中国工程院院士陈学东:几十年之内氢能源尚不能全面取代化石能源

2021年03月28日 12:11  

本文4883字,约7分钟

“氢能源有很多的用途,燃料电池汽车只是其中一种利用方式。从目前的发展情况看,几十年之内氢能源要想完全取代化石能源是很难的事情,预计到2050年氢能在我国能源消费体系的占比最多达到15%。如果具体到氢燃料电池汽车领域,我们目前还有不少关键技术需要突破,今后的产业发展还需谨慎,确保关键核心技术安全自主可控是最重要的”。3月27日,中国工程院院士陈学东在“2021中国实体经济论坛——产业链供应链现代化与制造业高质量发展”上表示。

中国工程院院士陈学东

针对各地当前发展氢能及燃料电池汽车的热情高涨,陈学东院士提醒道,燃料电池汽车产业发展切不可蜂拥而上。以我国3D打印、机器人产业发展为例,虽然做了很多工作,但是对于企业来说实际得利却未达到预期,因此还得慎重考虑市场需求与技术成熟度,做好统筹谋划。

他指出,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。例如在车载储氢气瓶方面,目前国外广泛采用塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(即Ⅳ型瓶),储氢效率高。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。

与此同时,他还表示,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。

以下为发言实录:

陈学东:谢谢主持人介绍,尊敬的李主席,各位嘉宾,各位来宾,大家下午好!我的报告与氢能源装备相关,相对比较微观,我将尽可能讲得通俗一些。

我的报告题目是“我国重要氢能储运装备技术进展”,主要包括三个部分。第一部分是国家行业需求。去年总书记向全世界庄严承诺30、60碳达峰碳中和的宏伟目标以来,发展氢能源这件事情更显得非常重要。大家都知道,人类社会能源利用的总体趋势就是一个“去碳加氢”的过程:最早是烧煤、烧柴;后来我们用石油,石油主要是碳氢化合物,碳含量很高;然后是天然气,从分子式上看一个碳四个氢;将来我们利用氢,将不再含碳。氢能已经成为全世界努力发展的方向,日本、美国都制定了在2040年普遍利用氢能的方案,我国在2016年也发布了《能源技术革命创新行动计划》,提出到2050年要实现氢能和燃料电池普及应用。实际上,到2050年氢能源也不可能完全代替其他化石能源,发达国家大概能用到20%就很不错了,我们国家大概用到10%左右。

在这些政策支持下,日本、美国等纷纷开发氢燃料电池汽车,利用氢气作为燃料来驱动车辆。韩国现代、日本丰田、本田、德国奔驰等车企都做了很多工作,欧洲和日本建设了很多加氢站。我们国家这几年全国各地也掀起了一股氢能源的热潮,主要应用场景是新能源汽车,在长三角、珠三角和京津冀一带形成了很多产业集群,广东以佛山为代表。

但是我个人认为,氢能源实际上有很多的用途,燃料电池汽车只是其中一种利用方式。发展燃料电池汽车产业切不可蜂拥而上。从目前的发展情况看,几十年之内氢能源要想完全取代化石能源是很难的事情。从我国3D打印、机器人等产业以往的发展经验教训来看,虽然做了很多工作,但是对于企业来说实际得利却未达到预期。因此,发展燃料电池汽车产业还得慎重考虑市场需求与技术成熟度,做好统筹谋划。事实上,国外也开展了其他氢动力装备方面的高端应用研究,比如说液氢驱动飞机发动机,准备把液氢用在飞机上。总的来说,在氢能利用领域,我们国内也需要考虑有所为、有所不为。

去年中央办公厅发布了“新能源汽车产业发展规划”,提出以纯电动汽车、插电混动汽车、燃料电池汽车为三纵,布局整车技术创新链。我觉得国家很重要的一个安排是,把研究的重点放在氢能源的基础设施体系建设上,包括开展高压气态、深冷液态、深冷超临界态及固态等多种形式储运技术示范应用,探索建设氢燃料运输管道。

我今天的报告主要围绕氢燃料电池汽车产业链展开。氢能产业链包括氢的制取、储存、运输、加注、终端利用等环节。对于制氢环节,目前国内的发展技术路线是清晰的,相关技术和装备研究工作在以往石化等领域已经开展过一些;至于电解水制氢路线,因为氢本身是二次能源,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。所以我今天主要把这个问题跟大家汇报一下。

首先介绍几个基本概念。氢能源汽车利用燃料电池发电,其关键装备除了燃料电池堆之外,主要是高压储氢瓶及瓶口组合阀、空气压缩机、氢气循环泵等。对于加氢站来说,关键装备主要是高压氢压机、储氢容器、加氢设备等。这些氢能储存、输送、加注环节的通用机械装备是我们主要关注的研究对象。这里面,储氢气瓶一般有四种型式:Ⅰ型瓶是全钢制,主要缺点是重,用于车载不太合适,放在加氢站作为固定式储氢是可以的;Ⅱ型瓶和Ⅲ型瓶是金属内胆碳纤维缠绕,也相对较重,但比Ⅰ型瓶要轻;Ⅳ型瓶是塑料内胆碳纤维全缠绕,质量最轻,适合于车载,是国外的主流技术路线。事实上,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,至今仍被禁止使用。所以到目前来说,Ⅳ型储氢瓶依然是一个“卡脖子”问题。

