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干勇，冶金材料專家，中國工程院院士，中國工程院原副院長、國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任、中國金屬學會名譽理事長、中國科協(xié)先進材料學會聯(lián)合體主席。長期從事鋼鐵冶金領(lǐng)域連鑄工程與新技術(shù)基礎(chǔ)理論、技術(shù)集成研究和近終形、高效連鑄等方面的工程研究和技術(shù)推廣工作。首次提出了亞快速凝固的CET自由晶粒的半定量計算公式；成功研制了國內(nèi)首臺半工業(yè)化和工業(yè)試驗薄板坯連鑄機組；主持了高效連鑄關(guān)鍵裝備及系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)，形成具有自主產(chǎn)權(quán)的高效連鑄軟硬件配套工程技術(shù)，推廣了以獨特的連續(xù)錐度結(jié)晶器、板簧導向振動、連續(xù)矯直為核心的方坯高效連鑄技術(shù)。

 

隨著全球環(huán)境污染和溫室效應的加劇，以原子能、風能、水能、太陽能、氫能等為主的綠色能源逐漸進入人們的視野。其中，氫是宇宙中最常見的元素，可以通過化石能源或電解水制取，是可再生能源。氫氣是密度最小的氣體，無毒、清潔、燃值高、能量密度大，并且極易燃燒，液態(tài)氫可以做火箭燃料。氫能是低碳，甚至零碳排放，是人類未來最理想的清潔能源之一。2019年《政府工作報告》提出要“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，這是氫作為能源首次寫入我國《政府工作報告》，對氫能在國內(nèi)的推廣和應用具有里程碑式的意義。我國擁有龐大的制氫產(chǎn)能和應用需求，發(fā)展氫能將對我國的能源安全和環(huán)境保護產(chǎn)生哪些深遠的影響？未來“氫能社會”是怎樣的一幅全新景象？氫能將如何改變我們的生活？

 

氫燃料電池有哪些應用場景

 

能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化有兩條路徑：一是不可再生的化石能源被可再生的綠色能源替代；二是高碳向低碳過程的過渡。目前氫能的利用，特別是在汽車燃料電池上實現(xiàn)了應用的突破。氫燃料電池是一個移動式的發(fā)電機，沒有熱循環(huán)，它就可以把效率提到90%，發(fā)電效率非常高。氫怎么變成電？氫的發(fā)電機理不需要借助熱循環(huán)，而是氫在含鉑的催化劑下放出兩個電子，形成電流。

 

國際氫能源委員會認為，21世紀人類要進入氫時代，預測2050年全球氫能源需求將增至目前的10倍，同時2050年全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值將超過2.5萬億美元。氫能的使用，既可以每年減少幾十億噸二氧化碳的排放，又可以形成巨大的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，提供幾千萬人的就業(yè)崗位。

 

氫除了在汽車上應用以外，還可以應用在深海潛水、無人機、高速列車等設(shè)備上，只要是移動器件需要動力的地方，氫燃料電池都可以應用。5G時代所有基站的能源體系、供電系統(tǒng)也可以用氫。在生活中分布式發(fā)電方面，實際上每家每戶都可以放一個氫燃料電池的發(fā)電小裝置，用來制冷制熱、發(fā)電供電，幾乎所有的家用電器都可以利用它。另外，一個氫氣管道進入家庭就可以供給所有需要的能源，非常高效便捷。

 

氫能源做的燃料電池與鋰動力電池相比較，鋰動力電池在重載航空航天或者是大型移動器件上作為主動力電源，它的續(xù)航里程不夠，能量密度也沒有氫燃料電池高。所以，像航空航天大功率的這種運輸工具，使用氫燃料電池是非常適合的。

 

氫能安全嗎

 

氫能既然有這么多優(yōu)點，那么使用氫存在危險嗎？任何燃料總是有一定的危險性，氫能作為燃料也不例外，但氫燃燒起來以后沒毒，不像有毒的氣體會把人熏倒。在燃料的爆炸性方面，氫的擴散速度是汽油的12倍，燃燒后會很快擴散開，可能一下子一股火躥上去，但是它不會引起其他更加嚴重的后果。我們做了一個測試，在汽油和氫燃料汽車分別燃燒著火的條件下，氫一燃燒，會冒一股火上去，但擴散很快，很少殃及汽車的其他部位；而汽油來不及擴散，會蔓延燃燒其他地方，造成整輛車被燒毀。所以從安全性來說，氫比汽油還稍微安全一些。當然，氫既然是燃料，還是比較危險的，特別是在開始的推廣時期，比如19世紀用氧就很危險，但等所有的規(guī)則定好以后，大家就可以比較安心使用了。所以氫系統(tǒng)的建立就要制定絕對安全的氫運行規(guī)則，如果制定好制氫、運氫、加氫、儲氫的規(guī)則標準，按照整個用氫規(guī)則來使用，危險就能控制，安全性就會大大提高。比如，氫能在日本應用比較廣泛，市場推廣方面也具有領(lǐng)先優(yōu)勢，在日本不少加氫站和加油站布局在一起，只有一墻之隔，旁邊就是社區(qū)。可見，如果技術(shù)和標準研發(fā)好、制定好，氫的危險性就會得到控制。

