彭苏萍：中国氢能源与燃料电池发展战略研究
2023年7月14日，由南方周末联合西北工业大学管理学院主办，西北工业大学新时代企业高质量发展研究中心、南方周末中国企业社会责任研究中心承办的第二届中国企业责任与高质量发展论坛在西安成功举办。本届论坛以“投资有道，碳路可循”为主题，相关领域学者、机构代表、企业高管参会分享，聚焦“双碳”目标下的企业行动进展和优秀实践，探讨低碳前沿理念、创新技术、碳信息披露等议题。南方周末、西工大在现场分别发布相关研究报告。
在当天的论坛上，中国工程院院士、中国矿业大学（北京）教授彭苏萍指出：实现“双碳”目标需要在能源技术方面进行大胆的创新。当前全球主要发达国家高度重视氢能产业的发展。我国具有丰富的氢能资源，煤制氢技术也趋于成熟。但如何控制好制氢过程中的碳排放、提高清洁能源制氢比例、降低燃料电池成本仍是我们面临的挑战，支撑氢能发展的核心技术和关键材料难关还需要进一步攻克。
以下为彭苏萍的演讲实录：
今天会议的主题是“投资有道，碳路可循”。
众所周知，气候变化是当今世界最严重的问题之一，也是人类未来生存和发展面临的最大威胁之一。在“双碳”目标下，绿色低碳化发展道路是企业实现高质量发展的必经之路。
“双碳”目标对中国来讲是个非常艰难的过程，因为中国的能源禀赋里，煤比较多，而油、气，以及非化石能源相对较少。
以我们的核电为例，在2003年做能源规划时，我们能源组的组长——清华大学的老校长王大中院士，希望到2020年，中国核电在一次能源结构中最少能占比9%，最高能占16%。但是20年过去了，中国的核电在一次能源结构里才占4%。法国的核电占比最高的时候能达到68%，现在也有将近60%；美国核电占比最高的时候是38%，现在也有将近30%；日本在福岛事件之前，核电在一次能源结构里达到40%。
我讲这个比例关系是为了说明，在一次能源结构里，核电占40%与核电占4%，对实现“双碳”目标的差别极大，也就是说我们面临的挑战非常艰巨。因为核电是没有二氧化碳排放的。
有人问，我们能追上40%吗？
跟大家讲第二个例子。我们国家最近二十多年来一直提倡可再生能源，但去年可再生能源在一次能源里的贡献率，除了水之外，实际只有百分之七点多。从7%要提高到促进实现“双碳”目标的50%，是很难的，所以我们一定要在能源技术方面进行大胆的创新。
氢能是加快能源转型的重要选择
最近二十多年来，中国和世界其他国家一样，都希望能源的利用方式从以前的矿藏资源消耗型向天然资源再生型转变。因此，我们希望把可再生能源的规模做得更大，同时希望能低碳化利用化石能源。
在人类历史发展的过程中，我们的祖先对能源的利用方式主要是利用生物质能源，也就是柴火。后来发明了蒸汽机，使煤炭得到了广泛的利用。又后来，人类发明了内燃机以及后来的燃气机，使石油和天然气得到了广泛的利用。现在讲氢能源，使能源出现了一种新的利用方式，也就是燃料电池。
氢能源的利用方式跟以前的能源利用方式不一样。这是一种化学反应，在一定温度下，离子的跃变产生了一种放电作用；而内燃机、蒸汽机和柴火主要是通过燃烧产生的能量，是物理发电。这是我今天讲的第一个概念。
第二个概念，我们发明了内燃机，但并没有把以前的煤炭蒸汽机替换掉，现在我们国家的燃煤电厂主要是通过烧锅炉即蒸汽机起作用。我们今天讨论氢能源，并不是像某些宣传，认为氢可以替代以前的所有能源，而是在探讨一个各种能源和各种能源利用方式共存的模式。
以前我们认为氢主要是一种能源，后来我们通过研究，发现用氢来吸纳可再生能源是一种非常有用的储能方式。因此，氢就有两个属性特征：一个是能源的属性特征，另一个是储能的属性特征。它在今后的能源技术发展中会占有自己应有的地位。
迄今为止，全世界有大约80个国家提出了重视氢能的发展规划。日本以前跟中国一样，能源消费主要依赖进口煤和进口油气。“双碳”目标不仅对提出中国严格要求，对日本这样的发达国家也一样提出要求，所以日本希望能从以前进口煤、进口油气向进口氢转变；澳大利亚是能源出口国，以前主要出口的是煤，现在它的氢能发展规划主要是出口氢气；欧洲处于工业化后时期，目前发展氢能主要是为了工业脱碳；美国发展氢能主要是为了保证能源的稳定性，因为氢能燃料电池的发展技术是最稳定的一种能源技术。中国是高碳国家，煤在一次能源结构中占比较多，我们发展氢能主要是为了改善能源品质。
氢能源与燃料电池发展的途径
