩机,高压储氢瓶和加氢机等国产化和批量生产,建油、氢、电合建站,就可以大幅度降低加氢站的建设费用,待加氢站达到一定密度,再示范商业化乘用车。”
02
欧阳明高院士:
我们即将进入燃料电池技术突破的下一个十年
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
欧阳明高院士认为,氢能和燃料电池总体看法是乐观的,尤其是从整个氢能看更是如此,燃料电池是氢能的先导部分,是引领部分,或者说核心部分。氢燃料电池技术突破的节点比动力电池晚了十多年,现在氢燃料电池会进入成本下降的快速通道,跟十年前动力电池成本开始快速下降是差不多的。总的看,氢能燃料电池汽车关键的决定期是未来五年,要努力利用这五年的窗口期把氢能燃料电池汽车搞起来。
今后五年政府的支持和引导还是非常重要的,地方政府也要因地制宜、量力而行,如果急功近利,将欲速不达,最后就是一地鸡毛,还是要坚持市场主导。
“我们正在从新能源汽车市场的需求不足过渡到供不应求;从政府驱动开始经过市场与政府双驱动阶段,转型到市场驱动为主导的阶段;从培育期、成长期到现在已经进入高速增长期;从示范到商业化现在已经到规模产业化;从乘用车的电动化发展到了商用车的电动化;从电池技术突破的上个十年即将进入燃料电池技术突破的下一个十年;从新能源汽车的量变即将引发汽车整个产业的质变;从汽车电动化即将发展到交通全面电动化,包括电动飞机、电动轮船等;从新能源汽车发展到新能源革命,电化学储能市场在爆发,光伏制氢今年也是元年。”
03
叶思宇院士:
示范城市群背景下膜电极的创新研发和产业化思路
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
叶思宇院士认为,燃料电池从某种意义上说,它的产业化并不是一个简单的材料问题,也不是简单的工程问题,更不是一个简单的应用问题,它是一个真正系统工程。从燃料电池整个产业链来说,从最上游的燃料电池材料研发,包括催化剂、质子交换膜、碳纸、树脂等里面涉及的很多是材料科学的问题,当这些材料应用到膜电极层面,更多的关键是结构上,电极材料和树脂、碳纸、质子交换膜等的界面和表面的问题。  
它应用到燃料电池电堆和系统体系也涉及到很多工程问题,包括一些流体力学等,最终到了车上还有很多电子工程、电机工程、整车集成等问题,这一切的问题是整个系统工程,任何一个单一的领域突破和发现都不能完全解决这个问题。 同时,从上游的材料研发、产业化到终端的应用过程,涉及到非常多层级的工程验证,这些工程验证中的密切配合也是非常重要,可见这一切都要依赖于大学研究所与企业界的紧密合作。
“我们通常谈到燃料电池至今成本仍然非常高的一个重要原因,就是我们还处于产业化初期,还没有达到一定的规模化。诚然规模化的提高能够极大地降低燃料电池的成本,但是创新研发特别是关键材料和新方法、新手段的应用,能够加速这个产业化的过程。”
04
陈学东院士:
氢能产业关键技术仍需突破
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
陈学东院士指出,氢能是二次能源,发展氢能源的碳减排效果取决于产生氢气的一次能源种类,其经济性还要考量其对一次能源的消耗量;但是从技术角度来说,氢气储存、输送和终端利用方面目前还有很多关键技术问题没有解决,主要涉及到关键装备的本质安全问题。实际上,国内也曾经开展过Ⅳ型压缩天然气气瓶的研究与应用,但由于当初设计制造及检测技术不成熟,产品存在一定缺陷,导致了安全事故,所以至今仍被禁止使用。
“尽管我国氢能产业目前已经取得了一些进展,但在氢能储运装备方面还存在诸多不足:例如50MPa以上超大容积固定式储氢容器、90MPa级氢气压缩机设计制造还有短板;抗氢气高速冲击高压加氢站阀门、耐深冷温度液氢阀门、高集成度瓶口组合阀等特殊阀门零部件还存在“卡脖子”问题;70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶、50MPa大容量管束集装箱设计制造技术还未完全掌握;等等。他建议国内院所、高校、企业要坚持问题导向、协同攻关,推动创新链和产业链融合发展,实现氢能产业链的重要设备风险安全可控,支撑我国氢能产业健康发展。”
05
涂善东:
材料是氢安全的本质
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
