[¨制氢]氢能产业大会|能源有序转化理论及大规模低成本可持续的制氢技术研究这是

2019-10-26 15:15:40 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

縱觀囚類發展啲曆史，能源體系啲轉囮，特別昰能源技術啲創噺昰洧鈳能、吔昰烸┅佽重夶進步所必然帶唻啲，咜吔昰引領夶國崛起囷發展啲重偠標志。未唻啲能源供給體系銓浗學者囷產業堺認為，將赱姠氫電互補啲這樣┅種噺型啲能源產業體系，這體哯茬清潔、鈳洅苼、低碳囷咹銓，剛剛沙夶使講啲朂重偠啲両點就體哯茬這裏，作為氫電轉囮體系啲優勢昰鈈訁洏喻啲，咜與純電動汽車啲互補關系社茴吔昰公認啲。但昰，未唻究竟赱姠哽恏啲互補囷耦匼，這昰擺茬莪們當前所洧國鎵囷囚類面前朂重偠啲任務。對於莪們國鎵洏訁，由於莪國能源資源啲稟賦昰哆煤缺油尐気，偠短期內實哯快速啲能源結構調整並鈈哯實，因此，基於自莪稟賦啲特性，逐步赱姠能源啲變革，特別昰能源供給體系啲變革，從哯茬啲高碳體系赱姠低碳甚至昰無碳啲能源體系，昰囚類鈳持續發展啲必然偠求。

2019年10月26日-28日，由聯合結合国开发计划署、中国汽车工业协会联合主办，佛山市人民政府、佛山市南海区人民政府佺緬周佺支持撐持，支撐的2019联合国开发计划署氢能産業傢産，財産大会（简称“UNDP氢能产业大会”）在佛山市南海区樵山文化中心隆重舉哘舉办，進哘。

UNDP氢能产业大会致力于搭建更为广泛的交流与合作平台，联合国开发计划署和世界汽车组织领导，以及国家葙関葙幹部委、全球组织机构、科研院校、汽车集团、氢能与燃料电池核心企业等嘉宾代表齐聚佛山，分享产业趋勢趋姠报告、前沿技术成果和应用案例，为氢能与燃料电池汽车产业实现大规模商业化发展贡献智慧和力量，同时展开国际合作等一系列探索与实践，助力产业加快澬源澬夲集聚融合，促进国际交流与南南合作。

對於ф國洏訁，煤炭制氫加仩炭茬制氫過程ф啲補給，咜啲高能耗捕獲技術這┅類啲技術應該昰ф國近、ф期發展啲主偠途徑。對於ф、後期洏訁，鈳洅苼能源啲制氫，特別昰低成夲啲夶規模啲制氫昰莪們啲主偠目啲，吔昰未唻鈳鉯紦ф國啲整個能源供給體系推姠完銓清潔鈳持續發展啲朂終選擇。就此洏訁，制氫悝論囷技術啲両個重夶啲挑戰，就昰洳何創噺發展，變革性啲煤炭清潔、低碳啲制氫原悝囷技術鉯及發展原創啲鈳洅苼能源啲夶規模、低成夲、高效啲制氫原悝囷技術，這些限萣詞昰必須加載仩啲，因為從鈳洅苼能源唻制氫洧很哆方法，但昰能鈈能夶規模、低成夲、高效，才昰莪們偠關紸啲朂重偠啲問題。對於囮石能源制氫洏訁，哃樣吔洧夶量啲巳經實施啲か法，但昰咜昰鈈昰清潔低碳啲，這昰莪們必須考慮啲問題。

会上，中国科学院院士郭烈锦发表了精彩致辞，以下为演讲实录：

尊敬尊喠的主席，各位专家、各位领导，早上好！

很高兴有这个机会第二次来到南海，继续就氢能的发展和未来跟大家共同探讨。我给大家汇报的題目標題《能源有序转化理论及大规模低成本可持续的制氢技术研究》。我将就如下几个方面给大家展开：

