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專訪郭烈錦院士：為什么說氫能被嚴重低估了｜新京智庫高端訪談

2021-11-11 16:11:13 新京報評論 　 作者： 新京智庫訪談員 | 肖隆平  
氫燃料電池汽車的春天來了。
 
11月2日，中共中央國務院印發的《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》明確提出，推動氫燃料電池汽車示范應用，有序推廣清潔能源汽車。
 
2020年10月，國務院辦公廳下發的《關于印發新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）的通知》則將燃料電池汽車（以加氫為主）列為我國“深化‘三縱三橫’研發布局”的一縱之一。
 
在省級層面，越來越多的地方政府也在鼓勵和支持發展氫燃料電池汽車。比如，今年10月25日，上海市發改委、市財政局等六部門聯合印發的《關于支持本市燃料電池汽車產業發展若干政策》提出：
 
到2025年底前，上海市級財政按照國家燃料電池汽車示范中央財政獎勵資金1:1比例出資，重點支持車輛示范應用、關鍵核心技術產業化、人才引進及團隊建設等。
 
隨著實現碳達峰、碳中和觀念逐漸深入人心，以氫為能源的燃料電池汽車在市場上表現搶眼。韓國市場研究機構SNEResearch10月底公布的數據顯示，2021年1月—8月，氫燃料電池汽車（FCEV）全球注冊銷量1.12萬輛，同比增長91.7%。
 
日前，在蘇格蘭格拉斯哥召開的全球氣候變化大會COP26上，如何脫碳幾乎成了最主要的議題。COP26亦將“到本世紀中葉，確保全球凈零排放，并將溫度控制在1.5℃以內”作為目標。

▲國內首次研發的大功率的清潔能源發電車，其使用的是氫能。新京報記者李木易、吳婷婷攝
 
氫能，作為一種高熱值、零污染的能源，對于促進全球經濟脫碳，特別是在工業和交通領域將發揮不可或缺的替代作用。
 
中國科學院院士、西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室主任郭烈錦告訴新京智庫：氫能將在未來發揮比當前國內輿論場所描繪的情景更為重大的作用，將大大超越當下主流觀點的認識局限。對于終端能源用戶而言，除了與電一樣都是潔凈無污染的二次能源外，氫是一種含能體能源（包含能量的物質）、具有可直接存儲的優勢，而電是一種過程性能源、不能直接存儲。在未來可持續發展的能源供給體系中，氫能將成為與電并重的一種主體二次能源。
 
在全球要實現“碳中和”目標的背景下，我們該如何正確認識氫能，如何盡快提高氫氣產量，一場新的能源革命如何走進現實？新京智庫為此專訪了郭烈錦院士。他主要從事能源動力多相流及氫能科學技術的研究，是科技部“太陽能規模制氫”兩期“973”計劃重大項目和“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”領域首批重點專項的項目首席科學家。
 
1
 
人們對氫的認識不夠深，不夠廣
 
新京智庫：你認為氫能對于實現我國的能源轉型，實現碳達峰、碳中和目標能發揮多大作用？
 
郭烈錦：我個人認為，氫能在能源轉型中將起到的作用比當前大多數人所認為的可能會更大。當前很多人對氫能的認知，主要是局限于氫燃料電池汽車方面，也就是運用到交通領域的動力能源，氫起到一個替代汽油、柴油等燃料的作用。
 
事實上，在未來實現碳中和目標的潔凈無污染可持續能源供給體系中，氫的作用除了替代傳統交通工具和移動動力的用油、氣外，還可以替代一部分工業和民生領域的傳統用能。

▲米其林氫能源賽車樣車在上海完成通關驗放（9月27日攝）。圖/新華社
 
在未來的零排放社會中，氫應該與電一起構成人類社會的主體二次能源。氫，在滿足終端用能中應該有更多的場景應用，而不是只依賴電。所以，你說氫能能發揮多大作用？只是我們目前對氫能的認識還不夠深入，全面。
 
