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张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

时间:  2021-05-25 16:03   来源:  氢智会    作者:  Summer

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2021年5月21日,长三角氢能科技高峰论坛在上海科学会堂举行。现场来自长三角多个城市,以及北京、山东等地燃料电池行业的政、产、学、研、投等各方面代表100多人,与在线观看直播的十万余(人次)通过氢能基础研究、产业应用规划和技术开发等全产业链协同发展研讨。

会上,上海大学可持续能源研究院院长张久俊院士发表了主题演讲,以下为演讲实录:

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

尊敬的各位领导、各位朋友、各位同仁大家下午好!非常荣幸能够来这样一个高朋满座的(地方)与大家分享关于碳达峰和碳中和氢能安全生产与利用。我讲三个部分:第一是讲讲双碳目标下的氢能发展,第二讲讲氢能的安全利用问题,第三稍微讲讲上海大学在氢能利用发展的研发工作。

一、双碳目标上的氢能发展

什么叫碳中和?碳中和这个概念实际上就是个平衡,就是人类的活动排出的碳与消耗掉的碳达到平衡,二氧化碳向空气中排放。通过哪些方法?我们看它的重要性和紧迫性。2015年《巴黎协定》已经把碳中和的问题提出来,把全球平稳气温上升控制在较工业化前不超过2度之内,尽量控制在1.5度之内,并在2050-2100年实现全球“碳中和”目标,即温室气体的排放与吸收之间的平衡。中国将提高国家自主贡献力度,在2030年前达到峰值就是“碳达峰”,2060年实现“碳中和”,这是中国对全世界的许诺,就是我们不需要到2100年,2060年就要达到碳中和,就体现出大国责任。在这样的大背景下,自从今年以来,“双碳”在中国这块大地上已经非常热。

通过哪些方面可以实现碳中和?第一是通过碳补偿机制,产生碳排放量等同于在其他地方减少的碳排放量,例如通过植树造林、购买再生能源凭证。第二是实现低碳或零碳排放技术,牵涉到风能、太阳能。光伏在前几年走下坡路,最近光伏又开始大力发展这就体现要达到碳中和就要采取使用风能或者太阳能等可持续能源。第三是通过碳交易,这是非常重要的概念,碳交易是什么概念?这个工厂要生产下去必须买这个指标,这样将要产生300万亿的商业机遇。

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

我们为什么要实现碳中和?世界上大概有17亿辆燃油车,每年向大气排放出的二氧化碳大概是400万亿吨,不光排放二氧化碳,还有一氧化碳,二氧化硫,所以对人类造成非常大的威胁,所以我们要使用可持续能源。可持续能源中,最重要的一个就是氢能,因为人类的未来可持续能源的主要就是太阳能、风能、水电能、生物能、地热能,但是这些能与气候有关系,比如今天有太阳发电,明天阴天就发少的电,所以与气候有关,这样就需要发展储能技术,怎么把能源平台化才能进入大电网。所以有一个重要的方向把电转化成电解水产生氢气储存起来。我说太阳能、风能发展再快,假如储能跟不上限制就非常大。未来的能源就是太阳能、风能、水电能,通过电化学的方法制氢,制出的氢气要么就是带动燃料电池驱动我们的汽车,这也是目前燃料电池快速发展的非常重要的方面。

碳中和与氢能发展已成为国际共识。主要是因为低碳清洁和可持续能源的模式已成为国际共识。氢能其中是实现碳中和与碳达峰最关键的因素。可以看看目前全世界氢能发展的势头非常强劲,截至2020年12月份,全球27个主要发达国家中,16个已制定全面的国家氢能战略,还有11个国家正在制定。

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

氢能源利用是未来发展的必然趋势。为什么?世界各国力图通过发展氢能解决未来能源安全问题,并掌握国际能源领域的制高点。国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》预测到2050年,氢能源需求将是目前的10倍。预计到2030年,全球氢能燃料电池乘用车将达到1000万辆-1500万辆,这是保守的估计,我听到一个报告说可能要达到3000万辆。

