從更廣闊的視野看待氫能燃料電池

中國科學院院士，清華大學教授歐陽明高

?發(fā)展新能源和新能源汽車是大勢所趨

從能源的交通發(fā)展趨勢看，電動化、低碳化、智能化是大勢所趨。

01電動化是動力革命

電動化是動力革命，但不是能源源頭革命。油電混合動力汽車、純電動汽車、氫能燃料電池汽車都屬于電動化。動力革命目前正在推進，而且技術逐步趨于成熟。比如，近10年內純電動汽車鋰離子電池性能提高2倍以上、成本降低80％以上，這就是一場電池革命。中國抓住了這個機遇，如果沒有電池革命，新能源汽車不可能像現(xiàn)在這樣得到大規(guī)模推廣。如今，北京道路上行駛的車輛有20％都是純電動汽車。再如，氫燃料電池技術尤其是車用質子交換膜燃料電池技術，也取得了革命性的突破和進展，業(yè)內比較熟悉的就是豐田的燃料電池技術。預計在今后五年左右，燃料電池技術基本趨于成熟。此外，油電混合動力技術也不容忽視，它將在市場上占據(jù)重要位置，未來燃油車會以混合動力的形式在相當長時間內持續(xù)發(fā)展。

以上三種車孰優(yōu)孰劣，現(xiàn)在還不好下結論。從效率角度看，這三種車相差不多；從全生命周期效率來看，也很難一較高下。有人認為氫燃料電池效率最高，那是基于以天然氣為能源源頭計算得出，如果將天然氣換成汽柴油則并非如此。以上三種電動化所相配的能源，也就是燃料，都有各自的最佳組合，能夠達到差不多的效果，所以很難對比，這就需要借助第二“化”，即能源低碳化進行更好地對比。

02動力和能源相結合能實現(xiàn)能源低碳化

低碳化，就是要減排二氧化碳，這就不得不提到風能、太陽能等可再生能源，尤其是光伏的發(fā)展?，F(xiàn)在光伏效率基本已突破20％，下一代技術是朝30％進軍，而且發(fā)電成本和煤電不相上下。光伏既包括集中式光伏，也包括分布式光伏，現(xiàn)在分布式光伏發(fā)展更快。中國是世界光伏第一大國，集中了全球70％的產能?？梢哉f，在可再生能源發(fā)展方面，中國處于世界前列。選擇低碳發(fā)展道路，是中國政府向全世界的承諾，習近平總書記提出能源生產與消費革命的戰(zhàn)略思想，其中重要一點就是能源低碳化。如果把動力電動化與能源低碳化結合，就能使不同種類車輛比出高低。因為只有搭配可再生能源，才有可能實現(xiàn)真正的低碳或者近零碳排放。

在這個前提下可以發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池、燃料電池搭配可再生能源的時候優(yōu)勢凸顯。其中，純電動汽車更適合分布式可再生能源，筆者認為，鋰離子儲能電池和分布式光伏是絕佳搭配，未來發(fā)展空間廣闊。

關于集中式可再生能源，我國很多可再生能源基地都建在內蒙古、青海一帶，也包括張家口。之所以在這些地區(qū)建設可再生能源基地，是因為相比東部地區(qū)，這些地區(qū)光照時間長、發(fā)電時間長、成本更低，此外還有能量輸送等原因。對于這些可再生能源集中式基地，用鋰離子電池儲存并不是最佳選擇，相比之下，將其變成氫氣是全球認同的主要的可再生能源儲存手段。

所以，可再生能源和鋰離子電池、氫燃料電池相結合有兩種途徑：分布式儲能需要鋰離子電池和純電動汽車；集中式、長周期、大規(guī)模的儲能，需要氫能及燃料電池。由此，汽車動力和能源緊密配合，從而實現(xiàn)能源低碳化，這也是發(fā)展新能源汽車的原因。

