WNEVC 2022 | 华北电力大学教授刘建国:氢能化交通能源供给技术体系

来源:中国汽车工程学会

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,华北电力大学教授刘建国发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

尊敬的两位院士、各位领导以及专家和同行大家上午好!我的报告是关于氢能化的题目。

关于氢能化,背景是因为在道路交通的二氧化碳排放占比中,商用车方面占比比较高。我们希望用电动化跟氢能化解决二氧化碳的排放问题。

交通领域碳减排是实现国家十四五国家综合立体交通网纲要目标非常重要的一部分。如果我们能够电气化的地方就要电气化,不能电气化的地方就要氢能化,也就是从我们现在化石能源占比80%,实现可再生能源占比80%这样的一个转变过程中,氢能可以发挥重要作用。

左边这个图可以看到,氢能最终在二氧化碳减排方面可以做到10%的贡献。在集中应用方面,氢能是更有优势的。其中竞争激烈的地方,有可能是电气化,也可能是氢能化。比如说轮船、轨道交通,甚至中重卡,还是存在一些竞争的。

但是在工业冶金方面还是氢能化为主替代使用的概念。进一步来讲,在交通领域,也是从距离来区分,目前在飞机、或者更大的一些地方,电气跟氢能都有一定的困难,但是中型这个层面更加偏向于用氢能加燃料电池。尤其氢的衍生物,氨作为一个能源载体,也是大家认为非常重要的解决方案。

整个现状在线大概6000多辆,组装1万辆,轨道交通方面国内有两个示范线路,大家希望能用在轮船跟飞机领域。

当然所有的领域应用中都存在着供氢,如何低成本大批量安全供氢气是解决交通领域非常重要的一块。同时燃料电池低成本,也是整个交通领域现在氢能化的一个问题。

首先介绍一下关于电解制氢方面的一些认识和理解。

这是关于两个场景的设计,如果说我们没有碳中和的目标,对氢气的需求相对来说是比较少的,但是如果说我们要按照2050年做到碳中和1.5度场景下,交通用氢占20%,未来5亿吨氢气供应,大概1亿吨用于交通。

氢能结构目前来看大部分还是来自于化石能源。我们要逐渐过渡到可再生能源制氢的过程。同时我们国家的氢气用量也大概有将近5倍的增长需求。到2060年氢气更多的是用于工业,但是交通领域占比仍然不小,在这个过程中,我们要实现氢气供应的绿色化。

统计一下过去两年,我们在建和已建的制氢项目,看到有几个比较重要的特点,第一,华北和西北地区比较多,同时,有可能今年年底首个光伏绿氢布设项目2万吨能够上线,这个如果说能够真正实际运行,对于绿色制氢是一个极大的推动。因为之前,在宝丰最大150兆瓦是制甲醇,在波动制氢方面是有一个突破的。

制氢方面大家还是希望电解技术能够跟可采用能源特性结合在一起。比如用燃料电池做,它的特点就是能够快速起停。但是现在处于一个产业化初级阶段。所以库车项目用的还是碱性水电解的过程。

国内国外区分来看,碳水电解只要插上电通上水就能制成氢气,碱性有配氢氧化钾,运的过程中有调解幅度和速率的限制。国内目前碱性比较多。随着技术进步,碳的占比应该是不断的提高。碱水电解用到的PPS,小电流操作氢气还是会进入氧气,造成比较大的威胁。同时它的电流密度比较低,目前在运行大部分都是2500左右的每平方米的电流密度。想进一步提高,需要电极上也要用到贵金属。

碳可以做到电流比较大,到2030年碳制氢可以达到35千瓦。我们一方面要降低单位平方厘米的用量,同时也要提高电流密度。最近做的工作可以看到,碳水电解可以做到5安培,达到2伏,1平方厘米可以做到10瓦。

科技部氢能重点专项:我们工作进展了半年,首先做了一些统计,左边的图可以看到,寿命衰减在前期是非常快的,后期是比较慢的。对比其中波动性和稳态操作的时候对它的衰减,对应波动状态下的衰减,很多时候波动性并没有造成特别大的衰减,这个主要是波动性工况不太一样。最近我们也在不断的模拟三维地区波动工况更为严重的情况。

