歐陽明高：挖掘氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)價值
[汽車之家 行業(yè)] “雙碳”目標(biāo)下，新能源汽車正全面市場化進(jìn)軍。中國、歐洲為代表的的新能源汽車市場滲透率正不斷提高。為進(jìn)一步加強(qiáng)全球綠色低碳合作與交流，促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈融合貫通，加速突破新能源汽車全面市場化障礙，2022世界新能源汽車大會(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南兩地以線上、線下相結(jié)合的方式召開。
大會由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、北京市人民政府、海南省人民政府、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部等10家單位共同主辦，以“碳中和愿景下的全面電動化與全球合作”為主題。
作為新能源汽車領(lǐng)域高規(guī)格、國際化且最具影響力的年度大會。本次大會有1000多名全球新能源汽車領(lǐng)域政產(chǎn)學(xué)研高層云集大會現(xiàn)場，圍繞著氫能與燃料電池、電動化轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與跨界、構(gòu)筑智能生態(tài)等多個熱點議題展開探討。
『中國科學(xué)院院士歐陽明高』
汽車之家作為WNEVC2022鉑金贊助商及戰(zhàn)略合作媒體，在大會現(xiàn)場為大家?guī)砼c會嘉賓的精彩觀點。在“氫能與燃料電池汽車商業(yè)化”論壇上，國際氫能燃料電池協(xié)會理事長、清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士歐陽明高發(fā)表了“以燃料電池商用車為先導(dǎo)帶動綠色氫能全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化”的主題演講。他提出，要加快燃料電池汽車核心環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新，攻克關(guān)鍵技術(shù)難點，逐步降低成本；從工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵可再生能源制氫，到完全可再生能源制氫逐步過渡，實現(xiàn)燃料電池規(guī)�；瘧�(yīng)用；以燃料電池商用車的大規(guī)模商業(yè)示范為龍頭來拉動，挖掘氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)價值。
以下為發(fā)言實錄：
報告主要分三個方面，一是車用燃料電池發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，第二交通應(yīng)用拉動氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，第三綠氫推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化。
首先，氫燃料電池商用車是中國氫能燃料電池的特色和優(yōu)勢，與十年前純電動轎車類似，正在引領(lǐng)國際潮流。根據(jù)IEA在2021年的統(tǒng)計，全球燃料電池商用車基本都是在中國推廣的，巴士和卡車其它國家基本沒有，都是在中國。我們回顧一下為什么會取得在全球的引領(lǐng)地位？是得益于中國燃料電池的技術(shù)進(jìn)步和燃料電池汽車的一系列示范。跟2015年相比，2022年燃料電池汽車各項指標(biāo)都是成倍的改善，比如說壽命，石墨雙極板的電堆壽命從3000小時提高到15000小時。