新京智庫：這個是與我們的制氫能力有關嗎？有數據顯示，全球一年的氫氣產量才7500萬噸，還不足全球原油產量的2%。
 
郭烈錦：是。迄今，我們受限于從一次能源到二次能源的轉化技術，還有受限于我們的觀念——人類還沒有轉移到把氫作為一種能源來大規模使用，尤其是把氫作為一種主體二次能源來使用。
 
大家都知道，一次能源是指自然界直接給予人類的，如石油、天然氣、煤炭，以及太陽能、風能等。我們談能源轉型時，其實質并不是談一次能源能做多大的轉型變化，自然界中一次能源該有多少量還是多少量，我們人類無法改變。怎么利用好一次能源才是轉型的關鍵。
 
也就是說，其實我們要“轉型”的是由一次能源生產為二次能源、乃至實現終端需求過程的方式方法。迄今我們使用的由一次能源轉化為二次能源或者終端用能的技術在生產過程中都有污染物、溫室氣體等排放。其實，無論化石能源和可再生能源都可以用來發電和制氫，而當下正使用的制氫和發電都是有污染物和溫室氣體排放的方法。
 
新京智庫：為什么說電解水制氫過程也有污染？
 
郭烈錦：首先，所用的電是從哪里來的？我們的電力目前主要來自于煤炭發電，即便是太陽能發電、風電和水電等，從全生命周期來看，如發電機組的材料、元器件、設備等生產和制造過程不但耗能、而且也都存在污染物排放。而且，當下的電解水制氫，實際上不是分解的純水，而是分解的電解液，這些電解液在制備過程中不同樣耗能？都有污染物排放，只是多少的問題。
 
也就是說，我們在用一次能源轉化成二次能源的過程中，人類應該選擇更好的方式方法，要發展和使用沒有污染物和溫室氣體（如二氧化碳、甲烷等）排放的技術。從這個角度來說，關于碳達峰、碳中和對于降低全球溫室效應而言，這個“碳”字用得并不準確。
 
2
 
“煤制氫”實質并不是用煤來制氫
 
新京智庫：也就是說，不管用什么方式制氫都會有排放？我們現在所能做的就是如何更有效地減少排放？
 
郭烈錦：是這樣的，用傳統的方法都會有排放，但變革性的方法可以做到沒有排放。通常俗稱的煤制氫其實不是用煤來制氫，其主體還是用水來制氫，煤的作用其實只是用其熱能去驅動水汽變換反應實現分解水制氫。當前已工業化使用的煤制氫、煤制油技術其實都要消耗大量的水，所以這個名字也誤導了公眾。
 
新京智庫：有數據顯示，制1噸氫要耗12噸水。真實的情況是什么樣？
 
郭烈錦：理論上，生產一噸氫氣消耗多少水從反應方程式很容易算出。但現實中，制氫過程中所耗的水比這個數高得多，有很多水在過程中被浪費了。因為當前煤制氫的工藝太復雜，除了生成氫氣所用的那部分做原料的水外，大量干凈的水是被主反應以外的輔助工藝過程消耗掉或變成污染的水了，而且還增加能耗。
 
新京智庫：為什么用煤發電或者煤制氫就一定會排放污染物？
 
郭烈錦：并不是用煤發電和制氫就一定會排放污染物，而是目前人類大規模采用的燃煤發電和常規煤制氫方法一定會排放污染物。因為雖然煤炭（以及石油、天然氣）主要是碳氫化合物，但煤炭中還有灰分如鈣、鎂、鋁硅等各種金屬或無機元素的氧化物、鹽類化合物成分。這種不純的物質放到鍋爐或汽化爐爐膛內去燃燒或部分氧化氣化，空氣的成分不純，其所含硫、氮等燃燒后就成了污染物——從煙囪排放的是氣體污染物，濕法脫硫、脫硝等還會排放液體污染物，還有固態爐渣。
 