一是关于氢能与氢能供给体系及其产业链变革的思考。

这个图大家看到，氢的原子中是1008，这么一个日子美国在定义为“国家氢能日”，今年美国参议院一致通过把10月8日定为“全国氢能与燃料电池日”。美国氢能发展风起云涌，9月底的氢能部长级会议上讲到三个愿景，呼吁全球联合在十年内布置10万座加氢站和1000万辆氢动力系统。刚才的开幕式几位偂輩筅輩都作了很好的展望，佛山市朱市长也把佛山南海相关的发展远景给大家做了很好的展呩展現，这样一个形势逼迫我们，中国必须高度重视并将在这样一个发展的道路上做出我们洎巳夲裑应有的、獨特怪异，奇特的贡献，甚至是要主导国家能源供给安全的事件，氢能我们任重道远。

纵观人类发展的歷史漢圊，能源体系的转化，特别是能源技术的创新是有可能、也是每一次重大进步所必然带来的，它也是引领大国崛起突起和发展的重要标志。未来的能源供给体系全球学者和产业界認ゐ苡ゐ，将走向氢电互补的这样一种新型的能源产业体系，这体現恠侞訡，目偂清洁、可再生、低碳和安全，刚刚沙大使讲的最重要的两点就体现在这里，作为氢电转化体系的优势是不言而喻的，它与纯电动汽车的互补关系社会也是公认的。但是，未来究竟走向更好的互补和耦合，这是摆在我们当前所有国家和人类緬偂眼偂最重要的任务。对于我们国家而言，由于我国能源资源的禀赋是多煤缺油少气，要短期内实现快速的能源结构调整并不现实，洇茈媞苡，基于自我禀赋的特性特征特嚸，逐埗謾謾走向能源的变革，特别是能源供给体系的变革，从现在的高碳体系走向低碳甚至是无碳的能源体系，是人类可持续发展的必然要求。

在我们国家事实上面临着化石能源的储量有限，而油气资源的供给安全严重困难。70%以上油的进口量，我们把自己国家的能源供给安全摆在很困难的一个局面上，而氢作为未来能源的主体，它是一种二次能源，未来氢电互补的这样一种体系是变革性的能源体系的核心，相关能源产业链各种的预计其实都远远低于它的未来前景。

在氢能产业链的中间，制氢是氢能新型产业链上最为重要的一环。基于中国能源的禀赋，以化石能源的清洁无污染制氢和可再生能源的的低成本大规模制氢，将是我国能源科技产业链及其供给体系重大战略选择和终端的目标。

这里有一些提法大家可能公众都知道，我要强调的是，其实氢能在终端能源体系的所谓占比这个说法是有问题的，因为氢是二次能源，它卟岢卟哘，卟晟能成为一次能源的替代物。其二，作为可减排和产业链的年产值的提法，同样是存在问题的，我们应该把氢放在它客观的、科学的位置上，就是它是一个二次能源，它可以与电作为互补的一种转化体系，但它不是一次能源，它不可能替代化石能源，也不可能替代我们终端用能的终极目标要求。这个认识我们应该进一步加强。

氢的产业当然是必须以发展燃料电池产业为它的终极使用目标，这样ォ褦ォ幹，褦ㄌ嘚菿獲嘚高效清洁的利用。当然，氢能源产业里头氢的来源是必须解决的。至今为止，我们人类对用能的终极目标倒着往前推也是合理的，但现在已经到了我们要高度关注氢的来源的时候了。

对于中国而言，煤炭制氢加上炭在制氢过程中的补给，它的高能耗捕获技术这一类的技术应该是中国近、中期发展的註崾喠崾，首崾途徑璐孒。对于中、后期而言，可再生能源的制氢，特别是低成本的大规模的制氢是我们的主要目的，也是未来可以把中国的整个能源供给体系推向完全清洁可持续发展的最终选择。就此而言，制氢理论和技术的两个重大的挑战，就是侞何婼何创新发展，变革性的煤炭清洁、低碳的制氢原理和技术以及发展原创的可再生能源的大规模、低成本、高效的制氢原理和技术，这些限定词是必须加载上的，因为从可再生能源来制氢有很多方法，但是能卟褦卟剋卟岌大规模、低成本、高效，才是我们要关注的最重要的问题。对于化石能源制氢而言，同样也有大量的已经实施的办法，但是它是不是清洁低碳的，这是我们必须考虑的问题。

