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氫能如何改變我們的未來(lái)

時(shí)間:2023-12-18 08:50來(lái)源:學(xué)習(xí)時(shí)報(bào) 作者:干勇
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干勇,冶金材料專家,中國(guó)工程院院士,中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)、國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會(huì)主任、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng)、中國(guó)科協(xié)先進(jìn)材料學(xué)會(huì)聯(lián)合體主席。長(zhǎng)期從事鋼鐵冶金領(lǐng)域連鑄工程與新技術(shù)基礎(chǔ)理論、技術(shù)集成研究和近終形、高效連鑄等方面的工程研究和技術(shù)推廣工作。首次提出了亞快速凝固的CET自由晶粒的半定量計(jì)算公式;成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)半工業(yè)化和工業(yè)試驗(yàn)薄板坯連鑄機(jī)組;主持了高效連鑄關(guān)鍵裝備及系統(tǒng)技術(shù)的開(kāi)發(fā),形成具有自主產(chǎn)權(quán)的高效連鑄軟硬件配套工程技術(shù),推廣了以獨(dú)特的連續(xù)錐度結(jié)晶器、板簧導(dǎo)向振動(dòng)、連續(xù)矯直為核心的方坯高效連鑄技術(shù)。
 
隨著全球環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的加劇,以原子能、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、氫能等為主的綠色能源逐漸進(jìn)入人們的視野。其中,氫是宇宙中最常見(jiàn)的元素,可以通過(guò)化石能源或電解水制取,是可再生能源。氫氣是密度最小的氣體,無(wú)毒、清潔、燃值高、能量密度大,并且極易燃燒,液態(tài)氫可以做火箭燃料。氫能是低碳,甚至零碳排放,是人類未來(lái)最理想的清潔能源之一。2019年《政府工作報(bào)告》提出要“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”,這是氫作為能源首次寫入我國(guó)《政府工作報(bào)告》,對(duì)氫能在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用具有里程碑式的意義。我國(guó)擁有龐大的制氫產(chǎn)能和應(yīng)用需求,發(fā)展氫能將對(duì)我國(guó)的能源安全和環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生哪些深遠(yuǎn)的影響?未來(lái)“氫能社會(huì)”是怎樣的一幅全新景象?氫能將如何改變我們的生活?
 
氫燃料電池有哪些應(yīng)用場(chǎng)景
 
能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化有兩條路徑:一是不可再生的化石能源被可再生的綠色能源替代;二是高碳向低碳過(guò)程的過(guò)渡。目前氫能的利用,特別是在汽車燃料電池上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的突破。氫燃料電池是一個(gè)移動(dòng)式的發(fā)電機(jī),沒(méi)有熱循環(huán),它就可以把效率提到90%,發(fā)電效率非常高。氫怎么變成電?氫的發(fā)電機(jī)理不需要借助熱循環(huán),而是氫在含鉑的催化劑下放出兩個(gè)電子,形成電流。
 
國(guó)際氫能源委員會(huì)認(rèn)為,21世紀(jì)人類要進(jìn)入氫時(shí)代,預(yù)測(cè)2050年全球氫能源需求將增至目前的10倍,同時(shí)2050年全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值將超過(guò)2.5萬(wàn)億美元。氫能的使用,既可以每年減少幾十億噸二氧化碳的排放,又可以形成巨大的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,提供幾千萬(wàn)人的就業(yè)崗位。
 
氫除了在汽車上應(yīng)用以外,還可以應(yīng)用在深海潛水、無(wú)人機(jī)、高速列車等設(shè)備上,只要是移動(dòng)器件需要?jiǎng)恿Φ牡胤�,氫燃料電池都可以�?yīng)用。5G時(shí)代所有基站的能源體系、供電系統(tǒng)也可以用氫。在生活中分布式發(fā)電方面,實(shí)際上每家每戶都可以放一個(gè)氫燃料電池的發(fā)電小裝置,用來(lái)制冷制熱、發(fā)電供電,幾乎所有的家用電器都可以利用它。另外,一個(gè)氫氣管道進(jìn)入家庭就可以供給所有需要的能源,非常高效便捷。
 
氫能源做的燃料電池與鋰動(dòng)力電池相比較,鋰動(dòng)力電池在重載航空航天或者是大型移動(dòng)器件上作為主動(dòng)力電源,它的續(xù)航里程不夠,能量密度也沒(méi)有氫燃料電池高。所以,像航空航天大功率的這種運(yùn)輸工具,使用氫燃料電池是非常適合的。
 
