郭烈锦(中国科学院院士、Xi交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任)
氢电池汽车的春天来了。
11月2日，中共中央、国务院发布的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确提出，推进氢燃料电池汽车示范应用，有序推进清洁能源汽车。
2020年10月，国务院办公厅发布的《关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知》将燃料电池汽车(主要是加氢)列为“三纵三横”研发之一；中国的三维布局。
在省级层面，越来越多的地方政府也在鼓励和支持氢燃料电池汽车的发展。例如，今年10月25日，上海市发改委、市财政局等六部门联合发布的《关于支持本市燃料电池汽车产业发展若干政策》提出：
到2025年底，上海市财政将按133.36万1的比例贡献国家燃料电池汽车示范中央财政奖励资金，重点支持汽车示范应用、关键核心技术产业化、人才引进和队伍建设。
随着二氧化碳排放峰值和碳中和理念的实现逐渐深入人心，以氢气为能源的燃料电池汽车在市场上引人注目。根据韩国市场研究院SNE研究院10月底发布的数据，2021年1-8月，氢燃料电池汽车(FCEV)全球注册销量为1.12万辆，同比增长91.7%。
几天前，在苏格兰格拉斯哥举行的全球气候变化大会第二十六届缔约方大会上，如何脱碳几乎成了最重要的话题。COP26还以“到本世纪中叶，确保全球净零排放，温度控制在1.5以内”为目标。
我国研制的第一台大功率清洁能源发电车使用氢能。新京报记者李摄
氢能作为一种高热值、零污染的能源，将在促进全球经济脱碳方面发挥不可或缺的作用，尤其是在工业和交通领域。
中国科学院院士、Xi交通大学动力工程多相流国家重点实验室主任郭烈锦对新景智库表示，未来氢能将比目前国内舆论场所描绘的情况发挥更重要的作用，将大大超越目前主流观点的认知局限。对于终端能源用户来说，除了像电一样是清洁无污染的二次能源外，氢是一种具有直接储存优势的高能(含能材料)，而电是一种过程能源，不能直接储存。在未来可持续发展的能源供应体系中，氢能将成为与电并重的主要二次能源。
在“碳中和”的全球目标背景下，我们应该如何正确认识氢能，如何尽快增加氢气产量，一场新能源革命如何才能成为现实？新景智库为此采访了郭烈锦院士。主要从事能源动力多相流和氢能科技研究，是科技部973计划“太阳能规模制氢”两大项目和“煤炭清洁高效利用与节能新技术”领域首批重点专项的首席科学家。
人们对氢的认识不够深，不够广
新京智库：你认为氢能对于实现我国的能源转型，实现碳达峰、碳中和目标能发挥多大作用？
郭烈锦:就我个人而言，我认为氢在能源转化中的作用将比目前大多数人想象的要大。目前很多人对氢能的认知主要局限于氢燃料电池汽车，即交通领域使用的动力能源。氢气在替代汽油、柴油和其他燃料方面发挥着作用。
事实上，在未来实现碳中和目标的清洁、无污染、可持续的能源供应体系中，氢气的作用不仅可以替代传统交通和移动电源中使用的油气，还可以替代一些工业和民生中使用的传统能源。
米其林氢能赛车原型车在上海完成通关放行(9月27日摄)。图/新华社
在未来的零排放社会，氢和电应该共存
新京智库：这个是与我们的制氢能力有关吗？有数据显示，全球一年的氢气产量才7500万吨，还不足全球原油产量的2%。:是的。到目前为止，我们受到一次能源到二次能源转换技术的限制，也受到我们观念的限制。——人类还没有大规模转移到使用氢气作为能源，尤其是使用氢气作为主要的二次能源。
众所周知，一次能源是指直接给予人类的自然资源，如石油、天然气、煤炭、太阳能、风能等。当我们谈论能量转化的时候，它的本质并不是一次能源能做出多少转化和改变，一次能源在自然界应该是多少或者多少，这是我们人类无法改变的。如何利用好一次能源是转型的关键。
也就是说，其实我们要“改造”的是从一次能源生产到二次能源，甚至实现终端需求的过程的方式和方法。到目前为止，我们使用的能源已经从一次能源转换为二次能源或终端能源。
的技术在生产过程中都有污染物、温室气体等排放。其实，无论化石能源和可再生能源都可以用来发电和制氢，而当下正使用的制氢和发电都是有污染物和温室气体排放的方法。
新京智库：为什么说电解水制氢过程也有污染？
郭烈锦：首先，所用的电是从哪里来的？我们的电力目前主要来自于煤炭发电，即便是太阳能发电、风电和水电等，从全生命周期来看，如发电机组的材料、元器件、设备等生产和制造过程不但耗能、而且也都存在污染物排放。而且，当下的电解水制氢，实际上不是分解的纯水，而是分解的电解液，这些电解液在制备过程中不同样耗能？都有污染物排放，只是多少的问题。