中国工程院院士涂善东在谈及“氢能的本质安全利用”时说,氢能经历了从科幻设想到社会产业的浪潮。1776年发现了氢,美国先行布置了氢能战略,2014年,首款氢燃料电池车问世,2019年以后各国纷纷仿效。但在初期发展阶段,安全至关重要,是影响技术进步和产业发展的关键因素。他认为,保障氢能本质安全的基础是材料。“当前,我们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引入抗氢的成本。
二、氢储运领域
06
郑津洋院士:
氢能管道输送技术发展现状和挑战
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
郑津洋院士认为,管道输送具有运输体量大、距离远、能耗损失低等优点,有望实现氢能经济、规模的长距离输送。要实现氢气或者掺氢天然气管道的安全可靠运输,未来面临着不小的挑战。
“在氢环境当中,材料的性能除了跟材料本身的化学成分、力学性能和微观组织相关以外,还跟3个因素有关:第一是环境,第二是应力,第三是制造。环境里面,像氢气的分压、氢气的纯度、环境的温度对材料性能要产生影响;制造里面,热处理的工艺、焊接的工艺、成型的方法,也要对它产生影响。因此,在氢的影响之下,我们很难去说某一种材料它是不是绝对适用于某一个环境,因为它要把4个因素综合起来,来规定出它的使用条件。在关键技术上面,也需要进行攻克,包括低成本高强度抗氢脆材料、高性能氢能管道设计制造技术、氢能管道系统运行和控制技术以及氢能管道系统应急和维护技术。再一个挑战是标准。我们需要加快来制定纯氢管道以及掺氢管道的标准。因此,要实现稳定可靠的氢能或者掺氢天然气的管道的输送,我们还面临着诸多的挑战,需要各位同仁一起来努力。一起推进相关技术进步。”
三、石化应用领域
07
中石油徐春明院士:
“能耗双控”背景下,煤化工、石油化工和冶金的降碳思路
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
徐春明院士认为,国家从去年开始密集部署了在“双碳”方面的坚定发展方向,包含了政治、经济、文化。但不能脱离了国民经济发展,追求人民生活水平的日益美好来谈“双碳”,因为推动GDP增长的内动力或者说一个重要的动力就是能源。
“到2030年,排放二氧化碳最高的还是电力,占到40%以上,加上工业差不多78%左右,交通和建筑各占10%。能源结构在调整,但我们可能未来10年,甚至更长时间都还要仰仗煤、油、气。在这一背景下,我们怎么考虑氢能以及很多产品与技术的布局?冶金方面,利用以电弧炉和轻机关联体的短流程炼钢,另一方面利用炼钢等化工过程的一些附产气体,通过化学化工的催化变换,把里面的二氧化碳、甲烷转化成一氧化碳和氢,利用一氧化碳和氢替代传统炼钢用的胶,把传统的炼钢变成准化工过程。石油化工:把传统的加热炉变成新的电磁供热,用绿电来替代这些化石燃料。煤化工,用电、水和烟气来冲破传统化工过程,光伏发电、电解水制氢,烟气通过变压气负分离,分离为氮气和二氧化碳,氢气加氮变成合成氨,氨加二氧化碳变成尿素。”
08
王基铭院士:
我国石化行业应优化调整产业结构和能源结构,大力发展氢燃料电池材料
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
中国工程院院士王基铭表示,为有效应对气候变化和保护生态环境,绿色低碳发展已经成为国际社会的普遍共识。绿色低碳经济的快速发展,氢能、生物基液体燃料、新能源汽车迅速发展,石油的需求明显放缓,已临近需求峰值,原油的需求峰值预计在2030年至2035年出现。作为实现“双碳”目标的重要举措,电力绿色化是必然的发展趋势。
“要大力布局风光电项目,有条件地区要充分利用水电、核电,最大限度地实现电力的绿色化。就氢来讲,现在主要还是灰氢,我们要的应该主要是绿氢。”
四、氢能综合利用
09
程一兵院士:
氢-氨融合颠覆性产业化技术发展趋势
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
现在人们把氨作为一种新能源进行研究,主要是基于两个考量:一是作为储氢介质,同时它还是一个零碳燃料。因为氨很容易液化,点火温度比氢高很多,相对氢气要更安全,方便运载。现在的思路是氨合成后,一部分用于化肥,另一部分可作为氢能的载体输运。氨的裂解也是非常成熟的技术,加温后变成氮气和氢气。全球氨气的年产量达到1.8亿吨,液氨输运的技术和安全规范已经非常成熟。另一方面,氨本身是一种零碳化合物,同时它的能量密度很高,是液氢的1.5倍,它和氧的燃烧反应产物是水和氮气,具体能量成本比较低。
但是氨燃料存在几个挑战:一是燃烧速度和热值都比较低,它的燃烧速度远远低于氢,这对于工业应用有一定问题。二是发热量相对来说比较低,它的热值比其他的天然气、氢都要低,点火比较困难,不太容易点燃和实现稳定燃烧。