我們從2008年開始進(jìn)行燃料電池汽車示范，第一次在夏季奧運會，轎車巴士一共十多輛，而剛剛結(jié)束的冬季奧運會，我們有1200輛燃料電池汽車參與示范，而且全部都是綠氫，是由張家口的風(fēng)電制氫供應(yīng)的，加氫站有幾十座。說明從我們當(dāng)年的十多輛車，2008年建的全國第一個加氫站，到現(xiàn)在發(fā)展到這么大，都是通過示范考核技術(shù)承載的。
這些年來典型的研發(fā)模式，清華億華通團(tuán)隊的“剝洋蔥”模式，先解決系統(tǒng)，然后解決發(fā)動機(jī)技術(shù)，再解決電堆技術(shù)，每走一步都讓它實用化，現(xiàn)在到膜電極解決了。
2021年，中國市場典型的燃料電池發(fā)動機(jī)水平跟豐田和巴拉德是差不多的，但是在壽命方面有些差距，包括金屬板的電堆，石墨板的電堆。但幾條技術(shù)路線都取得突破。典型的示范工程就是這一次冬奧會，我們認(rèn)為是很成功的。因為擔(dān)心氫安全的問題，團(tuán)隊專門組織了國際氫安全國際執(zhí)行委員會給我們把關(guān)，總體來看沒有出現(xiàn)一例事故，這充分證明氫能是一個安全的、可實用化、可商用化、可規(guī)�；囊粋�技術(shù)。
截至到2022年6月份，我們已經(jīng)達(dá)到1萬輛FCEV，“以獎代補(bǔ)”的五個城市群總規(guī)模也是萬輛級。到目前為止已經(jīng)有一兩萬輛，今后兩三年國家補(bǔ)貼政策下的又是一萬輛，所以今后幾年是燃料電池汽車發(fā)展的最重要的窗口期。
我們還面臨的挑戰(zhàn)，以及對策和路線圖。首先是效率問題。大家知道提高了效率可以增加氫瓶的壽命，另外可以減輕熱管理的負(fù)擔(dān)，尤其是商用車，因為燃料電池供熱溫度跟大氣溫度的溫差比較小，對于長途重載的卡車來說熱管理尤其重要，因為它要持續(xù)運行。如果是300千瓦的燃料電池，基本150、160千瓦的熱要散出去，而溫差在夏天是很低的。所以效率問題，我認(rèn)為是當(dāng)前最需要解決的。鄂爾多斯因為有30多萬輛礦山用的大卡車，他們做了燃料電池重卡、換電重卡、柴油重卡，這個城市是比較有代表性的。因為它的氫價補(bǔ)貼后25塊錢一公斤，電價是4毛錢一度電。100公里25塊錢，我們現(xiàn)在49噸重卡的氫耗是15公斤，每公里是3.75元。換電重卡每公里在2.75元以下，柴油重卡大概在2.5、2.6元，因為換電重卡可以低到2.3，所以換電重卡經(jīng)濟(jì)性可以比柴油重卡更好，但是離燃料電池重卡還有1塊錢的差距。怎么辦？就要提高效率，降低氫耗。我們下一步目標(biāo)必須把49噸重卡的百公里氫耗由目前的15公斤降低到10公斤。為了降低氫耗，必須提高燃料電池的效率必須超過50%�！ �
第二個壽命問題，國內(nèi)的燃料電池壽命跟國際還是有點差距的，我們目前大概是15000到18000小時的壽命，下一步我們要做到多少呢？我們必須做到25000，以前我們把這個作為2030年的目標(biāo)，目前看來要提前到2025年。因為我們會面臨國外產(chǎn)品的競爭，還會面臨純電卡車的競爭，因為純電卡車很容易超過百萬公里。我們必須提高壽命到25000小時，這中間包括材料的改進(jìn)，電堆的改進(jìn)，以及系統(tǒng)的改進(jìn)，所以我們還要進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新，來解決壽命問題。
第三個成本問題，我們現(xiàn)在的電堆跟國際先進(jìn)企業(yè)比還是成本偏高的，所以我們現(xiàn)在平均的電堆成本并不比國外低，當(dāng)然國外有高的有低的，我們平均下來并不具備優(yōu)勢。我們要逐步降低成本，目前已經(jīng)降低到5000塊錢一個千瓦，降低的速度還是很快的，我們希望到2025年再降低到1000塊錢，2030年到500塊錢。對于成本的降低我們還是很有信心的，因為現(xiàn)在進(jìn)入快速降低的通道，我們要通過規(guī)�；蛧a(chǎn)化來降低成本�！ �
還有一個基礎(chǔ)性的問題，就是膜電極。應(yīng)該說中國的膜電極還不是完全自主的，因為有些材料，尤其是膜還是用的國外進(jìn)口�，F(xiàn)在山東東岳的膜要開始替代了，但總體還要努力，跟國外高性能的膜進(jìn)行競爭。目前國外的膜成本比較高，膜電極應(yīng)該說占到我們整個燃料電池系統(tǒng)技術(shù)的一半。膜電極是我們下面研發(fā)攻關(guān)的重中之重，我們的系統(tǒng)做的不錯，電堆也正在解決，下面重中之重是膜電極的問題。膜電極有兩點，一個是提高效率，我們要向60%邁進(jìn)，未來可能要在發(fā)電系統(tǒng)中率先實現(xiàn)，車用系統(tǒng)會慢一點。我們要提高催化劑的活性，降低催化劑層的損失，需要在催化劑的結(jié)構(gòu)上想辦法，催化劑活性本身其實能做的已經(jīng)不是很多了。另外就是降低我們質(zhì)子交換膜的電阻，還有催化層的含水能力，主要是IC比還有反應(yīng)問題�，F(xiàn)在國際的趨勢要把溫度提升，溫度提升之后，水淹的問題也會順利解決�，F(xiàn)在低溫質(zhì)子交換膜的燃料電池也是一個問題。燃料電池客車是很成功的車型，東奧1200多輛有900輛都是客車，在張家口700輛客車完全可以跟柴油車競爭，在北方可以跟純電動競爭。冷藏車也完全沒有問題，現(xiàn)在要攻克的是重卡和長途客車。可以擴(kuò)展到各種重載交通工具，例如各種火車、船舶、飛機(jī)、還有SUV也是我們很好的發(fā)展的路徑，包括出租車。這是第一個方面。
第二個方面，基礎(chǔ)設(shè)施。帶動基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，現(xiàn)在有260座加氫站。根據(jù)現(xiàn)在的實際情況，我們可以把副產(chǎn)氫作為過渡，綠氫逐步成為主流。初期為了把燃料電池的規(guī)模拉起來，我們對氫的來源要適當(dāng)?shù)亩嘣绻肯薅ňG氫，那么現(xiàn)在價格偏高，但是要很快過渡到綠氫上去。氫有兩種性，一種正氫，一種是重氫，兩種自旋方向是不一樣的，化學(xué)性質(zhì)是相似的，但是熱力學(xué)性質(zhì)相差很大，氫的質(zhì)量能源密度很高，但是體積能量密度是極小的，所以儲運是一個瓶頸。目前我們的儲氫方式還主要是物理儲氫中的氣態(tài)儲氫，只能是氣態(tài)高壓，其它的儲存方式目前也不具備技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)可行性。對于這個，首先看車上的儲氫，氫瓶現(xiàn)在是30兆帕，但是體積太大，下面必須往70兆帕發(fā)展，但是70兆帕的成本是比較高的。預(yù)計今后幾年通過國產(chǎn)化可以做到接近2000塊錢出一公斤氫，加上還有安全閥等等，爭取到3000塊錢出一公斤氫，這是我們?nèi)曛畠?nèi)追求的目標(biāo)。
另外就是儲運，我們目前的儲運壓力是20兆帕，儲運的成本太高。原料成本11塊錢，20兆帕拉100公里到加氫口38塊錢，所以我們必須要把這個壓力提升到500個大氣壓，把運輸成本降下來，因為這個運輸成本是很高的，甚至超過我們的氫原料的成本。
我們也要考慮其它的，比如說存氫管道，規(guī)模大的可以研發(fā)，但規(guī)模小的并不適用。還有一種就是站內(nèi)制氫，如果運輸?shù)某杀境^原料成本，那站內(nèi)制氫是有優(yōu)越性，而且站內(nèi)制氫可以提高經(jīng)濟(jì)性，因地制宜，有的地方電費比較便宜，如鄂爾多斯、四川三毛五分錢一度電。
面向燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展路線圖，從工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵可再生能源制氫，到完全可再生能源制氫逐步過渡。希望2025年加氫站到1000座，到2030年，燃料電池汽車到80萬輛，預(yù)計在2030、2035年應(yīng)該80到100萬輛，屆時我們需要5000座加氫站。希望到2030原料成本低于10塊錢。
