碳中和視野下的氫電與氫能“遠望”

毫無疑問，中國提出的2030年碳達峰和2060年碳中和目標，將深度影響未來幾年的新能源汽車和能源產業的變革。

這其中，氫燃料電池和氫能將會扮演關鍵角色。

全國政協副主席萬鋼在近日舉行的2021中國電動汽車百人會上表示，從能源的角度來看，要實現碳中和、碳達峰目標，需要更多地發展可再生能源。其中，氫氣具有來源多樣化、驅動高效率、執行零排放等特徵。

而燃料電池則可以廣泛地應用於交通、建築、工業和更高效的儲能領域，可推動汽車產業碳達峰、碳中和的目標的如期達成。

中國科學院院士歐陽明高認為，新一代車用動力電池和氫燃料電池等電化學能源系統的產業化是汽車動力百年來的歷史性突破。只有實現新能源汽車大規模發展才能實現新能源革命，只有實現新能源革命才能實現中國碳中和目標。

針對國內氫燃料電池汽車的發展趨勢、能源低碳化下的氫能製備、儲能視野下的氫能機會，歐陽明高做了具體的闡釋和介紹。

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中國燃料電池產業走向：十年內成本下降80%以上

經過長期的艱苦努力，中國車用燃料電池技術近年來取得產業化突破。氫燃料電池技術比鋰離子電池技術研究的還要早，經過20年的研究，經歷了一些曲折，但近年來取得重大突破。

資料統計顯示，現在的效能跟五年前相比，所有主要的效能指標都有大幅的提升，比如核心指標燃料電池壽命提升了300%。國產燃料電池零部件的產業鏈已經建立，系統整合能力大幅增強，頭部企業正在形成。

下一步的重點是要使燃料電池系統成本十年內下降80%以上。

過去十年鋰電池就是如此，燃料電池滯後了十年。系統成本要從2020年的5000元/千瓦下降到2030年的600元/千瓦。

2020年下半年以來，行業價格戰已經開打，但目前看存在非理性因素，而從長期看，燃料電池價格下降應該是完全可以達到預期。

燃料電池汽車不僅需要燃料電池系統成本降低，還有很重要的是車載儲氫的成本，這個成本預計會比燃料電池下降速度而言會相對慢一些。

現在國內已經投產塑膠內膽碳纖維纏繞的700大氣壓車載高壓儲氫瓶。由於剛開始生產，目前成本很高。預計到2025年儲一公斤氫的氫瓶成本3000元。主要材料成本來自碳纖維，現在中石化已經建立了大型的高強度碳纖維工廠來解決這個問題。

往前看氫能燃料電池的技術路線圖，2025年目標是推廣5-10萬氫燃料電池車；2030-2035年實現80-100萬輛應用規模，這都是以商用車為主體。

在這個情況下，氫需求量到2030年大概三百萬噸左右，這個可能比預期的低。這還是按商用車為主體預測的，如果主要是轎車，只需要幾十萬噸就能滿足。

在加氫站環節，數量可能比想象的要多。因為加氫效率比加天然氣要低，氫是最輕的一種氣體，只是天然氣密度的1/8。

當前氫燃料電池汽車發展還面臨一些挑戰，比如說氫燃料產業鏈自主化程度與技術水平和燃料電池還有差距，電解綠氫技術、氫儲運技術、氫安全技術還需要改進提升，氫燃料的成本總體偏高，這是今後5-10年必須努力解決的。

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能源低碳化視野下的氫能製備與應用

可再生能源只有兩個載體，電和氫能。

面向碳中和前景，氫能汽車只是氫能利用的一部分，或者說是先導部分，氫能不僅僅是為了汽車，發展氫能汽車使命之一就是為了帶動氫能全面發展。

因為交通行業對氫價格的容忍度最好，以後還有鍊鋼、化工，發電，大型燃氣輪發電機組也是要用氫。

氫能目前主要透過電解水製得。電解水制氫和氫燃料電池恰巧是一個逆過程。氫和氧結合生成水，發出電，但是有電和水就可以產生氫氣和氧氣，所以把燃料電池成本降下來也可以帶動把制氫成本降下來，這是一個問題的兩個方面。