 

氫能是霧霾的終結(jié)者嗎

 

中國的柴油車保有量約占現(xiàn)有汽車保有量的9%，但在霧霾這個問題上它的貢獻率很大。汽車的尾氣排放對整個霧霾的“貢獻率”大概是三分之一左右，其中柴油車大概占70%，這個問題必須得到解決。柴油車在中國的港口非常集中，以北方一個工業(yè)城市為例，這個地區(qū)的物流量非常大，是一個重化工區(qū)，鋼的產(chǎn)量非常大。一噸鋼大概產(chǎn)生的物流量是五六噸左右，用重型卡車從港口到鋼廠運輸最方便。這里200多萬輛汽車里面，有將近20萬輛的柴油車，排放量很大，污染比較嚴重，在這個地方實行“柴改氫”，將會有效地減輕京津冀一帶霧霾形成的壓力。

 

從氫燃料電池本身的特點來看，它適合于重載遠距離續(xù)航，可以在港口來回跑六百至一千公里，重載也沒有問題。柴油車比較密集的港口容易布局加氫站，而且國內(nèi)港口幾乎都是重化工地區(qū)，工業(yè)副產(chǎn)氫也很豐富。加之港口一般毗鄰大海，海上運輸氫燃料來源也很容易。

 

可見，“柴改氫”可以先從港口的柴油車啟動，沿著運輸路線去布局加氫站，統(tǒng)一加氫，大量地密集地使用氫，形成規(guī)模效應，從而達到降低成本、提高效率的目的，以環(huán)境來驅(qū)動氫能和氫燃料發(fā)展，這樣才能進行商業(yè)化運營，而不是一直虧損運營，依靠國家補貼，這是非常有現(xiàn)實意義的。所以，“柴改氫”代表了一種技術(shù)路線的方向，尤其可以在港口的重卡上先進行。如果“柴改氫”這條路走通了的話，我們可以在港口城市建立示范點。比如，我們在京津冀地區(qū)先建立氫能的利用體系，完全可以在很短的時間之內(nèi)，把京津冀的霧霾問題部分解決掉或者是根本解決掉。

 

氫能離我們還遠嗎

 

截至2022年底，全球共有814座加氫站投入運營，歐洲、亞洲、北美仍是加氫站建設(shè)的主要地區(qū)。世界主要發(fā)達國家都把氫能源的發(fā)展利用提高到國家能源安全的戰(zhàn)略高度。有數(shù)據(jù)顯示，截至2023年10月，我國氫燃料電池汽車累計銷售18197輛，累計建成加氫站417座，位居全球首位。據(jù)預測，到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破1萬億元；加氫站數(shù)量達到1000座，燃料電池車輛保有量達到200萬輛。我國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著怎樣的布局？又面臨哪些挑戰(zhàn)呢？

 

我國氫能發(fā)展的優(yōu)勢比較明顯。首先是國家高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》就對氫能和氫燃料電池進行了規(guī)劃；后來《中國制造2025》節(jié)能與新能源汽車路線圖，也把氫能源和燃料電池汽車作為一個主要發(fā)展方向；2016年國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》，提出要加大氫能和燃料電池的應用；特別是2019年《政府工作報告》明確提出要推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。當前整個氫能和氫燃料電池汽車的應用掀起了高潮，在北京、上海、天津，包括湖北、重慶、浙江、廣東等都開始了汽車氫燃料電池的研發(fā)和商業(yè)化運行。實際上，我國制氫的工業(yè)基礎(chǔ)還是很雄厚的，制氫能力在全世界也是排在最前面。在氫還沒有作為重要能源的時候，它作為催化劑、還原劑被大量應用。比如合成氨煉油加氫，每年產(chǎn)量在2000萬噸以上。總之，我國未來開發(fā)氫氣潛力巨大、市場巨大，我們的商業(yè)用車、港口用的卡車、物流車，以及我們的乘用車，數(shù)量加起來都是很大的，而且應用場景會越來越多。

 