最后說一下綠氫推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化。我剛才談?wù)摰氖菤淠苋剂想姵仄嚕瑲淠茉雌囀窍葘?dǎo)，不是氫能的全部，只是一個突破口。從未來新能源汽車革命的角度，可再生能源出來就是電，電完了就有氫，氫和電是可再生能源革命的兩個主要的能源載體，氫電再互換。既是物質(zhì)基礎(chǔ)又是動力基礎(chǔ)，氫又可以做氣氨或者甲醇，不增加碳，甲醇不增加碳的前提是要從空氣中捕捉再放回去。
我們有兩個支柱，儲電、儲氫，兩個循環(huán)一個轉(zhuǎn)換。全產(chǎn)業(yè)鏈從可再生能源、電網(wǎng)制氫、轉(zhuǎn)換、儲存、運輸、轉(zhuǎn)儲、應(yīng)用，氫燃料、氫儲能、氫動力，我們每一種都有很多選擇，所以技術(shù)路線選擇是非常重要的，我們必須一步一步的改變我們的選擇。看典型的路徑分析，我們可以從可再生能源到電網(wǎng)，到檢驗制氫，高壓氣氫、灌輸車、增壓、氫動力，這是目前燃料電池的技術(shù)路徑。燃料電池還有可能是用副產(chǎn)氫，基礎(chǔ)好、產(chǎn)業(yè)鏈基本具備，但現(xiàn)在的問題是制氫的電價，運氫的距離和燃料電池車的效率。
綠氨應(yīng)用范圍更大了。它可以制氫用、合成氨，遠(yuǎn)洋貨輪會繼續(xù)使用內(nèi)燃機(jī)，因為它效率本身就是50%，并不比燃料電池效率低，所以完全可以用氨內(nèi)燃機(jī)。還有我們的長途飛機(jī)可能還會用燃?xì)廨啓C(jī)，但是燃料會換成氫合成的氨，這也是IEA的全球共識。
目前綠氨出口價格是比較高的，也可以可再生能源制氫，制完氫無法消納，完全可以制成氨出口�，F(xiàn)在的問題是技術(shù)還不是很成熟，需要探索，電合成氨的化學(xué)合成法在發(fā)展之中，而我們傳統(tǒng)的合成法的能耗偏高。
第三個純水制氫，綠氫是最清潔的路徑，也可以用于各種途徑。下面要重點講講氫儲能的事。應(yīng)該說目前的問題是制氫系統(tǒng)的成本和燃料電池發(fā)電的效率，因為氫儲能是先把電變成氫，然后再氫變成電發(fā)回去，構(gòu)成循環(huán)。目前看，綠氫技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈正在迅速崛起，氫動力正在商業(yè)示范，氫燃料有很多項目在規(guī)劃之中。最重要的，目前要解決的是綠氫制取，如果綠氫的制取沒有經(jīng)濟(jì)性，后面就很難有經(jīng)濟(jì)性。
三種電解水制氫的比較。目前從效率的角度，堿性電解和質(zhì)子交換膜效率差距不大，但是固體氧化物可以接近100%。投資的成本是目前只有堿性電解可以大規(guī)模商業(yè)化，質(zhì)子交換膜的電解還有一些問題，比如說它要用稀有金屬銥做催化劑，還有一些技術(shù)難題沒有攻克。固體氧化物在國內(nèi)處于初級階段。
目前全行業(yè)都在投入的就是堿性電解。中國的堿性電解系統(tǒng)是從哪里發(fā)源的？是718所為了做潛艇在50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的。以前由于需求沒有太多，所以技術(shù)長時間沒有大的突破。目前行業(yè)的技術(shù)水平是偏低的，所以這個行業(yè)呼喚技術(shù)創(chuàng)新，我們團(tuán)隊剛剛做的一種新的系統(tǒng)，做了一些嘗試，主要是在安全、高效、智能三個方面做工作。
首先是安全。制氫系統(tǒng)安全是很大的問題，我們利用在奧運會上那個氫能點火的安全技術(shù)，把它移植到制氫系統(tǒng)上來。
第二個，堆型以前都是圓的，其實這個堆型并不是最合理的，我們做了一種新的堆型。我們現(xiàn)在做的模塊化的，每一個單品可以在現(xiàn)場直接拿掉的，500方或1000方直接擴(kuò)展。