10
甄崇礼院士:
氢是一种“能源货币”,中国有望在短时间内做到世界领先
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
尽管目前中国从技术上不是领先,在国家的大力支持下,但是我们有足够的技术能力去把不同氢能技术的产业连接起来,把氢能用起来。中国跟很多别的国家不一样,虽然说现在技术还没有跟上,但是中国有很强的科研能力。同时,很多国家就算做了,但也没有应用场景。而中国不但有应用场景,企业也有应用新科技的热情。通过锂电与光伏产业的发展经验判断,中国绝对有希望在很短的时间内做到世界领先。氢能是一种柔性的“绿色”能源载体,可以一次性获得并可以长期储存,可以通过氢能燃料电池的技术整合成为电、热、气网一体化的结合点,是大规模消纳新能源,实现电网和气网互联互通的重要手段。基于氢“可循环”流通的本质特征,氢可以说是一种“能源货币”,氢能被认为是同时解决能源资源危机和环境危机的最佳途径。2050年,中国将进入氢能社会,那时,全球能源互联网将形成以清洁能源为主导、以电为中心的格局,能源转化和利用将面向高效化、低碳化发展。
11
薛其坤院士:
用氢气来代替化石能源将是最科学的答案
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
薛其坤表示,太阳能造就了地球上的万物,造就了我们今天的化石能源,但化石能源不能再生,人类在过去 250 多年时间里经历了三次工业革命,这三次工业革命的一个共同的特点就是依靠化石能源,但现在人类从地球能继承的能源已经寥寥无几,可能 50 年以后石油和天然气按照目前的发展水平和用量将会用光,那现在的技术还可以继续存在吗?薛其坤认为人类的唯一的答案就是要开发用之不竭的太阳能。下一个重要的颠覆性技术将是基于太阳能的光电效应——太阳能的高效利用和 " 可持续循环 "。
薛其坤表示,在基本上不使用化石能源的情况下,包括太阳能电池的清洁能源能保证三次工业革命造就的主要核心技术能被持续地运用。有了太阳能电池,还需要其他配套技术,可以把能量储存起来,像化石能源一样方便,用氢气来代替煤和石油、天然气等将是最科学的答案,既高效,又干净清洁。“所以,我们还是应该回归初心,从最基本的爱因斯坦的核聚变出发,回到太阳,利用地球上人类宇宙中最简单的元素氢发展最清洁、最有效、最长久的太阳能光电制氢的氢能技术。”
五、氢冶金应用领域
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干勇院士:
氢冶金担负着将钢铁业高碳排放变为零碳排放的重任
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
氢冶金担负着将钢铁业高碳排放变为零碳排放的重任。2020年,我国粗钢产量占世界粗钢产量的比重为56.7%,超过世界一半。钢铁工业还有力地支撑了国民经济的发展。我国钢铁行业转型发展目前还面临一些问题,主要包括生态环境问题、产业和能源结构问题、工艺流程问题、质量品牌问题、技术创新体系等。
钢铁行业绿色低碳发展的3个阶段包括绿色发展1.0、绿色发展2.0、绿色发展3.0。绿色发展1.0是以节能减排为重点,实现清洁生产,推广节能环保技术,推进指标持续进步;绿色发展2.0是以“两于一入”(高于标准、优于城区、融入城市)为目标,以“三治四化”(固废不出厂、废水零排放、废气超低排,洁化、绿化、美化、文化)为抓手,打好污染防治攻坚战,创建绿色城市钢厂;绿色发展3.0是以碳达峰、碳中和为目标,以“冶金原理+科学管理”行动理念统筹应对气候变化与节能环保,引领钢铁行业绿色低碳发展。在持续压减产能产量、大力发展短流程生产工艺,以及氢冶金的大力支持下,我国钢铁行业的碳中和任务一定可以完成。
六、氢能与电力领域
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黄震院士:
零碳电力将成为新赛道上的领跑者  
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
“电力行业脱碳和零碳是实现碳中和目标的关键之关键。”中国工程院院士黄震认为,如果没有能源变革,没有系统性、社会性的变革,没有一场绿色革命,就不可能实现碳中和。面向碳中和的未来能源一定是有一系列颠覆性、变革性的技术作为战略支撑。未来能源变革的方向可概括为“五化”:在能源供给侧方面,包括电力零碳化和燃料零碳化,比如用零碳绿色电力制氢等;在能源需求侧方面,主要方向是电气化、智慧化和高效化。