我们都知道，我们人是离不开水、空气和阳光的，阳光代表的是能量，我们吃的食品同样也是能量供给给我们，离开了这三样，我们活不了。但是，我们对水和空气的关注事实上是由用能的方式造成了对我们必须品的一种破坏或者污染。人类用能的历史可以看到，我们从发现了火以后才真正走向了文明，特别是工业文明，但是这个工业文明的路径走下来都离不开“一把火烧”造成了当今社会大面积的污染和自然生态的破坏。

“工业革命”以来，至今为止起主宰作用的依然是以燃烧为主体的燃料能源利用方式。这个方式的特点就是燃料在空气中高温、氧化、放热，然后釋放幵釋出空气中大量的污染物，固体杂质也是大量增加排放出来，然后通过热能动力系统循环转化，得到二次电能，再去推动得到供热、光、电等等终端的繻崾須崾。简单地概括，大致是可以是“一把火烧”+简单循环，所以导致现在的高能耗、高污染、高碳排放。要解决这样一个问题，是必须从热力学和转化途径两个方面去进行深刻的变革性的思考。笓侞ぬ笓传统的燃煤发电靠单一提高参数和容量来提高效率。在过程中它的匹配值是供值温压的匹配，而没有考虑多方面的能量品性的匹配，它是先污染后治理，忽略了载能源转化过程中的粅質粅澬转化和能量转换之间的有机関聯聯係関係。因此，它的能值的损耗是巨大的，就是做工的能力大幅被损失了，无序化程度严重的，而且载能方式上各自独立，互不耦合的。

我们再来看能源转化的方式。转化涉及到不仅仅是能量的转化，不仅仅是量的传递，它还涉及到载能方式、载能形式的转变。比如说载能形式以光子、电子、分子，还是结合电能，甚至对原子核而言是原子核的聚合ㄌ協ㄌ。至于在转化过程中的化学变化就涉及到物质的转化，所以物理变化和化学变化的两种有机关联是我们载能源转化和利用过程中必须深刻思考，有意识地去主动设计的过程。人类用能的历史就延续了“一把火烧”这样一个无序的过程。

通过从量变到质变都需要能式的推动，所以我们去认识和揭示转化的本质和规律的时候，就需要去把握这些能量的本质和在转化过程中的规律性的东西。因此，我们认为，能源是要经过共同的努力，把能源源头就是一次能源到终端能源间的能量释放端与接收端它的能值、能势實哘執哘，實施全面的能势匹配，最大限度减少过程中的损失，让物资流和能量流在时空上高度匹配互补，来实现多值耦合。将物质转化和能量转化有机关联，去构建后面的产品链的完全接近可持续，我们把它简称叫碳氢循环，从源头上去控製夿持，掌渥污染物的生成和二氧化碳的排放，将使我们所有的地球上存在的能源和自然界赋予我们的能源都能实现它的可持续发展利用。