新京智庫：所以我們不能選擇煤制氫？
 
郭烈錦：不是不能選擇煤制氫，而是不能用傳統或常規的方法去煤制氫。要實現清潔無污染可持續發展，需要盡量用更少的水，同時讓能量轉化效率盡可能地高，盡量不要有污染物排放，即便做不到零排放也要盡量少排放。
 
新京智庫：那有什么技術能避免這個過程的污染排放嗎？
 
郭烈錦：有。比如“水蒸煤技術”，其全稱叫“煤炭超臨界水氣化制氫發電多聯產技術”（編者注：該技術于2018年2月在西安作為示范項目正式啟動），它可以讓制氫、發電、供熱和產高純二氧化碳的多聯產一體化一次完成。這是我們實驗室1997年以來啟動的一項研究的成果，當時就想怎么革傳統鍋爐的“命”，從而使得煤炭可以更干凈、高效的轉化生產出電和氫。
 
我們發現：利用水在超臨界狀態（溫度和壓力達到或超過臨界點374.30Ｃ/22.1MPa）下一系列獨特的物理化學性質，可以實現煤的完全無污染、無二氧化碳排放的潔凈、高效轉化利用。而且，還可以最大程度地節約用水，對發電而言它不耗水。
 
3
 
解水制氫最大挑戰是成本太高
 
新京智庫：所以將來制氫還是需要探索出一些其他的方法。比如海上制氫，因為海上既有水，也有風能、太陽能。海上制氫是不是獲取氫氣的最佳選擇？

▲風力發電。圖/新京報資料圖
 
郭烈錦：氫主要是從水里來，所以也可以從海水中來。太陽能直接分解海水制氫，我們也一直在研究，已經做了一二十年。未來，如果成本、大規模化都不成問題了，能滿足商業化需求時，當然也就能成為主要的技術選擇之一。
 
其實，分解水制氫，不管是用電解、熱解還是光解，都是輸入能量用以將水分子的氫氧結合鍵打斷，生成氫氣和氧氣。所以海上電解水制氫，如果有現成的光伏或風力發電裝機，不妨鼓勵加裝電解水制氫裝置，將這部分電能轉化成氫能的形式存儲起來。但如果需要新建機組，則有多種技術路線可以選擇，要做全面的技術經濟性分析。比如用太陽能，用太陽光直接分解水制氫也是一條途徑，它比先發電再電解海水制氫少一個過程。多一個過程就多一個耗能的環節，投資和成本也會增大。
 
目前，電解水制氫的效率在實驗室做得最高的大約80%，商業光伏發電的效率也就20%左右，如果是光伏發電再來電解水制氫，效率就更低了。
 
新京智庫：所以，這也是為什么現在電解水制氫量很低的緣故？
 
郭烈錦：是的。目前還是投資和成本太高，承受不了。
 
新京智庫：那可再生能源電（光）解水制氫與“煤制氫”的成本相差到底有多大？
 
郭烈錦：簡單報個數據你就知道了，如果是電解水制氫，制一標立方的氫氣大約消耗4度電，技術不好耗到約5度電。這成本就要看用在哪里，什么季節發的電。如果是在廣東、江浙一帶，一度電1-2元，就根本劃不來。傳統已成熟的煤制氫，一標立方的氫成本大約是七八毛錢，即便高時也在一元錢以內（折算為電是1度左右）。
 