03智能化將全方位整合能源、交通、信息

智能化是一場更大、更廣泛的革命，人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等席卷全球，影響各行各業(yè)。對于汽車行業(yè)來說，自動駕駛、工業(yè)4.0、智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)等都與之相關。對于分布式光伏和電動汽車，最好的前景就是形成移動能源互聯(lián)網(wǎng)。如今，手機已成為移動信息互聯(lián)網(wǎng)，將來汽車會變成下一個巨大終端。最近華為開始進入汽車領域，一方面是5G的發(fā)展將支撐起智能汽車網(wǎng)絡基礎設施，另一方面是智能手機所有的應用都可以在汽車上全方位使用，而且汽車是一個有更多零部件、更大產值、更綜合的系統(tǒng)。所以，將來的汽車有可能屬于ICT（信息和通信技術）行業(yè)，因為ICT變成了汽車的核心。

電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化是全球汽車行業(yè)正在流行的“新四化”，但網(wǎng)聯(lián)化和共享化只強調了信息革命，沒有強調能源革命。如果所有的電動汽車只要停駛就能接到智能電網(wǎng)或者由微網(wǎng)組成的能源互聯(lián)網(wǎng)上，那么儲能規(guī)模將無比巨大。2030年之后，新能源汽車保有量或將超過1億輛，車載電池總能量將超過60億度，這是一個巨大的數(shù)字。

通過智能化，可以把能源、交通、信息全方位整合，也就是說，未來社會將是綠色、低碳、智能化的社會，整個經濟也將全方位轉型升級，所以要在這個大背景下談氫能燃料電池。或許有人認為這個設想太遙遠，但我國最近正在啟動《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》的編制工作，按筆者的判斷，到2035年，包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電動汽車在內的車輛將成為絕對主體，占比在90％以上，能源低碳化和智能化（如具有各種自動駕駛功能的汽車）也將成為主體。根據(jù)國家發(fā)改委公布的能源規(guī)劃，到2030年，我國非化石能源裝機量將達到50％；2035年將占裝機量主體。筆者認為，到2035年非化石能源發(fā)電量也會達到50％，這是一個宏偉目標，但并非遙不可及。

?氫能燃料電池發(fā)展面臨多重機遇和挑戰(zhàn)

因此，必須在大背景下看氫能，定位氫能。氫能是未來在可再生能源背景下的兩個主要能源載體之一，另一個是電能。當然，筆者認為電能還是能源主體，氫能不可能超過電能?，F(xiàn)在有人談氫能，往往把氫能和石油、天然氣、煤炭并列，筆者認為這種談法不妥，因為氫能只是一個能源載體，屬于二次能源，不是一次能源。在這個前提下，氫燃料電池目前的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)是什么？

01從更廣闊的視野看氫能燃料電池的應用

目前，我國正在修訂氫能燃料電池汽車路線圖，2016年曾發(fā)布第一版，當時提出力爭到2030年，氫能燃料電池汽車總保有量達到100萬輛、加氫站1000座。有人認為，在目前的氫能熱潮下，這個數(shù)字定低了，筆者不這么認為。如果僅僅從車輛上看，可能到2030年應用更多的是商用車，對于商用車來說，100萬輛已經是一個龐大的數(shù)字。至于轎車，氫能燃料電池要想在短期內全部取代純電動轎車也不太可能，所以應該從更廣闊的視野來看待氫能燃料電池。

看待氫能，不能僅僅從車輛的角度看，更不能僅僅從轎車角度看，而應從能源角度、從新能源角度、從可再生能源發(fā)展角度看待其更廣闊的應用。筆者認為，鋰離子電池動力系統(tǒng)更多的是替代汽油機，氫燃料電池動力系統(tǒng)更多的是替代柴油機。除了汽車之外，輪船、飛機、潛艇、火車、作業(yè)機械等都會采用氫燃料電池動力系統(tǒng)，應用范圍很廣。

02氫的儲運是最大挑戰(zhàn)