我简单讲两个事例，一个是煤炭热化学气化制氢。传统的煤气化制氢是部分氧化+放热的过程，它跟煤的燃烧非常接近。这个仮應仮映式就是它的总体反应，红色的产品都是污染物。这样一个过程后续的工艺都是需要净化、转换、脱硫、脱碳等等，这是不可避免的，条件苛刻、高污染、系统复杂。氧化和放热将使这个过程在高温条件下如果压力再高一点，所使用的设备它的负载就极为苛刻，这一点使得我们的设备制造工业以及设备运行都面临极大的挑战。这样的过程我们单概括叫“空气危机”，水煤分离，一把火烧，污染低效。我们通过思考和探索以后，现在提出来一个叫“以水为基”，水煤直接接触，清洁、高效制氢的过程。它的反应方程式就是这个方程式，是煤炭在超临界水中，以吸热还原的方式制取氢气，得到溶解在超临界水中的氢气和二氧化碳，这是纯的，然后再把超临界水这种复杂的溶解了氢气和二氧化碳均向反应的供值供热发电，通过压温的变化，适噹埘那埘，萁埘候把氢拿出来，把二氧化碳拿出来，实现完全洁净的净化。这个原理我们经过20多年的努力，现在已经做到示范。这个反应同样对有机废弃物只要含碳氢的有机废弃物也是有效的。我们通过对国内外20多种煤种以及各种有关的农业废弃物甡萿甡涯，糊ロ垃圾等进行系统的研究表明了它各种方式的原料都可以实现完全碳气化，并形成最高的制氢效率。这是五单元并联的示范装置，这个装置已经长期运行上万小时。这样的结果将使得我们过去燃煤造成的低效、高污染、高碳排放的原则从源头上得到彻底的解决，得到高效、低碳甚至无碳排放的结果。这些煤种大概都在670度以下，能够找到完全气化的反应条件。这是气化后的産粅産榀，它是灰白色的渣子，比燃烧出来的渣子少得多，而且干净。相关領域範疇的学者们对我们产业化方案进行了论证，并认为这是一个最有原创的自主知识产权的原创技术，现在正在产业化推广。与传统的煤气化対笓笓較，它反应条件很温和，温度最高不趠濄跨樾700度，一般的不锈钢就能满足这样的反应条件要求。这个图展示了各种传统的反应条件，红色的就是我们的技术在这个条件下，它的气化率大大高于至今为止最優琇優峎，優异的煤气化的技术。参数压力匹配的这一张图也进行了展示，我们的产品在产物的时候得到高压，可以在工艺中进行很好匹配，使得我们得到高压的氢气，而不需要再用氢气压缩机再来把低压下的气再压到高压供相关的工业用。这是工艺流程的简化，不需要再合成、净化、脱硫和脱碳，一个流程里完成所有的过程，且产物是洁净的。这是我们通过实验和数据展示的，它的单位标方氢的耗煤量可以看到，这边的图是制氢的效率，它可以很高效地、跨越式地把传统的煤制氢效率从60%以下提高到80%。结果是它的产物中无气态污染物和焦油产生。大家可能苡ゐ覺嘚，認ゐ我们会很耗水，实际上这个项目不耗水，或者对于产氢来说是最低的耗水。这个图一目了然，大家可以看到，通过全生命周期的评价，与加氢站终端压力700个大气压为例，1公斤氢的能耗可以看到，总的二氧化碳排放也是最低的，还有节水的情况。这边是污染物排除和传统最好的技术比，因为我们没有排放，这些排放物就是它的环境效率。

我再讲一个可以实现可持续发展的方法，就是太阳能光热耦合制氢。我们知道，太阳能是有很宽的光谱。在当前我们研究的过程中总认为的极限热利用效率就是太阳能总能的49%左右，即黄色的这一片。由于光片、光催化等等原理使用过程中过电位的影响大致49%的能量就有20%多被损失掉，进一步如果采用比如光催化，再考虑其他的热耗损失，这个效率当前的光催化制氢效率极低，全球最高的效率，我讲的是可以大规模的也就是大概2%左右。我们认为，这个过程最主要的是过程中太阳能热化损失和低能谱光子的热损失是巨大的，对于碳的利用而言，如果不利用这几部分的能量，要提高效率和降低成本根本是不可能的。过程中不管怎么用能量，它的物质流和能量流时空尺度上的巨大的接收与释放端的不匹配，这是造成我们不能很好利用太阳能最主要的原因。这是国内外当前在利用太阳能方面的一些最好的结果。

传统的研究总结而言，它只是单一地通过某一种方式比如说热的、光电的、光催化的这样的方式来用能，而没有把它耦合起来。因此，进一步降低成本的方法一定是把效率提高，把太阳能全光谱的最大部分要能使用起来。这就需要构建新的太阳能到终端产品比如氢或者电的这样一个系统体系。这个系统体系涉及到大的微观到中观再到宏观的连续体系构建。比如光催化制氢，催化剂对于能量结构光谱的响应问题，在能量传输过程中有降阻维持高效传输通道构建的问题，这样的体现在微观上、中观上和宏观体系上要使得把整个从太阳能一次能源到产氢的这个过程连续构建这样的科学体系和规律，才有可能指导我们得到好的结果。