同时,我们也借助人工智能的手段辅助材料筛选,提高材料本身耐波动的情况。

还有一个情况是供氢,加氢站,现在有比较多的加氢站,都是由气态氢气供应,外部供应比较多。这个还是有一定的挑战性,也就是说,国内跟国外相比,我们加注的压力和存储容量还是有一定限制,如果发展重卡加注是超过日本乘用车的加氢站的。所以我们要建立更大量更灵活的氢气站。国内做了一些探索,进展不是很大,很多时候跟法规相冲突。

最近广东出台示范城市群计划里,从原来鼓励或者说鼓励探索现在变成了允许站内制氢这是非常大的突破。这对于解决加氢站的灵活性,和加氢站容量储运成本是非常好的方向。

再回到最后就是关于燃料电池技术这块,最大的一个问题还是成本的问题。在过去冬奥会这么大的一个示范,证明了可持续性。无论氢气来自于绿氢还是来自于石化负载氢,运转的都是非常不错的。

示范城市群结果表明,尽管受疫情影响整体进展还是不错的。从政策来看,主要还是瞄准中重卡,大功率50千瓦起步。

举一个例子来讲如果说用一个中卡,通过国补地补拿到100万补贴跟燃油车还是可以竞争的。

我们看到大家都奔着1.8倍补贴去的,而且技术从石波板向金属板进步。国内尽管有一到两家使用,但是钛石钢还是主要的材料。燃料电池商业化已经进展到材料阶段,材料最重要的就是质子膜,这块有一家做的不错,但是催化剂这块无论载量还是动力上还是有差距。我们以前做2纳米以下是没有定型,没有深入效果,退化及ECSA为119M2/Gpt,MA为485。

结论:整个氢供应的矛盾第一个就是制氢成本与碳排放。我们现在的价格是可以做到比较低的氢的价格,但是碳排放比较高。如果用绿电制取成本也是比较高,但是碳排放可以降下来。

所以解决这个,就是碳怎么把电解槽价格降下来,碳电解槽成本可以看到,电解槽跟BOP价格几乎是1:1。电解槽内部主要就是它的催化剂的膜这块成本比较高。所以这块在过去,后面的两、三年,如何降低载量降低成本非常重要。宝丰可以做到150兆瓦电解工厂,包括库车可以做的更大,这时候后续尾气处理热交换方面可以把成本降下来。

同时更为重要的是,技术不断进步,提高催化剂的使用量,或者碱性里提高单槽的产量。

关于制氢成本,最终还是取决于绿电成本。电解槽在里面可以做到便宜到最后只剩下5度电的成本,但是5度电成本降不下来,我们还很难达到化石能源制氢的标准,所以有一个乐观估计,2025年左右,如果不乐观很难达到化石能源制氢的情况。

未来一个展望:氢氨融合。右边的图大家可以看到氨全世界产量是1.8亿吨左右。一个优化的场景,可能要提高到5亿吨以上,非常重要的就是用于船舶的动力。用氨再回到氢不太划算,所以对氨做氢的载体量可以看到设计的比较少。

如果说氨这个情况确实有可能的话,全球能源贸易会发生一些变化,澳大利亚供给中日韩以及印度更大程度是靠氨来解决的,北非和中东供给清洁的氢气可以通过管线和国际航运做到氨气供应。燃料电池最后就是成本竞争,这个点很多人估计是2030年,我们做的更加努力是到2025年可以实现这个过程。这个过程既有车辆成本降低也有氢气成本的降低。

总之,需要交通跟工业储能多个领域共同发展,不太可能把氢气成本降下来。氢气成本降下来就有助于交通的脱碳。

最后也做一个广告,我们华北电力大学今年获批了氢能专业,也是对氢能行业做的一个非常重要的努力。我们也成立了氢能教研室,今年开始招生,如果大家想了解这方面更多的消息,以后有机会再给大家介绍。再次感谢大家,谢谢!

 

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)