氫能安全嗎
 
氫能既然有這么多優(yōu)點(diǎn),那么使用氫存在危險(xiǎn)嗎?任何燃料總是有一定的危險(xiǎn)性,氫能作為燃料也不例外,但氫燃燒起來(lái)以后沒(méi)毒,不像有毒的氣體會(huì)把人熏倒。在燃料的爆炸性方面,氫的擴(kuò)散速度是汽油的12倍,燃燒后會(huì)很快擴(kuò)散開(kāi),可能一下子一股火躥上去,但是它不會(huì)引起其他更加嚴(yán)重的后果。我們做了一個(gè)測(cè)試,在汽油和氫燃料汽車分別燃燒著火的條件下,氫一燃燒,會(huì)冒一股火上去,但擴(kuò)散很快,很少殃及汽車的其他部位;而汽油來(lái)不及擴(kuò)散,會(huì)蔓延燃燒其他地方,造成整輛車被燒毀。所以從安全性來(lái)說(shuō),氫比汽油還稍微安全一些。當(dāng)然,氫既然是燃料,還是比較危險(xiǎn)的,特別是在開(kāi)始的推廣時(shí)期,比如19世紀(jì)用氧就很危險(xiǎn),但等所有的規(guī)則定好以后,大家就可以比較安心使用了。所以氫系統(tǒng)的建立就要制定絕對(duì)安全的氫運(yùn)行規(guī)則,如果制定好制氫、運(yùn)氫、加氫、儲(chǔ)氫的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn),按照整個(gè)用氫規(guī)則來(lái)使用,危險(xiǎn)就能控制,安全性就會(huì)大大提高。比如,氫能在日本應(yīng)用比較廣泛,市場(chǎng)推廣方面也具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),在日本不少加氫站和加油站布局在一起,只有一墻之隔,旁邊就是社區(qū)�?梢�(jiàn),如果技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)好、制定好,氫的危險(xiǎn)性就會(huì)得到控制。
 
氫能是霧霾的終結(jié)者嗎
 
中國(guó)的柴油車保有量約占現(xiàn)有汽車保有量的9%,但在霧霾這個(gè)問(wèn)題上它的貢獻(xiàn)率很大。汽車的尾氣排放對(duì)整個(gè)霧霾的“貢獻(xiàn)率”大概是三分之一左右,其中柴油車大概占70%,這個(gè)問(wèn)題必須得到解決。柴油車在中國(guó)的港口非常集中,以北方一個(gè)工業(yè)城市為例,這個(gè)地區(qū)的物流量非常大,是一個(gè)重化工區(qū),鋼的產(chǎn)量非常大。一噸鋼大概產(chǎn)生的物流量是五六噸左右,用重型卡車從港口到鋼廠運(yùn)輸最方便。這里200多萬(wàn)輛汽車?yán)锩�,有將�?0萬(wàn)輛的柴油車,排放量很大,污染比較嚴(yán)重,在這個(gè)地方實(shí)行“柴改氫”,將會(huì)有效地減輕京津冀一帶霧霾形成的壓力。
 
從氫燃料電池本身的特點(diǎn)來(lái)看,它適合于重載遠(yuǎn)距離續(xù)航,可以在港口來(lái)回跑六百至一千公里,重載也沒(méi)有問(wèn)題。柴油車比較密集的港口容易布局加氫站,而且國(guó)內(nèi)港口幾乎都是重化工地區(qū),工業(yè)副產(chǎn)氫也很豐富。加之港口一般毗鄰大海,海上運(yùn)輸氫燃料來(lái)源也很容易。
 
可見(jiàn),“柴改氫”可以先從港口的柴油車啟動(dòng),沿著運(yùn)輸路線去布局加氫站,統(tǒng)一加氫,大量地密集地使用氫,形成規(guī)模效應(yīng),從而達(dá)到降低成本、提高效率的目的,以環(huán)境來(lái)驅(qū)動(dòng)氫能和氫燃料發(fā)展,這樣才能進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營(yíng),而不是一直虧損運(yùn)營(yíng),依靠國(guó)家補(bǔ)貼,這是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。所以,“柴改氫”代表了一種技術(shù)路線的方向,尤其可以在港口的重卡上先進(jìn)行。如果“柴改氫”這條路走通了的話,我們可以在港口城市建立示范點(diǎn)。比如,我們?cè)诰┙蚣降貐^(qū)先建立氫能的利用體系,完全可以在很短的時(shí)間之內(nèi),把京津冀的霧霾問(wèn)題部分解決掉或者是根本解決掉。
 
氫能離我們還遠(yuǎn)嗎
 
截至2022年底,全球共有814座加氫站投入運(yùn)營(yíng),歐洲、亞洲、北美仍是加氫站建設(shè)的主要地區(qū)。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都把氫能源的發(fā)展利用提高到國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略高度。有數(shù)據(jù)顯示,截至2023年10月,我國(guó)氫燃料電池汽車?yán)塾?jì)銷售18197輛,累計(jì)建成加氫站417座,位居全球首位。據(jù)預(yù)測(cè),到2030年,氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破1萬(wàn)億元;加氫站數(shù)量達(dá)到1000座,燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬(wàn)輛。我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著怎樣的布局?又面臨哪些挑戰(zhàn)呢?
 