關于氫能，我國現(xiàn)在面臨的最主要挑戰(zhàn)并不是燃料電池，因為技術終將成熟；氫源問題也不大，目前經濟可行的氫源可以來自1000億度的棄風、棄光、棄水，還有800萬噸的副產氫。筆者認為，挑戰(zhàn)在于氫的儲運，包括車載儲存和車下的儲運，找到經濟、高效、可行的儲運模式，是發(fā)展的關鍵。目前，我國的氫能科技滯后于燃料電池，現(xiàn)在使用的氫能工藝基本都是50年前甚至100年前發(fā)明的，新的氫能科技還沒有完全成為主流的、大規(guī)模推廣的應用技術。雖然我國有很多新的基礎研究成果，如光催化制氫等，但還需進一步工程化、實用化、商業(yè)化。

目前全球公認的車載儲運主流技術是從燃料電池轎車發(fā)展中優(yōu)選出來的高壓氣氫，就是70兆帕四型高壓儲氫瓶。相對于三型瓶，四型瓶成本可以下降30％，而且全球的標準法規(guī)都圍繞這個方向制定，但中國在這方面還沒有成熟產品和相關標準法規(guī)。從中長期看，面向2030年，尤其是針對長途商用車，我國要發(fā)展液態(tài)儲氫或者中壓深冷氣氫。

至于車下的儲運，現(xiàn)在有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種。目前還沒有合適的主流固態(tài)儲運技術；液態(tài)即氫液化是面向2030年我們要發(fā)展的，但近期很難大規(guī)模依賴；眼下主流的是氣態(tài)，問題在于儲氫密度偏低，我國現(xiàn)在采用的是20兆帕儲氫瓶，國外已經發(fā)展50兆帕、100兆帕儲氫瓶，尤其是100兆帕儲氫瓶到加氫站可直接往70兆帕氫瓶加注，但國內還不具備這一技術，因為它對標準、安全等各方面提出了很高要求。之所以我國遲遲沒有頒布四型瓶的標準，一是沒有成熟產品，二是對安全的檢測評估還不到位。在這方面，我國需要開放創(chuàng)新，整合全球資源，建立中國相關產業(yè)鏈，這樣才有可能解決我國氫能全產業(yè)鏈的一個中間瓶頸。

?以點帶面整合資源打造氫能示范基地

目前，張家口作為中國惟一的可再生能源國家示范區(qū)，是我國發(fā)展氫能燃料電池的重要地區(qū)，在鋰離子電池儲能、光伏等方面都有發(fā)展優(yōu)勢。之所以選擇張家口為氫能燃料電池示范推廣基地，一是因為張家口是2022年冬奧會舉辦地之一，我國將在冬奧會期間加速應用燃料電池客車，這是樹立張家口氫能與可再生能源品牌的良機；二是北方地區(qū)冬季溫度低，更適合推廣燃料電池汽車，供暖也可用燃料電池廢熱；三是考慮產業(yè)鏈整合和科技資源的整合。氫能燃料電池發(fā)展需要氫能科技的突破，需要法規(guī)標準的支撐以及復雜的檢測手段，這些都離不開大規(guī)模的設備投入，張家口提供了一個良好的測試、研究、制定國家標準的基地。從國家角度看，需要有這樣的基地，氫能如果遍地開花，很容易出事。當前國內三型瓶的壽命和充放氫的循環(huán)次數(shù)7500～12000次不等，高壓容器檢測很復雜，必須進行生產一致性評價。

此外，我們也希望把儲能電池測試、光伏測試、風機測試等放在一起研究。這是借鑒了美國的做法，如美國有一個可再生能源與國家檢測基地，涵蓋了所有的相關內容，因為相互之間需要耦合，如電動汽車、鋰離子電池、光伏本身就構成一個大系統(tǒng)。就像特斯拉，既銷售電動汽車，也出售房頂?shù)墓夥囯x子儲能墻、超級充電樁，這些都是成套的，所以我們要把試驗基地合起來建設。

氫能的發(fā)展需要全球共同努力，希望我國能夠以張家口為點，以點帶面，在全球樹立我國的氫能品牌。