目前氢能储运方式包括常温高压气态氢、深冷常压液态氢、深冷高压超临界氢、带压固态储氢等。无论何种方式, 如控制不好,氢在密闭空间都会引发爆炸事故。近年来全世界发生了一些氢能装备相关的爆炸事故,中国也有。2019年我国某企业制造的加氢站储氢容器水压试验期间发展开裂爆炸。同样的储氢装备在广东省大概有60台仍然在使用,所以当时广东有关方面也是很紧张,宣布限制这些装备的使用。后来我们调查,事故原因主要是由于设备在加工过程存在质量问题,跟在役使用没有关系,才虚惊一场。

氢能装备使用过程中,首先碰到的一个问题就是,服役期间设备会发生什么样的变化。金属材料在临氢环境下长期使用会发生氢脆现象,这是大家都认可的规律。石油化工里面加氢反应器在20MPa、484℃临氢环境下长期使用会发生高温氢腐蚀、氢脆、回火脆等等,为此我们做了很多设计制造与使用维护方面的研究工作加以预防控制。

对于常温高压储氢设备来说,已有试验表明200℃以下温度、35MPa以下压力的氢环境不易导致金属材料氢脆。假如到了35MPa以上会不会有这些问题,目前还在研究。但是考虑到即使美国等发达国家在应用氢能装备过程也都发生了安全事故,这个方面依然是很令人关注的事项。

液氢储运装备一般采用水瓶胆结构,主要问题是低温脆性断裂和绝热失效。

常温高压气态储氢是目前的主流技术路线,包括几种型式。对于加氢站固定式储存来说,应该说不存在重量问题。当采用钢制储氢瓶组时,国内目前能最高做到45MPa;当采用扁平钢带错绕容器时,浙江大学最高做到98MPa、1m3;当采用单层钢制容器时,合肥通用院最高做到140MPa。

在加氢站高压气态氢加注环节,国外现在有金属隔膜式、液驱增压泵式、离子液体式三种型式的氢气压缩机。国内目前能做到45MPa,产品性能与国外有较大差异;90MPa压缩机设计制造技术国内尚未掌握,但已启动国产化攻关工作。

在高压氢气公路运输环节,主要采用管束集装箱或长管拖车,这方面我国与国外差距很大。国外采用大容量Ⅳ型管束瓶,储氢密度比较高、最高到5.1wt%。我们国家尚没有开发出大容量Ⅳ型管束瓶,只能用Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶,储氢密度最高只有2.3wt%左右,最大储氢量只有0.6吨,难以满足低成本、高效输配需求。

在管道输氢方面,美国、欧盟等研究表明,在天然气输送管道里面掺氢15~20%对设备风险没有显著影响。天然气掺氢输送对于碳中和碳达峰是有好处的。天然气伴输氢是不能直接用在氢能源汽车上的,需要进一步分离提纯;天然气伴输氢直接用于其他场合燃烧利用的话,对于降低碳排放是有好处的。

在车载高压储氢方面,国外已经研制出70MPa以上Ⅳ型瓶及瓶口组合阀。国内主要以35MPa Ⅲ型瓶为主,近期开发出70MPa Ⅲ型瓶,70MPa以上Ⅳ型瓶设计制造技术尚未完全掌握;国内已开发出35MPa瓶口组合阀,但产品可靠性相比国外仍有差距,目前70MPa瓶口组合阀仍依赖进口。

另外,像飞机试航一样的,所有氢能储运装备如果想上车使用的话一定要通过性能评价考核试验。性能评价考核试验是非常严格的一系列试验,其中难度最大的一项是氢气循环疲劳测试,即采用氢气循环试验来测试温度、压力波动下装备的安全性。这个试验过去只有在加拿大、日本、欧洲可以做。合肥通用院2019年已经建成氢气循环疲劳测试系统,最高试验压力达到140MPa。自此,中国的气瓶就不用在国外进行试验了,国内自己可以试验。同时,我们国内的试验装置也承担了日本丰田、德国莱茵等国外测试任务。这部分工作也得到国家市场监管总局的大力支持。

在车用燃料电池空压机方面,国外研究的比较多,中国现在也能做,主要差距是在噪声控制等方面。这个车用空压机如果噪声很大,那么人的舒适性不是很好。

在氢气再循环泵方面,这个泵现在国内还不能自主设计制造,完全依赖于进口。

在深冷液氢储运装备方面,应该说固定式深冷储罐这块问题不是太大,以往应用场景主要是航空航天领域。美国NASA目前可以做到最大3500立方米,中国做到了300立方米,事实上如果国内研发更大容积的液氢储罐也是可以办到的,我觉得属于短板问题。在公路或铁路运输槽车方面,俄罗斯等已研发出100立方米液氢铁路槽车,国内目前做到40立方米规格;如有需求,做到更大容积也是可以的。

在液氢加注方面,主要是两种特殊的泵,目前国内都不能自主设计制造。一种泵是压力比较低、流量比较大,用于将液氢装入储罐;还有一种是压力比较高、流量比较小,用于将液氢加注到车载容器。这两种泵如采用浸入液氢介质的方案,难度在于电机。事实上,目前国内在潜液式液化天然气(LNG)输送泵方面也存在同样的痛点问题。

在深冷+常压储氢方面,德国林德等研制110~150L液氢瓶,用于乘用车;国内也在正在研制重卡用500L液氢气瓶;在深冷+高压超临界储氢方面,国外已经开发出了第三代产品,是一种先进的储氢技术方案,具有很好的应用前景。

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。

最后我想讲,预计到2050年氢能在我国能源消费体系的占比最多达到15%;具体到氢燃料电池汽车领域,我们目前还有不少关键技术需要突破,今后的产业发展还需谨慎,确保关键核心技术安全自主可控是最重要的。为此,我建议国内院所、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。

谢谢大家!

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