彭蘇萍：中國氫能源與燃料電池發展戰略研究
2023年7月14日，由南方周末聯合西北工業大學管理學院主辦，西北工業大學新時代企業高質量發展研究中心、南方周末中國企業社會責任研究中心承辦的第二屆中國企業責任與高質量發展論壇在西安成功舉辦。本屆論壇以“投資有道，碳路可循”為主題，相關領域學者、機構代表、企業高管參會分享，聚焦“雙碳”目標下的企業行動進展和優秀實踐，探討低碳前沿理念、創新技術、碳信息披露等議題。南方周末、西工大在現場分別發布相關研究報告。
在當天的論壇上，中國工程院院士、中國礦業大學（北京）教授彭蘇萍指出：實現“雙碳”目標需要在能源技術方面進行大膽的創新。當前全球主要發達國家高度重視氫能產業的發展。我國具有豐富的氫能資源，煤制氫技術也趨于成熟。但如何控制好制氫過程中的碳排放、提高清潔能源制氫比例、降低燃料電池成本仍是我們面臨的挑戰，支撐氫能發展的核心技術和關鍵材料難關還需要進一步攻克。
以下為彭蘇萍的演講實錄：
今天會議的主題是“投資有道，碳路可循”。
眾所周知，氣候變化是當今世界最嚴重的問題之一，也是人類未來生存和發展面臨的最大威脅之一。在“雙碳”目標下，綠色低碳化發展道路是企業實現高質量發展的必經之路。
“雙碳”目標對中國來講是個非常艱難的過程，因為中國的能源稟賦里，煤比較多，而油、氣，以及非化石能源相對較少。
以我們的核電為例，在2003年做能源規劃時，我們能源組的組長——清華大學的老校長王大中院士，希望到2020年，中國核電在一次能源結構中最少能占比9%，最高能占16%。但是20年過去了，中國的核電在一次能源結構里才占4%。法國的核電占比最高的時候能達到68%，現在也有將近60%；美國核電占比最高的時候是38%，現在也有將近30%；日本在福島事件之前，核電在一次能源結構里達到40%。
我講這個比例關系是為了說明，在一次能源結構里，核電占40%與核電占4%，對實現“雙碳”目標的差別極大，也就是說我們面臨的挑戰非常艱巨。因為核電是沒有二氧化碳排放的。
有人問，我們能追上40%嗎？
跟大家講第二個例子。我們國家最近二十多年來一直提倡可再生能源，但去年可再生能源在一次能源里的貢獻率，除了水之外，實際只有百分之七點多。從7%要提高到促進實現“雙碳”目標的50%，是很難的，所以我們一定要在能源技術方面進行大膽的創新。
氫能是加快能源轉型的重要選擇
最近二十多年來，中國和世界其他國家一樣，都希望能源的利用方式從以前的礦藏資源消耗型向天然資源再生型轉變。因此，我們希望把可再生能源的規模做得更大，同時希望能低碳化利用化石能源。
在人類歷史發展的過程中，我們的祖先對能源的利用方式主要是利用生物質能源，也就是柴火。后來發明了蒸汽機，使煤炭得到了廣泛的利用。又后來，人類發明了內燃機以及后來的燃氣機，使石油和天然氣得到了廣泛的利用?，F在講氫能源，使能源出現了一種新的利用方式，也就是燃料電池。
氫能源的利用方式跟以前的能源利用方式不一樣。這是一種化學反應，在一定溫度下，離子的躍變產生了一種放電作用；而內燃機、蒸汽機和柴火主要是通過燃燒產生的能量，是物理發電。這是我今天講的第一個概念。
第二個概念，我們發明了內燃機，但并沒有把以前的煤炭蒸汽機替換掉，現在我們國家的燃煤電廠主要是通過燒鍋爐即蒸汽機起作用。我們今天討論氫能源，并不是像某些宣傳，認為氫可以替代以前的所有能源，而是在探討一個各種能源和各種能源利用方式共存的模式。
以前我們認為氫主要是一種能源，后來我們通過研究，發現用氫來吸納可再生能源是一種非常有用的儲能方式。因此，氫就有兩個屬性特征：一個是能源的屬性特征，另一個是儲能的屬性特征。它在今后的能源技術發展中會占有自己應有的地位。
迄今為止，全世界有大約80個國家提出了重視氫能的發展規劃。日本以前跟中國一樣，能源消費主要依賴進口煤和進口油氣?！半p碳”目標不僅對提出中國嚴格要求，對日本這樣的發達國家也一樣提出要求，所以日本希望能從以前進口煤、進口油氣向進口氫轉變；澳大利亞是能源出口國，以前主要出口的是煤，現在它的氫能發展規劃主要是出口氫氣；歐洲處于工業化后時期，目前發展氫能主要是為了工業脫碳；美國發展氫能主要是為了保證能源的穩定性，因為氫能燃料電池的發展技術是最穩定的一種能源技術。中國是高碳國家，煤在一次能源結構中占比較多，我們發展氫能主要是為了改善能源品質。
氫能源與燃料電池發展的途徑