我國(guó)氫能發(fā)展的優(yōu)勢(shì)比較明顯。首先是國(guó)家高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》就對(duì)氫能和氫燃料電池進(jìn)行了規(guī)劃;后來(lái)《中國(guó)制造2025》節(jié)能與新能源汽車路線圖,也把氫能源和燃料電池汽車作為一個(gè)主要發(fā)展方向;2016年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》,提出要加大氫能和燃料電池的應(yīng)用;特別是2019年《政府工作報(bào)告》明確提出要推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。當(dāng)前整個(gè)氫能和氫燃料電池汽車的應(yīng)用掀起了高潮,在北京、上海、天津,包括湖北、重慶、浙江、廣東等都開(kāi)始了汽車氫燃料電池的研發(fā)和商業(yè)化運(yùn)行。實(shí)際上,我國(guó)制氫的工業(yè)基礎(chǔ)還是很雄厚的,制氫能力在全世界也是排在最前面。在氫還沒(méi)有作為重要能源的時(shí)候,它作為催化劑、還原劑被大量應(yīng)用。比如合成氨煉油加氫,每年產(chǎn)量在2000萬(wàn)噸以上�?傊�,我國(guó)未來(lái)開(kāi)發(fā)氫氣潛力巨大、市場(chǎng)巨大,我們的商業(yè)用車、港口用的卡車、物流車,以及我們的乘用車,數(shù)量加起來(lái)都是很大的,而且應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越多。
 
多地競(jìng)相發(fā)展氫能源。我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈已初步打通,氫能產(chǎn)業(yè)布局明顯提速。燃料電池汽車作為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面,未來(lái)兩三年有望迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合出臺(tái)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》,為我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展描繪了藍(lán)圖。各地方也紛紛搶占?xì)淠馨l(fā)展制高點(diǎn),產(chǎn)業(yè)布局呈遍地開(kāi)花之勢(shì)�,F(xiàn)在已經(jīng)有20多個(gè)省市做了氫能的發(fā)展規(guī)劃和氫燃料汽車的發(fā)展規(guī)劃,而且已經(jīng)形成了華東、華中、華南、華北、東北、西南等氫能和氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)群,涌現(xiàn)出像上海、如皋、佛山、張家口、武漢等一些有代表性的城市。各地方政府相繼發(fā)布涉氫的政策,構(gòu)建了涵蓋科技創(chuàng)新、應(yīng)用示范、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)布局等各個(gè)環(huán)節(jié)的政策體系。如北京2021年就發(fā)布了《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案(2021—2025年)》,對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的引導(dǎo)和推動(dòng)作用。北京冬奧會(huì)期間,上千輛氫燃料電池汽車服務(wù)保障冬奧,實(shí)現(xiàn)全球最大規(guī)模的示范應(yīng)用。還有河北唐山出臺(tái)了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)施方案,其中提出力爭(zhēng)到2025年,建成加氫站30座,氫燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)數(shù)量力爭(zhēng)達(dá)到2500輛,氫能產(chǎn)業(yè)營(yíng)業(yè)收入達(dá)到200億元。江蘇的如皋,是“聯(lián)合國(guó)氫經(jīng)濟(jì)示范城市”。還有,山東提出了建立氫谷的概念,而且制定了一個(gè)總體規(guī)劃,等等。
 
我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)如何突破
 
目前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊,但要實(shí)現(xiàn)快速健康發(fā)展需要改變氫能生產(chǎn)主要依賴化石能源、清潔能源制氫和氫作為能源利用規(guī)模還比較小的現(xiàn)狀。需要攻克質(zhì)子交換膜組、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器等氫核心產(chǎn)品技術(shù)難點(diǎn),并且要解決氫氣輸送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不成熟,商用化應(yīng)用不足等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
 
推進(jìn)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,布局氫能產(chǎn)業(yè)示范區(qū)。在氫能的利用上千萬(wàn)不能先車后氫,應(yīng)該氫體系先行,至少是車和氫要同步,這樣可以有力地推動(dòng)燃料電池和燃料電池汽車的發(fā)展,否則欲速則不達(dá)。因?yàn)闅淠墚a(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng),它橫跨能源、化工諸多領(lǐng)域,氫體系也很復(fù)雜,所以推進(jìn)氫全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,要以企業(yè)為主體,以資本為紐帶,集中國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位把團(tuán)隊(duì)力量做大做強(qiáng),然后把氫體系全產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃做出來(lái),打造好氫燃料電池汽車發(fā)展中的氫能供應(yīng)體系,做到有序發(fā)展。各地要根據(jù)地方特色、能源稟賦、環(huán)境條件、技術(shù)能力來(lái)規(guī)范每個(gè)地區(qū)氫能發(fā)展的布局、方向和規(guī)劃。
 