氢气的挑战。一是氢制备、存储及利用技术不完善;二是氢气价格相对较高;三是氢气在室温下任何压力下不能液化,这对运输和储存带来很大的困难;四是氢气容易泄露(最小的分子,容易穿透很多灌材料);五是低能点火,一个火星就可以使它爆炸;六是氢-空气混合物的燃点范围宽,不是氢到一定量就可以点火,是在17%的时候就可以点火爆炸;另外是脆化金属材料。

氢气最大的优点是因为能量密度高,从比较不同的储能材料可以看到氢气大约是140.4焦耳每公斤,相比锂电池汽油高得多,汽油目前是43,氢气能量密度是汽油的三倍之多,所以能量密度高就是实现产业的基础,具有快速发展的基础,为什么锂电池发展没有这么迅速?就是能量密度目前还达不到需要的续航里程,但是氢气燃料电池很容易达到续航里程。

我们刚才说氢存在的问题,它有它的优势,我列出六个优势。氢能是无污染的清洁能源;二是来源广泛,可以从水电解也可以从化石燃料电解得到;三是燃烧热值或能量密度高;四是利用形式多;五是可储能,尽管在室温下不能变成液体,但是高压储存灌也可以储存;六是相对安全性好,比汽油还是安全的。

氢气主要应用领域在三个方面。一是化工原料,38%用于炼油和煤炭深加工,60%用于合成氨;二是未来最大的(机会)是氢燃料电池汽车;三是小型氢燃料电池分布式发电系统,现在提倡微电网,因为发展氢能源,微电网现在比较时髦的概念,这样分布式发电系统可以满足家庭用热的系统。

氢气的制造方法。包括制氢、储氢、用氢三个主要环节,目前制氢主要是通过化石燃料,有95-96%都是通过天然气的热解或者其他过程,其中只有4%是用电解水。2030年中国的氢产料达到500万吨/年;2060年中国氢产量将达到1亿吨,其中电解水制氢占比将达80%将来的制氢基本上是电解水。这是几个氢气的制造方法,这里罗列出八种方法,电化学发、水煤气转化法、裂解法等等,最重要的最后一个高温制氢,一个就是利用太阳能,太阳能具有很重要的聚焦镜,聚焦到一个非常热的点,1500度,在这种情况下加上催化剂比如铁催化剂,注入水以后可以直接变成氢和氧气,这个方法除了电解水制氢的方法以外也是未来发展的非常重要的方法。

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

氢的生产过程包括碳氢化合物经过高温裂解,第二个方法是电化学水分解,这是未来的技术。电解水制氢有五个方面,主要是四个技术,不详细讲了,这是未来人类面临最大的课题,就是太阳能直接照到催化剂上,生产出分解水,这是未来的重大课题。

二、氢能的安全利用问题

要科学认识氢气危险性,合理制定用氢安全对策。我刚才说一个是氢的物理化学性质决定氢气的安全是有问题的,这里面说的就是泄露与扩散,燃烧爆炸、轻脆的问题。氢气的泄露与扩散约为甲烷的2.83倍,扩散速度非常快,但是也造成了一个好的方向就是燃烧的时候非常快地燃烧掉,并且在空气中是上升的,不是铺开的燃烧,在燃烧的时候比起汽油或者天然气是有优势的。

我们看看氢气的燃烧与爆炸。第一个燃烧速度很快,第二个是燃烧范围宽,点火的范围很宽,第三个是点火能极低,这都是危险因素。

我们看看氢气的爆炸能量是缩小体积的爆炸,这个爆炸能量就很低,大约是汽油爆炸的22分之一,从这个角度考虑它可能比汽油安全。我们看看它的危害,第一个是氢脆,最小的分子可以穿透任何金属容器,造成容器的开裂爆炸等问题。由于时间关系我不详细和大家分享。这是一个雷达图,蓝颜色就是氢气,从这个图可以看到氢气的安全性相对汽油或其他的燃油相对还是安全的。

氢能的运输一是低温液态储氢可以让汽车运输,高温的气态储氢用高压氢气罐,还有一个材料的储氢三种主要方式。

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

氢能安全利用的三个原则:不泄露、早发现、不积累。

这是以日本为例,他们已经制定了《高压气体保安法》,这本书的安全措施比如支持氢能安全技术的研究、高压储氢瓶设计制造与安全检测、高压氢系统设备材料安全性能评价测试、加氢站安全技术措施等一系列措施。