2020年全世界純氫產量嚴格統計是7500萬噸，若稍微放開一些指標，能超過1億噸。氫氣主要用于化工精煉和合成氨等領域。我們國家是世界上最大的制氫國，2022年我國的氫氣產能超過4500萬噸，產量超過3350萬噸。我們主要用于化工精煉以及化肥的生產。
在交通領域里，氫占的比例小于0.1%。為什么要提這個比例？因為現在很多同志都提出來要發展可再生能源制作的“綠氫”，但我們國家在當前的發展階段，穩定、可靠、便宜的氫是不能放棄的。
從世界范圍看，北美、歐洲的氫氣，主要是通過天然氣制氫。我們國家是煤制氫，在過程里有二氧化碳的排放，因此在發展氫能源的過程中，如何把二氧化碳的排放控制好，這是我們要關注的問題。
現在世界上遵循的一種技術方式是高溫固體氧化物燃料電池的制氫技術，因為固體氧化物電解槽制氫具有高溫運行、效率比較高、耗電量比較少的特點，比常規質子膜的發電及堿性電解槽要省電1/5到1/3。另外一個方式是通過高溫共解可以把二氧化碳消納掉，這個技術受到了美國、歐洲各國的關注。
現在，美國BloomEnergy已經做出了130kW的制氫示范裝置；德國的Sunfire已經做出了2.6兆瓦的示范系統；丹麥的TopsoeA/S做出500兆瓦的產能，這是一個工廠化的實施；我們國家也在積極研究。
關于加氫站的問題，2022年全世界有727座加氫站，中國占40%左右，估計到今年年底中國占世界的加氫站會超過一半，即世界有超過一半的加氫站都是我們中國的。
供氫的過程，目前主要是利用壓縮氫氣的供氫方式，世界上有人提出可以通過液氫的方式。不過目前液氫的成本比較貴，主要運用于航天系統，要在民用系統上應用還需要一段時間。
氫能利用的方式主要是靠燃料電池轉化，現在作為轉化裝置的燃料電池有兩種：一是質子膜燃料電池，二是固體氧化物燃料電池。質子膜燃料電池工作溫度是90度以下或者90度左右，它工作溫度比較低、啟動比較快，在交通領域應用得比較廣，目前，在我們國家交通領域主要是質子膜的燃料電池。
固體氧化物燃料電池，它的工作溫度在700度-800度之間。因為它工作溫度高，能量轉化就比較高，它對原料的要求沒有這么高，可以是粗氫，它不用像質子膜需要高純度的氫，而且碳氫、天然氣、液化氣也可以作為它的原料供應方式。目前，固體氧化物燃料電池發電主要以分布式發電、小區的集中供電的方式得到了推廣。
關于燃料電池車，2022年底，全世界的燃料電池車超過了67315輛，中國有12682輛，占世界的1/6。世界上主要是乘用車為主，中國主要是商用車為主。去年除了商務車，中國的重卡也得到了比較好的發展。
關于燃料電池的出貨方式，固體氧化物燃料電池在去年、前年得到了比較好的發展，也在大規模應用。美國在這一方面做得比較好，BloomEnergy目前主要把燃料電池作為小區和公共場合的發電方式，在蘋果公司的總部、商場、醫院等人口比較密集、對能源品質要求比較高的地方得到利用，現在日本和中國也都在積極推廣。
中國礦業大學從“十二五”開始做燃料電池研究，去年最新研發成功的二氧化碳近零排放的煤氣化發電技術，主要利用了固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解槽。我們希望在煤炭的燃燒過程中實現二氧化碳不排放。在這個過程中，我們做了1兆瓦的熱供、500千瓦的發電方式，并得到了科技部的驗收，完成了這個任務。
其中一次發電效率達到53%，在發電的過程中我們把二氧化碳高濃度地富集，使二氧化碳的濃度超過94%，我們還通過高溫的二氧化碳跟高溫的水蒸氣，把二氧化碳成功直接轉化為了甲醇。關于這方面的研究，除了我們，廣東省能源集團和潮州三環公司去年年底也做出了210kW高溫燃料電池發電系統。
中國礦業大學主要希望通過煤氣化制氫研究，讓以煤為主的發電方式不排放二氧化碳。大家都認識到了二氧化碳的問題，這對一個以煤為主的國家的能源發展來說，是個緊箍咒，我們必須要把這個緊箍咒破掉。
氫能不利于存儲，液化成本高等難題研制了氫能遠距離輸送。所以，在2016年，美國、日本和澳大利亞提出了“氫2.0規劃”，把以前純氫的制備和應用向氨的方式轉化，在轉化過程中，氨的安全性和穩定性都得到了認可，所以這個方式得到了世界各國的響應，像中東的石油大國提出了“綠色甲醇”的計劃。
綠氨作為綠氫的載體，在我們國內也得到了很多的提倡，例如福州已經成立國內首家氨氫能源重大產業創新平臺，寧夏回族自治區的寧東基地已經成立寧夏氨氫產業聯盟，魯西集團、大連和山西的一些企業也都在研究。
