氢能提出100多年，为什么不能作为燃料大规模使用？
撰文 / 周 洲
编辑 / 涂彦平
设计 / 赵昊然
“氢能提出了100多年，为什么不能作为燃料大规模使用？”8月9日，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、加拿大工程研究院院士、国鸿首席科学家张久俊在2022鄂尔多斯零碳产业峰会上演讲时称，这是因为氢气因燃点范围宽，在室温压力下不能变成液体，对氢制备、储存、运输技术造成挑战，所以价格相对较高。
目前，全球加氢站大约有400座，日本有100座，中国约两三百座。全球加氢站预计到2032年达到5000座，尚不能达到完全规模化。
“建立一个加氢站大约需要1000万-2000万元，只能加200-300公斤的氢气。”张久俊说，燃料电池用的氢纯度很高，氢纯度需要达到99.999%。
“氢燃料的价格大约是每公斤60元，”张久俊说，它要降到35元，才能和汽油相媲美。目前，燃料电池率先在重卡上使用，就是因为重卡对氢气的依赖度比较小。
战略和应用
氢能发展战略是“碳中和”战略中的重要组成部分。
今年3月23日，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。规划明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。
张九俊认为，根据规划，氢能发展战略大致可以分为四个阶段目标：第一阶段目标是，可再生能源制氢量达到10万-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100万-200万吨/年；第二阶段是到2025年基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站；第三阶段是到2030年，形成较为完整的氢能产业技术创新体系；2035年形成氢能多元应用生态，可再生能源在终端消耗中的比例明显提升。
氢能源清洁无污染，来源广阔，太阳能、风能等可再生能源发电之后，电解水可以制氢。此外，燃烧中的氢气的能量密度是最高的。
张久俊说，氢气的能量密度大约是140.4兆焦耳/公斤，比汽油高三倍。高能量密度正是氢气实现新能源技术产业化的重要基础，也是氢燃料电池预计实现后来者居上的基础。
氢能利用包括制氢、储氢、用氢三个主要环节。在应用端，氢能主要应用在化工燃料、燃料电池和微电网三个场景上。
“现在，氢气有60%用于合成氨化肥上，38%用于炼油和煤的深度加工，只有非常小的一部分用于燃料电池。”张久俊说，未来，氢燃料电池汽车将成为最大的一个应用场景。
预计到2030年，全球的氢燃料电池乘用车将达到1000万-1500万辆。张久俊觉得这个估计还有点保守，以中国的氢能发展趋势，到2030年会远远超出这个数字。
制氢和转换
目前，制氢主要来自燃烧化石燃料，主要是燃烧天然气制氢。
“只有4%来自电解水制氢，价格昂贵，是化石能源制氢的两倍多。”从事水制氢研究的张久俊说，“化石燃料制氢现在还可以用，未来我相信不会用这个方法，因为国家已经明确规定不能用化石燃料来制氢。”
根据中国氢能发展规划，到2030年氢产量每年达500万吨，到2060年每年达到1亿吨，电解水制氢占比达到80%。
“现在电解水制氢在学术界是热点。”张久俊说，催化剂的发展有很多高水平的论文。
未来，中长期制氢还将加入太阳能制氢。“利用太阳能聚集到某一个点上，达到2500度的时候加上催化剂，水在上面一泼，就可以产生氢气。”张久俊称。
制氢之后，在动力行业，如何将氢转换成动能和电能？
张久俊认为主要有两种方式，一个是氢内燃机方式，也即类比传统动力系统内燃气烧油，可以用内燃机烧氢气。
“这种方式有它的问题，燃烧会产生一氧化氮。”张九俊说，受卡诺循环(Carnot cycle) 的限制，这种方式的能量转换效率只达到30%-40%，对内燃机系统也会造成损坏。
另一个转换方式，就是氢燃料电池产生电能来驱动汽车。
张九俊认为氢燃料电池驱动汽车的能量效率高，转换效率能达60%-80%，污染小、噪声低，装置可大可小，应用灵活。
储存和安全
氢气目前储存有三种方式，一种是高压气体储存，一种是液态储存，一种是固态储存。
现在用
日本的氢燃料电池汽车一般会使用三层结构的储气罐，三层分别是内胆，加上一层不锈钢或者合金铝，外面是碳纤维缠绕。
“这种储气罐可以盛700个大气压的氢气，大约是5公斤氢气。”张九俊分析道，这种规模的储氢罐可以维持500-700公里的续航里程。
加氢站是把液态氢气或者高压氢气经过变温变压，给汽车充氢气。
“汽车加氢只需要3-5分钟，非常快，这就比锂电池电动车有很大的优势。”张久俊说。而加氢站的普及，则成为燃料电池发展的一个障碍。因为它太贵了。
“建立一个加氢站大约需要1000万-2000万元，只能加200-300公斤的氢气。”张久俊说，燃料电池用的氢纯度很高，氢纯度需要达到99.999%。
“氢燃料的价格大约是每公斤60元。”张久俊说，它要降到35元，才能和汽油相媲美。
为了推广加氢站建设，地方政府纷纷豪掷补贴。重庆市给予加氢站每站最高300万元的运营补贴，温州市和宁波市均给予500万元，濮阳市给予1000万元，武汉市则给出了2000万元的顶格补贴，几乎等于政府掏腰包建加氢站。
而在氢燃料电池的安全问题上，张久俊认为人们普遍存在误解。
氢气的燃点范围宽，在17—70摄氏度范围内，碰着火星就爆炸，这是利用氢气的主要安全挑战。
“但是氢气即使爆炸，也是缩小体积的爆炸，大约是石油爆炸的1/22。并且氢气的密度很低，一旦爆炸会在空中快速散开，燃烧速度非常快。它比爆炸的汽油要安全。”张久俊解释道。
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