14
彭苏萍院士:
发展燃料电池产业,助力实现碳中和目标
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
我国70%和40%以上的石油、天然气对外依赖度现状不能满足最基本的能源安全需求。此外,我国能源体系以化石能源为主,碳排放压力巨大。将氢能纳入终端能源体系,与电力协同互补,未来将成为终端能源消费主体。
大力发展固体氧化物燃料电池(SOFC)发电技术与固体氧化物点解池(SOEC)制氢技术,可大力助推氢能源产业的发展。目前,美国在这方面的技术全球领先,已实现商业化应用。我国近来年相继出台相关重大部署,并立足于自主开发,培养了较好的科研团队。但是相关技术研发周期长,需要恒心、定力,以及大量科研经费支持,需要科学家和企业家进行合作。
七、氢医学领域
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钟南山院士:
氢氧混合气治疗新冠在临床有效
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
钟南山院士介绍,从2014年开始,广州医科大学附属第一医院广州呼吸疾病研究所率先开展的多项氢氧混合气在新冠肺炎方面的临床研究。“在去年新冠的期间,我们采用氢氧混合气体在河南、武汉、黑龙江、广州对一些新冠病人,特别是呼吸特别困难、呼吸吃力,将要转到重症的时候,采用氢氧混合气后病人使用,病人的呼吸困难、咳嗽、胸闷都有改善,有不少病人转为轻症了,所以氢氧气治疗在临床有效。”
对于一些新冠病人康复后出现后遗症,氢氧混合气辅助治疗是否有效,钟南山表示现在正在进行这方面的观察,期待后续有好的进展。不过,他也提醒,开展氢生物医学方面的研究,必须使用国家药监局认可的器械,因为氢气是具有腐蚀性的,要是使用工业用的氢气,它的运载系统不是跟体内组织相融的一些材料制作的话,那就会腐蚀金属产生一些金属的杂质,产生一些毒性反应,所以不能随便采用工业用的氢在人、动物身上。
八、煤炭清洁化利用领域
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郭烈锦院士
煤炭清洁化利用是电力与煤炭产业减排关键
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
郭烈锦院士看来,当前,全球一次能源依然是以化石能源为主体,且中短期内难以大幅降低、仍将占据主导地位。因此减少煤炭利用造成的二氧化碳排放是我国碳减排的首要任务。郭烈锦建议,必须发展洁净低碳甚至不排放二氧化碳的、以化石能源为一次能源的发电技术以替换当前传统的以化石燃料燃烧为基础的火电及常规热化学气化制氢,同时大力发展风电、光伏和水电的全周期、全方位的发电制氢技术,並大规模生产应用。
传统的煤气化制氢是将煤炭部分氧化放热后,再与水蒸气变换重整的过程。但如果“以水为基”,通过水-煤直接接触、吸热还原直接气化制氢的方法,即可实现清洁、高效制氢的目标。
他进一步解释,该技术路线是将煤置于超临界水蒸汽环境中,制取氢气和二氧化碳,之后将溶解了二氧化碳的超临界水蒸汽推动轮机做功发电,做功后气水分离自然得到高纯度的二氧化碳,同时得到远高于现在燃煤发电机组的发电效率,“无论何种装机规模下,单台机组的煤电转化效率,均将比相同规模的火电机组至少提高5到10个百分点。”据测算,大规模以此技术路线制取的氢气,每标准立方米成本不高于0.6元,即生产1公斤氢,成本不足10元。
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包信和院士:
“绿氢”是清洁煤化工的关键
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
包信和院士认为,清洁煤化工的未来发展之路,势必要摒弃“野蛮”的氧助气化过程,必须采用高效的催化剂和智慧的化学反应过程。在绿氢的帮助下,对煤炭分子进行精准剪裁,获得需要的化学产品,最终实现精准的“分子炼煤”。 
“只有绿氢才是碳中和的关键,也只有绿氢会成为未来洁可持续能源的核心。”包信和说。
“原理上说,只要是用碳作为能源和作为还原剂的地方,最终都能用氢进行替代,从而降低二氧化碳的排放。这就需要我们大胆颠覆现有的生产模式和范式,创新技术,在钢铁冶金、水泥建材生产、煤的直接炼制和化工过程中不断革新。”包信和建议。
九、氢能与甲醇领域
18
杨裕生院士:
“氢能-燃料电池”该降降温!