多地競相發(fā)展氫能源。我國氫能產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈已初步打通，氫能產(chǎn)業(yè)布局明顯提速。燃料電池汽車作為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面，未來兩三年有望迎來爆發(fā)式增長。國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合出臺《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，為我國氫能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展描繪了藍圖。各地方也紛紛搶占氫能發(fā)展制高點，產(chǎn)業(yè)布局呈遍地開花之勢。現(xiàn)在已經(jīng)有20多個省市做了氫能的發(fā)展規(guī)劃和氫燃料汽車的發(fā)展規(guī)劃，而且已經(jīng)形成了華東、華中、華南、華北、東北、西南等氫能和氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)群，涌現(xiàn)出像上海、如皋、佛山、張家口、武漢等一些有代表性的城市。各地方政府相繼發(fā)布涉氫的政策，構(gòu)建了涵蓋科技創(chuàng)新、應用示范、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)布局等各個環(huán)節(jié)的政策體系。如北京2021年就發(fā)布了《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案（2021—2025年）》，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極的引導和推動作用。北京冬奧會期間，上千輛氫燃料電池汽車服務保障冬奧，實現(xiàn)全球最大規(guī)模的示范應用。還有河北唐山出臺了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實施方案，其中提出力爭到2025年，建成加氫站30座，氫燃料電池汽車運營數(shù)量力爭達到2500輛，氫能產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入達到200億元。江蘇的如皋，是“聯(lián)合國氫經(jīng)濟示范城市”。還有，山東提出了建立氫谷的概念，而且制定了一個總體規(guī)劃，等等。

 

我國氫能產(chǎn)業(yè)如何突破

 

目前我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，但要實現(xiàn)快速健康發(fā)展需要改變氫能生產(chǎn)主要依賴化石能源、清潔能源制氫和氫作為能源利用規(guī)模還比較小的現(xiàn)狀。需要攻克質(zhì)子交換膜組、發(fā)動機、傳感器等氫核心產(chǎn)品技術(shù)難點，并且要解決氫氣輸送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不成熟，商用化應用不足等現(xiàn)實問題。

 

推進氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，布局氫能產(chǎn)業(yè)示范區(qū)。在氫能的利用上千萬不能先車后氫，應該氫體系先行，至少是車和氫要同步，這樣可以有力地推動燃料電池和燃料電池汽車的發(fā)展，否則欲速則不達。因為氫能產(chǎn)業(yè)鏈長，它橫跨能源、化工諸多領(lǐng)域，氫體系也很復雜，所以推進氫全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，要以企業(yè)為主體，以資本為紐帶，集中國內(nèi)優(yōu)勢單位把團隊力量做大做強，然后把氫體系全產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃做出來，打造好氫燃料電池汽車發(fā)展中的氫能供應體系，做到有序發(fā)展。各地要根據(jù)地方特色、能源稟賦、環(huán)境條件、技術(shù)能力來規(guī)范每個地區(qū)氫能發(fā)展的布局、方向和規(guī)劃。

 

建立氫能國家重大專項，開創(chuàng)氫能重卡時代。通過設(shè)立國家重大專項來解決產(chǎn)業(yè)鏈中的重大技術(shù)裝備和工程問題。重型柴油車密集的港口國內(nèi)有很多，從張家港、黃驊港、連云港到青島港都是重化工聚集地區(qū)。這些柴油車密集的港口地區(qū)，可以開創(chuàng)氫能的重卡時代，首先啟動氫系統(tǒng)的建立和重卡氫燃料車的試運行。

 

充分利用廢棄電力，降低制氫成本。這些年，我國的風電、核電、光伏電池、水電、生物質(zhì)能源等發(fā)展都很快。特別是風電和光伏發(fā)電，我國都是全球裝機容量和發(fā)電量最大的，但由于風電、光電不穩(wěn)定，并入國家電網(wǎng)比較困難，導致我國的棄風、棄水、棄光現(xiàn)象也很嚴重。如果把每年近1000億度的棄電用來制氫，成本就會降低。

 

因此，在制定整個氫能發(fā)展的國家戰(zhàn)略中，要利用好現(xiàn)在棄光、棄風、棄水這1000億度電，包括優(yōu)先利用好1000萬噸工業(yè)副產(chǎn)氫，這“兩個1000”我們要用好。同時，在重型柴油車密集的港口地區(qū)，從物流或重卡起步，以建立氫能體系為基礎(chǔ)，解決當前的霧霾或環(huán)境緊迫問題。當然，我們也要加快研發(fā)好氫燃料電池，把成本降下來、功率提上去，提高運行質(zhì)量。

 

中國是一個工業(yè)化進程速度非常快的國家，建立高效合理的氫能源體系，對促進可再生能源的利用，改善人類的居住環(huán)境和提高生活質(zhì)量，非常重要。氫系統(tǒng)建立和完善后，我們的電網(wǎng)會更加智能、更加高效、更加合理、更加節(jié)能。當下，我們要以推動氫能重卡時代為代表，把我們的氫能和氫燃料電池的事業(yè)產(chǎn)業(yè)往前發(fā)展，用來支撐我們制造強國建設(shè)。