但在有的地方，比如三北地區（指東北、華北北部和西北）風、光、水力發電的電都發出來了卻用不完，自然應該鼓勵加裝電解水制氫裝置，當然前提是當地也得有水，沒水也不行。
 
新京智庫：但那些地方正好缺水。
 
郭烈錦：對，自然環境也對于發展制氫和氫能產業有很大的制約。所以要根據自然資源環境條件來選擇技術路線，不要硬性推廣什么電解水制氫。
 
新京智庫：你認為我國什么時候能夠實現氫占主導的局面？
 
郭烈錦：我當然希望越快越好，但是事實上受到很多因素的影響，比如對氫能的全面準確認識、如何看待對傳統產業可能造成的挑戰等等。
 
新京智庫：這個局面好像也不只是中國這樣吧？
 
郭烈錦：不完全這樣，比如日本、韓國，本來就是能源短缺國家，能源主要靠進口，與其買燃燒有污染的化石燃料，不如買無污染的清潔氫能，因此全社會往氫能轉型的積極性就很高，發展動力大，現在的技術儲備也非常好。這也是為什么日本、韓國都把重點放在氫燃料電池汽車及家用燃料電池技術攻關和產業化及其推廣上了（編者注：有研究論文顯示，日本在氫能和燃料電池領域擁有的優先權專利占全球的50%以上，并在多個關鍵技術方面處于絕對領先地位）。日本人在30年前就開始研發太陽能直接制氫，電解水制氫技術也有，但并沒有作為最主要的技術。日本的能源發展規劃中也從過去的買煤炭、石油、天然氣等向直接購買氫能轉變。
 
4
 
氫燃料電池汽車成本會降下來
 
新京智庫：我國氫氣主要應用于工業（尤其化工）、交通、建筑和電力等主要領域，你認為在哪個領域用氫氣替換現有的能源將實現更大的碳減排效應？
 
郭烈錦：迄今為止，我國還停留在只是把氫作為原料，而非能源來用。所以要說目前氫能在碳減排上有什么效益，現在是還沒效益。只有把氫作為能源來用，去替代交通工具、移動動力上所消耗的化石燃料，去替代傳統電力、化工、冶金、材料和建筑等規模工業和民生產業中所使用的化石能源，才能產生有真正價值和規模的碳減排效應。

：原因還是成本太高。比如目前的電動汽車，盡管存在這樣那樣的問題，但由于實現大規模生產后，目前其成本比氫燃料電池汽車還低，所以市場接受度還是更高。但隨著氫燃料電池技術的進步，大規模生產的實現，成本肯定會大幅度降下來。
 
▲這是我國自主研發的首臺氫燃料混合動力機車。新華社記者曹陽攝
 
這個成本包括生產制造氫燃料電池汽車本身的成本和制氫的成本。還有一個受限因素是，氫作為能源的基礎設施還沒有建起來。這個問題應該很快將得到解決，國家正在大力推動建設氫能及燃料電池產業示范城市群（編者注：2020年9月，財政部、工信部等五部委下發《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》明確，對符合條件的城市群開展燃料電池汽車關鍵核心技術產業化攻關和示范應用給予獎勵，形成布局合理、各有側重、協同推進的燃料電池汽車發展新模式。此后，京津冀、長三角等多省市宣布成為該項目示范城市。）
 
新京智庫：今年國內外的氫燃料電池汽車市場表現都不錯，前8個月全球銷量超過去年全年。這是不是個好現象？
 
郭烈錦：當然是好現象，以后年年都會有增長，我相信，“未來人類用能模式一定是由氫和電作為同等重要的二次能源主體來構成”。這是人類未來發展的基本前景。這個不用懷疑，只是時間早晚的問題。
 
新京智庫：但是國內氫燃料電池汽車還是有很多短板。你最想對我國的燃料電池汽車產業發展說點什么？
 
郭烈錦：其實，一二十年前我們國家就有發展氫能及燃料電池汽車等技術的機會，但錯過了。目前我們國家在氫能和燃料電池的產業鏈技術上，尤其是核心技術上，與先進國家相比確實還有很大差距，比如燃料電池汽車的八大核心關鍵技術、氫泵及壓縮機、加氫噴槍、高壓閥門、涉氫材料和器件及其加工工藝和技術等，都需要加快布局攻關。因此需要實事求是地，從實用出發，從最基礎最基本的問題著手，切實努力攻關，把失去的時間趕回來。
 
令人欣慰的是，從2017年后起，從國家到地方各種相關政策陸續出臺，現在產業已經有驅動向氫能轉型的勢頭，市場已經慢慢熱起來了。有很多企業也有了主動投資介入氫能產業鏈的積極性。

新京智庫訪談員|肖隆平
 
編輯|張笑緣
 
校對|陳荻雁




責任編輯： 韓昇宏