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同济大学教授明文平:氢能技术创新及载运动力发展态势

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由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办,将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题,邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动,200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中,在8月26日举办的专题论坛:“交通与能源融合论坛”上,国家“十四五”氧能重点研发专项总体专家组组长、同济大学教授明文平发表重要演讲。

以下内容为现场演讲实录:

能源交通融合加一个线路就全面了,道路、管路会融合非常好,管路也可以输送能量,也是交通一种方式。今天谈的氢能和后面说的事是一种燃料和动力,就像电和电机。从能源核心来看,是个燃料的问题。我们消费这一侧,装在里面动力核心是什么?是把燃料变成有用功的东西,最核心科技目前是很热门的,气候变化就是跟太阳有关,甲烷寿命比较短但是也是非常厉害的。

发展问题和燃料安全问题对我们国家来说挑战尤其大,特别是跟油气有关,还有以煤为主的压舱石怎样在未来我们中国消费更多的能源情况下,把碳能够做到中和。三个问题加在一起时间周期比国外短,所以必须要有一些创新前瞻的科技在部署,或者产业要加速。我们要实现碳中和,这一侧一定是低碳化的,消费侧一定是电和氢的某一种形式,当燃料的东西加在一起,这种才能实现我们国家整个能源碳中和的目标,所以中间也有一个线路图的推理。

如果靠1000多个小时光伏和一年2000个小时风电很难满足这张网的时间长度,再建储能,比如蓄电池钠电池可以做到1兆瓦,还能做多大?这就是问题。因此氢当成一种化学可以长时间存储的燃料就很重要。

一辆汽车放5公斤氢,一公斤氢33度电低热值,1台车150千瓦时,同时把天然气空了,换成氢,是100钛瓦时。而液氢和氨目前已经造出的罐子,液氨最大的罐子目前可以满足100G瓦时,因此这个时间长度上的东西,基本上差不多。只不过大家说的是这个过程怎么样能够高效、安全,这是科技的问题。

另外一个问题就是动力这侧怎么拉动三张网的融合。国际上也说的很清楚,未来的氢至少在消费侧占到15%左右,各个国家认为不同,最大的是加拿大认为有30%可输送的能源。去年联合国的预计有三分之二要在消费侧用掉,两种东西,一个是氢气碰撞地面转移电子的反应就是燃料电池,还有一种是被火苗烧掉的燃烧机械,大概三分之二用掉这。过去能源比如烧碳化钙得到水泥这个事,现在连钢铁有机物,过去这个不归氢管,所以站在我们国家的源侧来说,什么办法把碳降下来。能源供给侧低碳化,可再生水、风、光电日益成为一次能源的主体。能源消费侧零碳化:清洁电力和绿禽动力,日益成为终端能源的主体。

不能只有可再生能源电这一头,氢也是一个载体。一个燃料电池今天做100千瓦原动机,科技本身进步是肯定的,但是还要注意,所有的电池包括锂电池在内,它的放电是线性的,一节100瓦,两节200瓦,它的功率是成指数的,所以它的效率不如电池化学。但是热解也很重要。最大的工业热解炉子,一个炉子就是800万千瓦,所以怎么热力解制氢,肯定是一个很大的问题,因此除了电解眼前下一步重要的问题可再生能源怎么热解也是很重要的一个命题。

从几台车开始,到今天全中国有1万辆车,刚才能源局领导讲能看到运行的6000多辆,算了一下我们国家过去氢在消费侧没用的,现在差不多一年10万吨氢在车上消费。而且从科技部“十四五”专项启动以后,氨进入科技视野当成新的燃料。现在全中国已经在建绿氨生产是160万吨,相当于要消耗掉20万吨绿氢,绿氢供给大于汽车使用。所以源头部分虽然有3000吨氢进到合成氨合成甲醇工业,但是那些都是高碳的。所以从形式看,燃料电池经过这么一站,把性能提到可靠性这一关,汽车工业开发流程非常严谨。

所以反过来看,我们国家能源开发机械还在攻关,重燃这件事,但是这件事进入开发流程以后,才有可能进入产品阶段。真正攻克寿命所有产业一上来就问你寿命,电解水用10年、20年?燃料电池车上用10年,发电用20年?所以寿命的事需要产业界、科学术界一起推动,产业界能够保证质量可控科学界必须原子分子纳米级看待这个问题。