2020年全世界纯氢产量严格统计是7500万吨，若稍微放开一些指标，能超过1亿吨。氢气主要用于化工精炼和合成氨等领域。我们国家是世界上最大的制氢国，2022年我国的氢气产能超过4500万吨，产量超过3350万吨。我们主要用于化工精炼以及化肥的生产。
在交通领域里，氢占的比例小于0.1%。为什么要提这个比例？因为现在很多同志都提出来要发展可再生能源制作的“绿氢”，但我们国家在当前的发展阶段，稳定、可靠、便宜的氢是不能放弃的。
从世界范围看，北美、欧洲的氢气，主要是通过天然气制氢。我们国家是煤制氢，在过程里有二氧化碳的排放，因此在发展氢能源的过程中，如何把二氧化碳的排放控制好，这是我们要关注的问题。
现在世界上遵循的一种技术方式是高温固体氧化物燃料电池的制氢技术，因为固体氧化物电解槽制氢具有高温运行、效率比较高、耗电量比较少的特点，比常规质子膜的发电及碱性电解槽要省电1/5到1/3。另外一个方式是通过高温共解可以把二氧化碳消纳掉，这个技术受到了美国、欧洲各国的关注。
现在，美国BloomEnergy已经做出了130kW的制氢示范装置；德国的Sunfire已经做出了2.6兆瓦的示范系统；丹麦的TopsoeA/S做出500兆瓦的产能，这是一个工厂化的实施；我们国家也在积极研究。
关于加氢站的问题，2022年全世界有727座加氢站，中国占40%左右，估计到今年年底中国占世界的加氢站会超过一半，即世界有超过一半的加氢站都是我们中国的。
供氢的过程，目前主要是利用压缩氢气的供氢方式，世界上有人提出可以通过液氢的方式。不过目前液氢的成本比较贵，主要运用于航天系统，要在民用系统上应用还需要一段时间。
氢能利用的方式主要是靠燃料电池转化，现在作为转化装置的燃料电池有两种：一是质子膜燃料电池，二是固体氧化物燃料电池。质子膜燃料电池工作温度是90度以下或者90度左右，它工作温度比较低、启动比较快，在交通领域应用得比较广，目前，在我们国家交通领域主要是质子膜的燃料电池。
固体氧化物燃料电池，它的工作温度在700度-800度之间。因为它工作温度高，能量转化就比较高，它对原料的要求没有这么高，可以是粗氢，它不用像质子膜需要高纯度的氢，而且碳氢、天然气、液化气也可以作为它的原料供应方式。目前，固体氧化物燃料电池发电主要以分布式发电、小区的集中供电的方式得到了推广。
关于燃料电池车，2022年底，全世界的燃料电池车超过了67315辆，中国有12682辆，占世界的1/6。世界上主要是乘用车为主，中国主要是商用车为主。去年除了商务车，中国的重卡也得到了比较好的发展。
关于燃料电池的出货方式，固体氧化物燃料电池在去年、前年得到了比较好的发展，也在大规模应用。美国在这一方面做得比较好，BloomEnergy目前主要把燃料电池作为小区和公共场合的发电方式，在苹果公司的总部、商场、医院等人口比较密集、对能源品质要求比较高的地方得到利用，现在日本和中国也都在积极推广。
中国矿业大学从“十二五”开始做燃料电池研究，去年最新研发成功的二氧化碳近零排放的煤气化发电技术，主要利用了固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解槽。我们希望在煤炭的燃烧过程中实现二氧化碳不排放。在这个过程中，我们做了1兆瓦的热供、500千瓦的发电方式，并得到了科技部的验收，完成了这个任务。
其中一次发电效率达到53%，在发电的过程中我们把二氧化碳高浓度地富集，使二氧化碳的浓度超过94%，我们还通过高温的二氧化碳跟高温的水蒸气，把二氧化碳成功直接转化为了甲醇。关于这方面的研究，除了我们，广东省能源集团和潮州三环公司去年年底也做出了210kW高温燃料电池发电系统。
中国矿业大学主要希望通过煤气化制氢研究，让以煤为主的发电方式不排放二氧化碳。大家都认识到了二氧化碳的问题，这对一个以煤为主的国家的能源发展来说，是个紧箍咒，我们必须要把这个紧箍咒破掉。
氢能不利于存储，液化成本高等难题研制了氢能远距离输送。所以，在2016年，美国、日本和澳大利亚提出了“氢2.0规划”，把以前纯氢的制备和应用向氨的方式转化，在转化过程中，氨的安全性和稳定性都得到了认可，所以这个方式得到了世界各国的响应，像中东的石油大国提出了“绿色甲醇”的计划。
绿氨作为绿氢的载体，在我们国内也得到了很多的提倡，例如福州已经成立国内首家氨氢能源重大产业创新平台，宁夏回族自治区的宁东基地已经成立宁夏氨氢产业联盟，鲁西集团、大连和山西的一些企业也都在研究。