現在主要有三種燃料電池，也就有三種主要制氫方式。鹼性燃料電池對應鹼性電解、質子交換膜燃料電池對應質子膜電解，固體氧化燃料電池對應固體氧化物電解，它們技術成熟度各不相同。

現在成熟的、中國有價格優勢的是鹼性電解技術，正在進行商業化的是質子交換膜電解技術，5-10年後質子交換膜電解技術會大規模發展起來。

正在發展的未來一代是固體氧化物電解技術，因為它的效率極高。可再生能源制氫成本和可再生能源電價密切相關。目前在張家口風電制氫電價0.15元/度，氫的電耗成本為7元/kg。

此外還有很多氫的載體，比如說液氨，做尿素的氨，它的質量儲氫比可以達到17.8%，體積儲氫密度更高，100升可以做到12公斤，比液氫要高一倍以上，液氫大概100升能夠到6公斤。

所以國際上也有所謂的氨經濟、氮迴圈等很多新的概念。氨可直接用於化肥和塑膠橡膠等產品和發電，分解出氫後又可以用於更多方面。制氨的過程是先電制氫，然後再捕捉空氣中的氮，氮和氫結合生成氨，可以用傳統的工業催化合成氨，現在正在發展電催化合成氨新技術。

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儲能視角下的氫能機會

從儲能的功率和儲存的時間看，電池是中小功率短週期儲存。它與分散式光伏匹配還可以，但對有些大規模風電廠就不一定合適了。比如這個月有風、下月沒風等場景，這時主要要靠氫。

氫是大規模長週期儲存，所以電池和氫能這兩種儲能必須組合才能構成一個總的儲能系統。

氫能是集中式可再生能源大規模、長週期儲存的最佳途徑。理由是：

第一，能源利用的充分性。氫能大容量、長週期儲能模式對可再生電力的利用更充分。有些電力電池儲不了，比方說四川的季節性水電，只有氫能儲得了。所以說制氫的電價比充電的電價便宜是有可能的。

第二，規模儲能的經濟性氫能比電池好，車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個數量級。

第三，與電網基礎發電電源的互補性。氫能可作為大容量、長週期、高功率靈活能源使用，如用於燃料電池發電，或者用於大型氫燃氣機發電。大電網不可能全是風電、光伏。德國能源轉型早，可再生能源比例高，由於當時儲能技術不成熟，只能保留大部分傳統發電機組作為靈活能源用於調節和穩定電網，實施的是雙保險措施，導致電價很貴。現在靠儲能可以把傳統機組規模降下來，但是不可能降的很低，必須要有基礎電源，這時氫可以發揮重大作用。

第四，氫的制、儲、運方式靈活。我國的大規模集中式可再生能源基地在新疆、內蒙、寧夏等西部偏遠地區，這些地方的氫能需要千公里以上長途輸運。同時綠氫的輸送通道和特高壓電輸送通道是重合的，發揮超高壓輸電的中國優勢，開展長途輸電當地制氫也是一種選擇。

這兩類方式從儲能角度沒什麼太大差別，關鍵是誰的經濟性更好。初步分析比較發現，長途輸電當地制氫方案總體看是有一定優勢的。

按電力專家介紹的特高壓千公里輸電成本為8分錢/度電為基準計算，當可再生能源發電在0.1元/千瓦時左右時，可以大致實現加氫槍出口價格30元/kg左右的目標，與柴油比具有價格競爭力。

這樣一來就形成一種中國特色的長途輸氫方案，而且利用了我國的能源網際網路優勢。

展望一下未來十年交通智慧能源生態的建設，大概有兩個組合。一個黃金組合，就是分散式光伏+電池+電動汽車+物聯網+區塊鏈；還有一個白銀組合，集中式的遠距離的風電與光伏+氫能儲能及發電+燃料電池汽車+物聯網+區塊鏈。

一個是分散式的智慧能源，一個集中式智慧能源，兩者結合，共同構成面向碳中和的未來智慧能源大系統。