我國在發(fā)展氫能方面的重要優(yōu)勢(shì)之一就是擁有豐富的氫源基礎(chǔ)，但氫能制取技術(shù)這一世界性難題至今并未取得大的突破，氫能制取成本嚴(yán)重制約行業(yè)發(fā)展。
國內(nèi)的氫能火到什么程度?“今年8月，中國工程院舉行了一場(chǎng)氫能相關(guān)的項(xiàng)目咨詢會(huì)，全國有39個(gè)省、市級(jí)政府報(bào)名參加，還有100多家企業(yè)到場(chǎng)，我怎么也沒想到，開始準(zhǔn)備的一個(gè)300多人的小會(huì)場(chǎng)，最后卻來了將近700人。”11月13日，在2019中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)院士專家論壇上，中國工程院院士、中國礦業(yè)大學(xué)教授彭蘇萍用“非常大的熱潮”形容目前國內(nèi)氫能的火爆。
“上世紀(jì)90年代美國就提出發(fā)展氫能的概念，但一直沒有推廣起來，是什么原因? 2011年日本福島核事故后，日本對(duì)氫能也越來越重視，目前也在大力推廣。”在彭蘇萍看來，世界氫能的“風(fēng)口”之上，中國應(yīng)該真正找到自身發(fā)展氫能的優(yōu)勢(shì)。
須區(qū)分“原料氫氣”和“能源氫氣”
“現(xiàn)在主要的制氫路線有煤制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫和電解水制氫。由此可以看出，我國在發(fā)展氫能方面重要的優(yōu)勢(shì)之一就是擁有豐富的氫源基礎(chǔ)。”彭蘇萍逐一算起了賬，“我國煤炭資源保有量約1.95萬億噸，假設(shè)用10%來制氫，按照制備一千克氫氣消耗8千克煤計(jì)算，煤制氫的潛力就達(dá)到約243.8億噸;同樣，我國天然氣可采資源量是50.1萬億立方米，假設(shè)用5%來制氫，制備1千克氫氣約消耗5立方米天然氣，天然氣制氫潛力可以達(dá)到約5.01億噸。”此外，據(jù)彭蘇萍計(jì)算，利用焦炭生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大量焦?fàn)t煤氣，我國焦?fàn)t煤氣制氫潛力約為566.4萬噸/年;若利用棄風(fēng)、棄光、棄水的電量進(jìn)行電解水制氫，年產(chǎn)氫潛力也接近180萬噸。
“這樣測(cè)算下來，我國氫氣的年產(chǎn)量可以達(dá)到約2000萬噸。其中，煤制氫約占62%，天然氣制氫約占19%，工業(yè)副產(chǎn)品等制氫約占18%，水電解制氫約占1%。”彭蘇萍說。
另一方面，氫源基礎(chǔ)雖豐富多樣，但中國工程學(xué)院院士楊裕生強(qiáng)調(diào)，在用途上，必須區(qū)分“原料氫氣”和“能源氫氣”。“自然界沒有單質(zhì)氫氣可以開采，必須從含氫物質(zhì)中提取。提取氫氣的目的原本是用作化工原料，而用作能源的歷史則很短。原料氫氣和能源氫氣，雖然都是氫氣，但是原料氫氣只有在不影響其原來生產(chǎn)使用的前提下，才能拿出一小部分用作能源，其數(shù)量是十分有限的。”
“三棄”電量制氫成本高昂
資源有優(yōu)勢(shì)，又該如何充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)呢?
“為什么美國推了20多年的氫能卻推不下去，實(shí)際上主要的原因之一就是氫能太貴，制氫成本太高。”彭蘇萍指出，要想發(fā)揮在制氫層面的優(yōu)勢(shì)，在充足氫源的基礎(chǔ)上，要盡可能降低制氫成本。“目前，煤制氫的技術(shù)成熟度是最高的，成本也相對(duì)低廉。煤制氫疊加碳捕捉與封存技術(shù)(CCS)的制氫路線成本與天然氣制氫相當(dāng)。傳統(tǒng)的電解水制氫成本還是比較高的。”
對(duì)于電解水制氫，彭蘇萍特別強(qiáng)調(diào)，要充分考慮棄風(fēng)、棄光、棄水等棄電的綜合成本。“有很多觀點(diǎn)認(rèn)為‘三棄’的電量可以用來制氫，好像這些電就是不要錢的，但實(shí)際上我國在可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)建設(shè)上的投資是很大的，這個(gè)成本不容忽視。”
不僅如此，通過“三棄”制備出的氫也同樣存在消納問題。“我國‘三北’地區(qū)的棄風(fēng)、棄光電解出的氫，在‘三北’地區(qū)是消耗不了的，必須遠(yuǎn)距離輸送到燃料電池車盛行的地區(qū)，這個(gè)輸送過程中的耗能自不在話下，而且高壓純氫對(duì)管道鋼的氫脆更是一個(gè)難關(guān)。”此外，楊裕生還指出，目前我國“三北”地區(qū)的棄風(fēng)、棄光是不正常的短期現(xiàn)象，“一旦造成這種現(xiàn)象的人為和技術(shù)原因消除，也就無棄風(fēng)、棄光可用了，因?yàn)檩旊娤啾扔谳敋?，無論是設(shè)備的建設(shè)還是運(yùn)行，都要合理得多。”
而且，就電解水制氫技術(shù)而言，彭蘇萍指出，堿性水電解制氫相對(duì)成熟，固體氧化物水電解制氫和質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫等技術(shù)還處于可行性研究或示范論證階段。
低成本供氫體系建設(shè)任重道遠(yuǎn)
基于目前的技術(shù)發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)推進(jìn)情況，彭蘇萍預(yù)測(cè)，未來五年，我國的氫氣年需求量將達(dá)到約2200萬噸。而且由于成本相對(duì)較低且接近主要的消費(fèi)市場(chǎng)，工業(yè)副產(chǎn)品制氫將成為有效的制氫主體，同時(shí)，根據(jù)不同地區(qū)的具體情況，可在有條件的地區(qū)探索開展可再生能源電解水制氫的項(xiàng)目示范。
對(duì)于工業(yè)副產(chǎn)品制氫并應(yīng)用于燃料電池的路線，楊裕生表示：“原則上我完全贊成，但賬到底怎么算要商榷，因?yàn)椴皇撬懈碑a(chǎn)氫都可用于燃料電池。以焦?fàn)t煉焦行業(yè)為例，要將焦?fàn)t煤氣中的幾項(xiàng)重要雜質(zhì)降到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》的要求，不僅要解決一系列技術(shù)難題，還要消耗大量的能量。”
隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，彭蘇萍表示，到2025-2030年，我國的氫氣年需求量將上升至約3500萬噸，煤制氫配合CCS技術(shù)、可再生能源電解水制氫將成為有效制氫主體。而放眼2030-2050年的遠(yuǎn)期發(fā)展，彭蘇萍認(rèn)為，我國氫能的年需求量將達(dá)到約6000萬噸，可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體，煤制氫配合CCS技術(shù)、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)將成為有效補(bǔ)充。屆時(shí)，我國有望實(shí)現(xiàn)整體氫能供給充裕，建成低碳、低成本的供氫體系。“預(yù)計(jì)到2050年，我國氫氣使用量將達(dá)到0.6億-1億噸，占我國終端能源結(jié)構(gòu)的10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元。”