安全性的问题,丰田Mirai大家可能知道,李总到日本参观了这个汽车,这个汽车的氢气灌是有保证的,在这个氢气里面有两个氢气罐,在公共汽车里面有十个这样的氢气罐,保证续航里程在500-700公里。

我们对氢能安全技术标准体系的建设也有计划,加大科技投入;加快修订完善车用氢能安全标准体系;重视构建70MPa涉氢装备制造系统。

氢能汽车在这方面作出的努力,中国在氢能作出的努力是三个方面:发展燃料电池汽车技术,开发燃料电池汽车是新能源汽车的重要技术路线;二是首次将氢能列为能源范畴,以前氢气是危险品,危险品就不可能大规模使用,现在列为氢能能源,就可以大规模使用;三是燃料电池汽车明确纳入消费者补助产品,比如你生产燃料电池汽车,国家给予补助,这样有非常重要。国家和地方政府出台了一系列标准。

氢气罐 这是最好的储氢方法,这是日本用了70个大气压的储气罐,这样一个储气罐可以储存5公斤的氢气,这在汽车上就可以使得汽车跑500-700公里的续航里程,这是氢气罐的照片,为了防止安全问题在氢气罐中有很多设施,防止泄露。这个氢气罐是三层结构,中间是铝合金或者是不锈钢,外面是碳纤维的缠绕,能保证700个大气压不爆炸,即便在碰撞的时候也不爆炸。

燃料电池汽车总体安全性有这几个方面:首先人们对于氢气燃料缺乏认识;二是氢气爆炸是缩小体积的爆炸;三是汽油的爆炸能量是相同体积气体的氢气的22倍;由于氢气密度远低于空气,即使泄露以后是往上走的,比如这个图可以看到汽油爆炸是会燃烧,氢气爆炸像电焊枪一样是往上去的,而且国家已经通过爆炸试验,证明氢能燃料电池比汽油车更安全;最后一个氢燃料电池的碰撞安全性符合国家碰撞安全标准,所以氢能燃料电池发展也有它的安全性基础。

张久俊院士:碳中和背景下的氢能安全生产与利用

三、上海大学在氢能利用方面的研发

我们在做一个是氢能,一个是燃料电池,主要集中在燃料电池的关键部件以及电堆以及设施系统的发展上,这是我们批量制备催化剂和膜电极关键材料和组件的技术储备、具备燃料电池发动机辅助控制系统的集成技术、自主开发了30KW氢燃料电池系统、自主开发了制氢催化和电解水设备。

再回顾一下氢能利用挑战,目前在发展过程中要有清晰地挑战认识到这个问题,它到底存在哪些挑战?第一是氢生产过程成本高,能量效率低,导致高氢能价格;第二是高压和超低温的氢储存过程复杂,耗能高;三是氢气性质限制了其安全性,加大了使用的复杂性及范围;暑运困难,难于普及应用;四是虽然普及氢能应用方兴未艾,但要谨慎过热。有很多注解就不和大家分享了,这是我过去十几年的书籍,大家有兴趣可以看看,是与氢能和燃料电池有关的书。

总结一下。以化石燃料为能源的世界是不可持续的,发展清洁可持续能源以实现碳中和势在必行;以氢气/液氢为主要能源载体的氢能经济是可持续发展的必然;尽管存在很多挑战,但是是未来能源的必然趋势,必须大力发展;目前氢能可以助推可再生能源的发展,解决氢的经济性制备储存及大规模运输是关键;氢能的安全使用不仅要从技术上保障,还要提高大众对于氢能安全性的认识;氢能利用主要是靠燃料电池技术转变成电驱动汽车或者其他设备,主要是靠燃料电池,当然氢能是燃料可以直接烧,也可以直接烧,但是会产生污染,因为是氮气高温下形成氧化氮;氢能燃料电池必然是电动车的终级电源之一,为什么说是之一呢?因为将来的汽车可能有一部分是锂电池或者其他电池,大部分是氢能燃料电池,但是目前燃料电池的发展第一是要降低成本,第二是发展加氢站,这两个大的要素是氢能利用的主要努力方向。

这是上海大学氢能与燃料电池团队的老师和同学,我们也得到科技部与上海市科委的大力支持,一并感谢他们。

感谢大家!
 

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