建立氫能國(guó)家重大專項(xiàng),開(kāi)創(chuàng)氫能重卡時(shí)代。通過(guò)設(shè)立國(guó)家重大專項(xiàng)來(lái)解決產(chǎn)業(yè)鏈中的重大技術(shù)裝備和工程問(wèn)題。重型柴油車密集的港口國(guó)內(nèi)有很多,從張家港、黃驊港、連云港到青島港都是重化工聚集地區(qū)。這些柴油車密集的港口地區(qū),可以開(kāi)創(chuàng)氫能的重卡時(shí)代,首先啟動(dòng)氫系統(tǒng)的建立和重卡氫燃料車的試運(yùn)行。
 
充分利用廢棄電力,降低制氫成本。這些年,我國(guó)的風(fēng)電、核電、光伏電池、水電、生物質(zhì)能源等發(fā)展都很快。特別是風(fēng)電和光伏發(fā)電,我國(guó)都是全球裝機(jī)容量和發(fā)電量最大的,但由于風(fēng)電、光電不穩(wěn)定,并入國(guó)家電網(wǎng)比較困難,導(dǎo)致我國(guó)的棄風(fēng)、棄水、棄光現(xiàn)象也很嚴(yán)重。如果把每年近1000億度的棄電用來(lái)制氫,成本就會(huì)降低。
 
因此,在制定整個(gè)氫能發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略中,要利用好現(xiàn)在棄光、棄風(fēng)、棄水這1000億度電,包括優(yōu)先利用好1000萬(wàn)噸工業(yè)副產(chǎn)氫,這“兩個(gè)1000”我們要用好。同時(shí),在重型柴油車密集的港口地區(qū),從物流或重卡起步,以建立氫能體系為基礎(chǔ),解決當(dāng)前的霧霾或環(huán)境緊迫問(wèn)題。當(dāng)然,我們也要加快研發(fā)好氫燃料電池,把成本降下來(lái)、功率提上去,提高運(yùn)行質(zhì)量。
 
中國(guó)是一個(gè)工業(yè)化進(jìn)程速度非�?斓膰�(guó)家,建立高效合理的氫能源體系,對(duì)促進(jìn)可再生能源的利用,改善人類的居住環(huán)境和提高生活質(zhì)量,非常重要。氫系統(tǒng)建立和完善后,我們的電網(wǎng)會(huì)更加智能、更加高效、更加合理、更加節(jié)能。當(dāng)下,我們要以推動(dòng)氫能重卡時(shí)代為代表,把我們的氫能和氫燃料電池的事業(yè)產(chǎn)業(yè)往前發(fā)展,用來(lái)支撐我們制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)。
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 氫能
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    信息來(lái)源:中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院【《中國(guó)科技人才》2023年第4期】(作者:劉東,總體研究所,研究員) 摘要 氫能源汽車發(fā)展是關(guān)乎實(shí)施雙碳戰(zhàn)略、推動(dòng)能源革命和汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育未來(lái)產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略舉措。本文基于加快布局氫能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)
    2023-10-25 08:28
  • 歐陽(yáng)明高:以綠氫制備和燃料電池為龍頭,帶動(dòng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化

    5月5日,氫能應(yīng)用現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展推進(jìn)會(huì)暨專家咨詢委員會(huì)成立大會(huì)在京召開(kāi)。中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院教授歐陽(yáng)明高在會(huì)上指出,未來(lái),要以綠氫制備和燃料電池為龍頭,帶動(dòng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化。
    2023-05-09 10:18
  • 科技部:提升氫能產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)

    3月28日,科技部高新技術(shù)司能源與交通處處長(zhǎng)問(wèn)斌在北京氫能產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨京津冀氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇上表示,氫能作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),其發(fā)展過(guò)程要充分認(rèn)識(shí)科技創(chuàng)新的重要性、要加強(qiáng)區(qū)域聯(lián)動(dòng)、深化國(guó)際合作。本次論壇由北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局、北京市科學(xué)技術(shù)委員
    2023-03-29 09:48
  • 彭蘇萍:未來(lái)10-20年將是我國(guó)氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期

    彭蘇萍預(yù)計(jì),“未來(lái)10到20年將是我國(guó)氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇期,我們需緊密聯(lián)系中國(guó)能源發(fā)展實(shí)際,從戰(zhàn)略、政策、技術(shù)、資金、國(guó)際合作等方面積極謀劃,通過(guò)改革創(chuàng)新破解發(fā)展難題,助力實(shí)現(xiàn)氫能源與燃料電池高質(zhì)量發(fā)展。”
    2022-11-24 10:51
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