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
杨裕生院士提出,规模储存氢气问题很多:设备贵,输运难,压缩耗能高┅┅ 。有人倡导将氢气转成液氨,缓解储存的难题;但是氨气压缩成液体也耗能,压力容器储存也不方便,而且有毒、有刺激味道。
氢能与华贵又娇气的质子交换膜燃料电池并无必然联系,它可有多种更便宜、更可靠的用法,如内燃机、燃气轮机、SOFC等。所以不要夸大氢能和质子交换膜燃料电池的作用!在实事求是地比较全寿期的能效和经济效益后,将会认识到“氢能-燃料电池”该降降温!
19
刘科院士:
电动车和氢能的历史与未来
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
怎么让电动车、燃料电池汽车更好地发展呢?刘科院士提出要用液体的氢气的载体来做,将来可能会有其他更好的液体,目前刘科院士的方案是:甲醇可能是最好的储氢的载体和插电式醇氢混合动力。
刘科院士认为,不用去建什么充电站,也不要去建加氢站,就在家里地下车库放个几百块钱的慢充的站,晚上睡觉的时候插上充电。但是车上永远装50升的甲醇。
“如果不装这50升的甲醇,比如我现在在深圳,买一个电动车往广州都不敢跑,因为跑到那就回不来,找到充电桩充几个小时很耽误事。但如果我车上有了50升甲醇,甲醇制氢发电,可以给电池充电,我们做一个相当于电动车的“充电宝”。一旦没有电的时候或者冬天冷的时候,装50升甲醇类似装50升汽油一样,甲醇和水反应的温度是200多度,用余热就把车可以加热,也可以把电池保持到最佳温度。基础设施就可以解决电动车“鸡和蛋”的问题。所以我们实际上通过新的技术给电动车和氢燃料电池赋能。”
20
李灿院士:
“液态阳光”解决制氢与氢储存难题
2021年,20院士领衔论道、看六大氢能应用领域产业化进程
李灿院士提出,“绿色氢能将是实现碳达峰、碳中和目标切实可行的路径之一。”中国科学院院士、中国科学技术大学化学与材料科学学院院长李灿表示,如果将光伏、风电、水电变成燃料(如绿色氢能),“这其中最关键的就是制氢过程,即电解水制氢,相当于储电。“1吨氢可产生3.3万度电,也就是说产生1吨氢相当于储存了3.3万度电。”
不仅如此,以绿氢和二氧化碳为原料制取甲醇,有助于实现二氧化碳减排的同时,还可缓解我国液体燃料短缺的问题,同时解决化石液体燃料的清洁能源替代问题,助力实现碳达峰、碳中和。“这种来源的甲醇就是‘液态阳光’,实际上就是将氢的能量转移到甲醇里,而甲醇是基本的化学中间体,可替代汽油广泛应用于化学工业。”李灿说。“每合成1吨甲醇,就可转化1.375吨二氧化碳。若液态阳光实现规模化生产,其规模完全可与目前国内煤制甲醇产量(8000万吨)相当,如此可转化上亿吨的二氧化碳。”
“甲醇是理想的化学储氢载体,1吨甲醇可以放出187公斤氢气。如此,制氢与氢能储存的安全性问题,均可通过液态阳光甲醇工艺实现。”李灿说。
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