目前我们国家在车上一年的产量产能在3000多,目前差不多一年能卖到1500,有疫情影响在里面。这是我们国家鼓励补贴的地方,现在最核心卡脖子是在材料有关的。加氢站现在全国是270座。大概有20座加氢站是有70兆帕,全部是气氢拉来,对于商有车35兆帕加氢,比国外70兆帕少了一半行驶里程。现在加氢站只能加100辆小车,因此对我们刚才说的,250公里的机车要2兆瓦,1小时就得用掉多少,因此这种加氢站是不是能满足重载的车?所以给我们交通怎样赋更多的能量,3分钟加满5公斤氢,这是小车的要求,3兆瓦的功率,氢是没有问题的。可是对于49吨重卡,我们的目标是7.5公斤氢1分钟,这才能让你这个车和船能够运转起来,保证它的使用效率。这个已经在项目里“十四五”项目交通口和能源口都在支持。那意味着30到15兆瓦功率往里灌1秒钟。因此基础设施是一个很大的市场。当然,严院士说最好不要挤套,现在道路上看油气合建,油氢合建也有了,所以能源和交通设施发展交替发展,这个过程中一定会发生这种情况。

电器化不多做介绍,欧阳院士一起做规划,他比较谨慎,认为2030年我们国家100万辆车中90万辆是商用,10辆乘用车,这个量一般年就是耗氢500-600万吨,我们能源希望3000万吨一半是绿氢,这些车能满足我们氢能总需求的四分之一,因此我们希望把这些重载的再拉起来,它的消费有多少?今天有没有规划?“十四五”看有这个产品研发过程和基础设施,能为交通支撑的。

那么提出整个氢能的几个方面,绿氢的供给是第一位的。首先燃料怎么存储?70兆瓦的,氢有五种状态,气态、液态、冰态和磷脂态,日常用气态、液态比较多。是不是可以做到化合态?热力学算下来,700公斤压力和零下253度,一公斤氢费3.4度电,做成氨一公斤氢费的电4.2度电,做甲醇费的多。

如果用我们国家擅长储氢材料吸附,一公斤氢吸附下来的热就是3.6公斤。热力学算并不多,大概10%多一点能量消费。所以问题是能不能像氨这种好分子,甲醇分子不太好,一个是烧完变成碳,变成400PPM,你还得浓缩它。第二个问题是甲醇的消耗太多了,氢的能量被合成甲醇消耗太多,这个分子是不是更新?目前来说摆在这个图上比较新,还没有太看到。这里是具体的数,但是氨如果用内燃机,问题来了,它的热值只有柴油一半不到。这么一来,即使你达到柴油机的效能,问题仍然是比较多的。

燃料电池效率是否做到内燃机50%?,不可能,能高一点,高到40%左右。\因此这个问题对飞机来说是不敢说的原因,飞机动力可能效率还要低,做热效力来说。\所以燃料品质在终端能消费的,你要92号汽油还是95号汽油,还是燃气用的天然气,归根到底是用动力定义的,而不是一次能源给你92号汽油你就照这个来。因此我们定义的便捷改质和高效动力,安全存储和快速输配,包括绿色制取和规模转存。现在如果按照碱水电解,这个产业出来的原因就是火力发电厂需要清洗针对工业制造。过去研究比较成熟的燃烧科学来说,中国最大的挑战就是电极问题,是微钠电极。三个电解还是主要的,热解还要探索。是不是十四五我们可以探讨,国外已经算出来了,绿氢在2030年成本等于灰氢。电解槽本身降本一定是追求的目标。

第二就是氨能安全存储与快速输配体系。研究内容:面向交通运输用氢的高效储输需求,研发高密度的材料。还有怎么比电网输还便宜,这是绿氢追求的目标。管道终端,美国说2030年的科技目标,前面制绿氢7块钱一公斤,输储到管网末端7块钱一公斤,算上加氢站,再加7块钱,就是21块钱1公斤氢,载运工具用燃料,如果按燃料电池效率算,可能比现在内燃机烧油还会便宜40%多。第三个是高效动力。这件事是我们是否能实现更长的载运,包括载运和发电过程里的效率核心。还有一点,是否能增加机电混合的路子。

我们国家从发改能源局层面,从经济层面讲氢能,氢燃料,是今年和去年的事。科技部一直在讲,从十五就开始讲,那是科技界的事。国外,国家级讲应该是2002年就开始了。因此我国这种综合场景包括码头场景是很少的,说白了没有井冈山就没有根据地,法律标准都很少。所以提出了氢进万家,最核心就是能源交通融合一个路网一个管网。消费侧的一个动能一个电和热能怎么融合的问题。所以,山东省还是下了很大的决心的。

总的我们的目标希望在这五年,在科技部带领和推动下,各位专家把我们国家科技水平做到国际先进水平。同时在2030到2030终端消费绿氢1.5%左右。

还有一件事情可以获得很多油就是联合循环。就是把热机排放的热,比燃料电池平时工作温度都高,给我好了,我可以减少很多内耗的电。第二点燃料电池为了实现氢气,不要白白浪费,我们氢气剩下给你内燃机烧,这也会提高效率。

所以,我们同济一帮专家和上海探讨的时候,我们国家氢动力这一层很可能是从移动式走向分布式、集中式的过程。需要攻克的时间比较长,最核心是两类基础核心问题。真正的能源革命可能在路上,不是说的,等你发现它的时间可能已经来不及了。所以我们一定要迎头赶上。

谢谢大家!

编辑:敬之