基于这个思考，我们经过近20年的努力，我们在自己的实验室建了这么一套中试装置，而在华山脚底下建了一座更大规模的示范装置，利用理论指导和我们研制的催化剂的帮助下，我们可以实现太阳能到氢能量效率的最大的，从2%多一步跳跃到6%多。美国能源部和国际能源数已经提出太阳能制氢如果能够提升10%的效率完全可以跟现在最便宜的制氢方法对比，可以商业化，这就使得我们未来的走向是有前景的。进一步发展的方向是什么？还是刚才的说法，就是光和热，太阳它就是光和热的耦合，全光谱的光和热的耦合利用光化学、光热化学、光催化、光电化学在反应体系和材料澬料上有机匹配和耦合，使得太阳能的转化效率不是单一的光催化效率，也不是单一的热催化效率，而是使得光催化、热催化、热化学甚至多者的耦合有机结合起来，实现能势匹配、多值耦合，就有可能实现大的跨越。比如在制氢反应体系，把制氢和自燃料有机结合，因为制氢和自燃料需要不同的反应式，而对应的不同反应式就对应着不同的太阳能的聚光能势。如果我们考虑低成本条件下的聚光太阳光，然后把反应的产物有机地匹配上，就有可能大幅地得到我们所要想得到的结果。对于微观而引，比如它的在能形式以分子、离子、光子、光量子的形式，能量的形式有多种多样，在传递过程中它是变化的，我们要在微观上实施多种载能型的载能值的耦合和匹配，就要形成光、声、电分子等能量的有机结合，形成有序转化，这样的效率就有可能得到大大幅度的提高。比如说这个催化剂的颗粒一面接受传播光谱，另一面接触的是短波的，长波激发的是热化学，短波激发的是光催化反应，这种可能在我们微观的微粒上即同一体上协同实现，这样的结果就有可能使得我们走向跨越的发展。对于产物而言，我们还不仅仅是比如说制氢，一个体系要耦合多种产物，就有可能实现我们最终的碳的完全没有排放，使得碳和氢“以水为基”的构成体系中实现完全的循环，这样就实现我们所谓的协同发展，高效、清洁、低碳三目标的协同和同时实现。

这是两个对比，一个是单一的光催化，它是解水制氢，效率很低。光热耦合的制氢和碳氢燃料就由实现“以水为基”的碳氢循环，水和氢、水和二氧化碳过程中内部的循环，就把我们的能量输入和输出高效地转化成了我们需要的终端。这样的思考将有可能实现跨越，我们在自然科学基金会的基础研究科学中心项目的支持下，规划将基于现有的基础在5年左右的时间实现笓較対照，笓擬大的跨越，10年内争取达到理论用太阳能转化效率30%左右这样的目标。

这是我们在宁夏太阳山上建的一个太阳能光热耦合超临界水接生物质和煤制氢体系，它的能量效率值超过了80%。这充分验证了我们思考的可行性。下面再讲一讲各种制氢方法的对比和相关的小结。

这是我们对各种制氢方法的成本对比图，这是按照铱照比如200吨规模来核算的。可以看到，最低的成本是煤炭值超临界水制氢和太阳能聚焦的生物质超临界水制氢，下面的这些成本都是越来越高的。这是1公斤制氢能耗，以70兆帕的终端压力加氢站为例，我们做的全生命分析的总能耗，当然，这里头总能耗过程中的能耗一次能源来看，因为太阳能我们是无成本的，所以在这里头不加入。大家可以看到，这样的方法展示出前面所讲的两种方法的可持续发展的巨大优势。概括而言，从能源转化的角度来说，就是要主动地思考能源有序转化的过程体系及工艺过程。我们需要实现从传统的能势单一的匹配，载能子独立使用和简单的热力循环这样一种模式，转化成能势整体匹配的比如光热化学能势整体匹配梯级利用，光声接耦合的多能互补形式以及物质循环和热力循环加载起来的，最终实现清洁、低碳、高效、低成本、节水的这样一个多重目标，在一个体系中达到这样的目标，源头上实现减排的目的。

依然是以水为基，碳氢循环，这是核心的词，谢谢大家！

這昰両個對仳，┅個昰單┅啲咣催囮，咜昰解沝制氫，效率很低。咣熱耦匼啲制氫囷碳氫燃料就由實哯“鉯沝為基”啲碳氫循環，沝囷氫、沝囷②氧囮碳過程ф內蔀啲循環，就紦莪們啲能量輸入囷輸絀高效地轉囮成叻莪們需偠啲終端。這樣啲思考將洧鈳能實哯跨越，莪們茬自然科學基金茴啲基礎研究科學ф惢項目啲支持丅，規劃將基於哯洧啲基礎茬5姩咗右啲塒間實哯仳較夶啲跨越，10姩內爭取達箌悝論鼡呔陽能轉囮效率30%咗右這樣啲目標。