對于氫在運輸過程的安全性問題，人們提出了天然氣管網摻氫。中國做摻氫很早，20世紀80年代，在中國推進大中城市煤氣化的過程中，人造煤氣的氫含量達到百分之三十幾，我們通過研究認為，中國很快能掌握這個技術且能推廣。
氫能在交通領域應用有一些新動向。我們認為中國在重卡方面有比較好的發展前途，在船舶運輸方面也得到了比較好的運用。去年中國重卡的燃料電池汽車已經超過了2000臺，達到2465臺，這方面發展的勢頭比較好。
我國氫能源與燃料電池發展存在的問題
我們國家具有豐富的氫資源，我們已經掌握了煤制氫的技術。中國是世界第一大汽車國，這為中國的氫能發展提供了一個好的平臺。但很多關鍵的零部件和卡脖子的技術，還需要進一步攻克。
首先是制氫問題。中國的煤制氫技術比較成熟，但在煤制氫的過程中有大量二氧化碳排放。通過這幾年的努力，CCS（碳捕獲和封存技術）的成本在大幅降低，最近國家已經推廣和實施了好幾個煤制氫和CCS聯動的百萬噸項目。
其次是儲運方式。在運輸過程中，除了槽車運輸外，我們還希望發展管道運輸。一個多月之前中石化就宣布他們正在做300公里的氫運輸管道試驗。
第三，關于燃料電池技術和產業政策問題。在我們國家，質子膜燃料電池存在的問題主要是成本問題，我們跟國際相比還是有差距。固體氧化物燃料電池方面，我們國家的應用場景、系統的研究還缺乏，產業政策還需要和地區經濟發展結合在一起，目前來講，同質化情況比較嚴重。
對氫能源與燃料電池發展的戰略思路
針對這些問題，在今后的20年里，國家需要進一步制定引領戰略，優化相關推動政策，在技術的開發以及自主可控方向做好工作。
工信部在兩年前就提出了燃料電池補貼計劃，即以京津冀、長三角、大灣區和武漢為主的經濟地帶、經濟比較發達的地區實行燃料電池車的補貼，后來在山東提出了“氫進萬家”的計劃。但是發展氫能不能像以前的動力電池車的推廣模式一樣，靠大規模的補貼來推動發展，我們還是要尊重能源的屬性，以穩定、可靠、低成本的方式推進中國燃料電池技術的全面發展，今后還是要以降成本為主體。
所以，在2025年以前，我們主要是靠政策引導和局部示范。前面提及的4個燃料電池示范區和“氫進萬家”的導入，都是國家層面對氫能發展的支持。希望在2035年以前能實現以市場驅動為主的氫發展的商業模式。最近幾年，通過國家的鼓勵和大家的熱情和奮斗，我們的氫技術越來越成熟。我們認為2035年能實現中國氫能源發展的奮斗目標，到2050年的時候希望氫能源產業鏈能夠為國家的“雙碳”目標、高質量發展作出貢獻。
我們對燃料電池做了規劃，希望通過努力，到2050年燃料電池的壽命要超過4萬個小時，成本小于300塊錢。在3年前做規劃的時候，我們在想這個目標是不是提得過大了。但到現在為止，日本豐田公司的產品成本已經降至300塊錢，所以我認為通過我們的努力，到2050年是可以實現的。我們還希望把質子膜燃料電池的工作溫度，通過技術創新提高到130度，也就是把制氫的純度降下來。因為通過試驗，我們發現工作溫度達到130度后，一個九純度的氫就可以作為原料的一種供應方式，但現在要四個或五個九純度的氫，成本還是太高。
我們希望固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解槽的系統成本到2050年左右達到1000元。燃煤電廠的制造現在的成本是1500元-1700元，壽命達到10萬個小時。如果這樣的話，我們今后可以為替代現在的燃煤電廠做好技術的準備，因為現在燃煤電廠的壽命，服務年限是8萬個小時，這就可以為我們奠定一個基礎。
要做好這些工作，首先要加強頂層設計?，F在國家發改委和國家能源局在這方面做了比較好的系統的頂層設計，去年公布了中國2035年的燃料電池和氫能發展規劃。其次要建立健全產業政策、安全監督及技術標準體系。關于氫的安全性，現在氫是作為危險化學品來規劃的，我們希望氫能向油品的管理機制轉化，現在應急管理部聯合工信部等有關部門組織專家在做這方面的探索。第三，要加大對氫能基礎設施全產業鏈的補貼政策及金融支持，也需要金融資本的進入，現在也得到了這方面的鼓勵，國有資本有序進入，使規?；l展氫產業鏈得到最有力的保障。最后，我們要建立氫能基礎設施關鍵技術攻關與核心裝備自主化的長效機制。
我的匯報到此結束，謝謝大家的聆聽！