第三個智能化，發(fā)展數(shù)字平臺，智能監(jiān)控，讓整個運行過程在監(jiān)控下。有什么好處呢？我們現(xiàn)在熱定點的效率基本上很難有大突破，現(xiàn)在應(yīng)該是解決全生命周期的效率，而我們?nèi)绾伪ＷC整個效率在全生命周期是不變的？這是目前要解決的主要問題。當(dāng)然，這里還有很多基礎(chǔ)的東西都需要研究，包括隔膜、催化劑都需要創(chuàng)新，創(chuàng)新的空間很大。所以這個行業(yè)目前的關(guān)鍵是呼喚技術(shù)創(chuàng)新，希望大家都來進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，靠技術(shù)來競爭。
可再生能源電解制氫的成本。堿性電解制氫的成本跟綠氫價格相關(guān)，電解槽的成本直接用的現(xiàn)在的價格。如果電力成本低于一毛五分錢，那么就可以跟煤制氫成本相當(dāng)。
集成化的氫能源系統(tǒng)，因為碳減排的主力還是工業(yè)和電力，電力是最重要的，由此我們煤發(fā)電的二氧化碳占到總的二氧化碳排放的40%，需要用氫能來解決這部分問題，也就是可再生能源長周期大規(guī)模的儲能和利用，這就是氫儲能的場景。從電力系統(tǒng)來講，我們有發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)。在發(fā)電側(cè)的時候，我們用光伏風(fēng)電制氫，電解水制氫，然后儲氫。比如鄂爾多斯有很多煤礦的礦井廢棄之后可以用來儲氫，這是最便宜的方式，再發(fā)電回去，這個可以是替代煤去發(fā)電，來調(diào)峰�，F(xiàn)在的煤電廠都在做靈活性改造，其實氫摻到煤里面對靈活性改造是大有幫助，因為煤的燃燒在30%左右就不穩(wěn)定了，氫是更優(yōu)質(zhì)的燃料。我們也可以制成氨長途運輸?shù)揭恍┍容^遠(yuǎn)的發(fā)電廠。
發(fā)電怎么發(fā)？我們可以燃料電池發(fā)電，現(xiàn)在正在做燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。也可以有氫燃?xì)饽軝C(jī)。也可以是氨燃?xì)廨啓C(jī)，也可以跟燃煤鍋爐燃燒，甚至全部替代成氫或者氨。我們準(zhǔn)備在鄂爾多斯做一個示范。
總結(jié)來看，氫儲能的優(yōu)勢，第一能量利用的充分性，大容量長時間的儲能對可再生電力的利用更充分。另外，規(guī)模儲能的經(jīng)濟(jì)性可觀。第三，靈活能源可以用于各種動力。制儲運的方式也很靈活，可以管道，可以拖車，高壓電、長途輸電、長途制氫也是可以的。
最后做一個小結(jié)，當(dāng)前的技術(shù)創(chuàng)新核心環(huán)節(jié)燃料電池、電解裝置需要率先突破，降低成本，提高效率，延長壽命都是我們要做的。而且要從系統(tǒng)層次逐步的深入到材料層次，比如說堿性電解的隔膜，我們現(xiàn)在都是700微米的隔膜，很厚，電阻很大，孔也太大，造成氫、氧的互串，一部分運行氫串漏就超標(biāo)，必須在隔膜上實現(xiàn)突破。儲運的技術(shù)雖不理想，但革命性突破需要基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我們主要還是選擇合理的儲運技術(shù)路線。
第二氫能的價值鏈，我們已經(jīng)認(rèn)識的是戰(zhàn)略價值，所以催生了氫能熱。我們亟待開發(fā)的是商業(yè)價值，商業(yè)價值的源頭在哪里？就是綠氫的經(jīng)濟(jì)性。最后就是氫產(chǎn)業(yè)鏈，我們以綠氫制備的商業(yè)價值為源頭來推動，以燃料電池商用車的大規(guī)模商業(yè)示范為龍頭來拉動，這樣就可以帶動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
我們展望一下，未來中國要實現(xiàn)碳中和，我們綠氫要到8000萬噸以上。國際氫能委員會預(yù)測到2050年全球氫能利用的二氧化碳排放情況累計減少800億噸，2050年當(dāng)年減少70億噸，所以這是非常值得期待的革命性的技術(shù)。
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