对于氢在运输过程的安全性问题，人们提出了天然气管网掺氢。中国做掺氢很早，20世纪80年代，在中国推进大中城市煤气化的过程中，人造煤气的氢含量达到百分之三十几，我们通过研究认为，中国很快能掌握这个技术且能推广。
氢能在交通领域应用有一些新动向。我们认为中国在重卡方面有比较好的发展前途，在船舶运输方面也得到了比较好的运用。去年中国重卡的燃料电池汽车已经超过了2000台，达到2465台，这方面发展的势头比较好。
我国氢能源与燃料电池发展存在的问题
我们国家具有丰富的氢资源，我们已经掌握了煤制氢的技术。中国是世界第一大汽车国，这为中国的氢能发展提供了一个好的平台。但很多关键的零部件和卡脖子的技术，还需要进一步攻克。
首先是制氢问题。中国的煤制氢技术比较成熟，但在煤制氢的过程中有大量二氧化碳排放。通过这几年的努力，CCS（碳捕获和封存技术）的成本在大幅降低，最近国家已经推广和实施了好几个煤制氢和CCS联动的百万吨项目。
其次是储运方式。在运输过程中，除了槽车运输外，我们还希望发展管道运输。一个多月之前中石化就宣布他们正在做300公里的氢运输管道试验。
第三，关于燃料电池技术和产业政策问题。在我们国家，质子膜燃料电池存在的问题主要是成本问题，我们跟国际相比还是有差距。固体氧化物燃料电池方面，我们国家的应用场景、系统的研究还缺乏，产业政策还需要和地区经济发展结合在一起，目前来讲，同质化情况比较严重。
对氢能源与燃料电池发展的战略思路
针对这些问题，在今后的20年里，国家需要进一步制定引领战略，优化相关推动政策，在技术的开发以及自主可控方向做好工作。
工信部在两年前就提出了燃料电池补贴计划，即以京津冀、长三角、大湾区和武汉为主的经济地带、经济比较发达的地区实行燃料电池车的补贴，后来在山东提出了“氢进万家”的计划。但是发展氢能不能像以前的动力电池车的推广模式一样，靠大规模的补贴来推动发展，我们还是要尊重能源的属性，以稳定、可靠、低成本的方式推进中国燃料电池技术的全面发展，今后还是要以降成本为主体。
所以，在2025年以前，我们主要是靠政策引导和局部示范。前面提及的4个燃料电池示范区和“氢进万家”的导入，都是国家层面对氢能发展的支持。希望在2035年以前能实现以市场驱动为主的氢发展的商业模式。最近几年，通过国家的鼓励和大家的热情和奋斗，我们的氢技术越来越成熟。我们认为2035年能实现中国氢能源发展的奋斗目标，到2050年的时候希望氢能源产业链能够为国家的“双碳”目标、高质量发展作出贡献。
我们对燃料电池做了规划，希望通过努力，到2050年燃料电池的寿命要超过4万个小时，成本小于300块钱。在3年前做规划的时候，我们在想这个目标是不是提得过大了。但到现在为止，日本丰田公司的产品成本已经降至300块钱，所以我认为通过我们的努力，到2050年是可以实现的。我们还希望把质子膜燃料电池的工作温度，通过技术创新提高到130度，也就是把制氢的纯度降下来。因为通过试验，我们发现工作温度达到130度后，一个九纯度的氢就可以作为原料的一种供应方式，但现在要四个或五个九纯度的氢，成本还是太高。
我们希望固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解槽的系统成本到2050年左右达到1000元。燃煤电厂的制造现在的成本是1500元-1700元，寿命达到10万个小时。如果这样的话，我们今后可以为替代现在的燃煤电厂做好技术的准备，因为现在燃煤电厂的寿命，服务年限是8万个小时，这就可以为我们奠定一个基础。
要做好这些工作，首先要加强顶层设计。现在国家发改委和国家能源局在这方面做了比较好的系统的顶层设计，去年公布了中国2035年的燃料电池和氢能发展规划。其次要建立健全产业政策、安全监督及技术标准体系。关于氢的安全性，现在氢是作为危险化学品来规划的，我们希望氢能向油品的管理机制转化，现在应急管理部联合工信部等有关部门组织专家在做这方面的探索。第三，要加大对氢能基础设施全产业链的补贴政策及金融支持，也需要金融资本的进入，现在也得到了这方面的鼓励，国有资本有序进入，使规模化发展氢产业链得到最有力的保障。最后，我们要建立氢能基础设施关键技术攻关与核心装备自主化的长效机制。
我的汇报到此结束，谢谢大家的聆听！