也就是说，我们在用一次能源转化成二次能源的过程中，人类应该选择更好的方式方法，要发展和使用没有污染物和温室气体（如二氧化碳、甲烷等）排放的技术。从这个角度来说，关于碳达峰、碳中和对于降低全球温室效应而言，这个“碳”字用得并不准确。
“煤制氢”实质并不是用煤来制氢
新京智库：也就是说，不管用什么方式制氢都会有排放？我们现在所能做的就是如何更有效地减少排放？
郭烈锦：是这样的，用传统的方法都会有排放，但变革性的方法可以做到没有排放。通常俗称的煤制氢其实不是用煤来制氢，其主体还是用水来制氢，煤的作用其实只是用其热能去驱动水汽变换反应实现分解水制氢。当前已工业化使用的煤制氢、煤制油技术其实都要消耗大量的水，所以这个名字也误导了公众。
新京智库：有数据显示，制1吨氢要耗12吨水。真实的情况是什么样？
郭烈锦：理论上，生产一吨氢气消耗多少水从反应方程式很容易算出。但现实中，制氢过程中所耗的水比这个数高得多，有很多水在过程中被浪费了。因为当前煤制氢的工艺太复杂，除了生成氢气所用的那部分做原料的水外，大量干净的水是被主反应以外的辅助工艺过程消耗掉或变成污染的水了，而且还增加能耗。
新京智库：为什么用煤发电或者煤制氢就一定会排放污染物？
郭烈锦：并不是用煤发电和制氢就一定会排放污染物，而是目前人类大规模采用的燃煤发电和常规煤制氢方法一定会排放污染物。因为虽然煤炭（以及石油、天然气）主要是碳氢化合物，但煤炭中还有灰分如钙、镁、铝硅等各种金属或无机元素的氧化物、盐类化合物成分。这种不纯的物质放到锅炉或汽化炉炉膛内去燃烧或部分氧化气化，空气的成分不纯，其所含硫、氮等燃烧后就成了污染物——从烟囱排放的是气体污染物，湿法脱硫、脱硝等还会排放液体污染物，还有固态炉渣。
新京智库：所以我们不能选择煤制氢？
郭烈锦：不是不能选择煤制氢，而是不能用传统或常规的方法去煤制氢。要实现清洁无污染可持续发展，需要尽量用更少的水，同时让能量转化效率尽可能地高，尽量不要有污染物排放，即便做不到零排放也要尽量少排放。
新京智库：那有什么技术能避免这个过程的污染排放吗？
郭烈锦：有。比如“水蒸煤技术”，其全称叫“煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术”（编者注：该技术于2018年2月在西安作为示范项目正式启动），它可以让制氢、发电、供热和产高纯二氧化碳的多联产一体化一次完成。这是我们实验室1997年以来启动的一项研究的成果，当时就想怎么革传统锅炉的“命”，从而使得煤炭可以更干净、高效的转化生产出电和氢。
我们发现：利用水在超临界状态（温度和压力达到或超过临界点374.30Ｃ/22.1MPa）下一系列独特的物理化学性质，可以实现煤的完全无污染、无二氧化碳排放的洁净、高效转化利用。而且，还可以最大程度地节约用水，对发电而言它不耗水。
解水制氢最大挑战是成本太高
新京智库：所以将来制氢还是需要探索出一些其他的方法。比如海上制氢，因为海上既有水，也有风能、太阳能。海上制氢是不是获取氢气的最佳选择？
风力发电。图/新京报资料图
郭烈锦：氢主要是从水里来，所以也可以从海水中来。太阳能直接分解海水制氢，我们也一直在研究，已经做了一二十年。未来，如果成本、大规模化都不成问题了，能满足商业化需求时，当然也就能成为主要的技术选择之一。
其实，分解水制氢，不管是用电解、热解还是光解，都是输入能量用以将水分子的氢氧结合键打断，生成氢气和氧气。所以海上电解水制氢，如果有现成的光伏或风力发电装机，不妨鼓励加装电解水制氢装置，将这部分电能转化成氢能的形式存储起来。但如果需要新建机组，则有多种技术路线可以选择，要做全面的技术经济性分析。比如用太阳能，用太阳光直接分解水制氢也是一条途径，它比先发电再电解海水制氢少一个过程。多一个过程就多一个耗能的环节，投资和成本也会增大。
目前，电解水制氢的效率在实验室做得最高的大约80%，商业光伏发电的效率也就20%左右，如果是光伏发电再来电解水制氢，效率就更低了。
新京智库：所以，这也是为什么现在电解水制氢量很低的缘故？
郭烈锦：是的。目前还是投资和成本太高，承受不了。
新京智库：那可再生能源电（光）解水制氢与“煤制氢”的成本相差到底有多大？
郭烈锦：简单报个数据你就知道了，如果是电解水制氢，制一标立方的氢气大约消耗4度电，技术不好耗到约5度电。这成本就要看用在哪里，什么季节发的电。如果是在广东、江浙一带，一度电1-2元，就根本划不来。传统已成熟的煤制氢，一标立方的氢成本大约是七八毛钱，即便高时也在一元钱以内（折算为电是1度左右）。
但在有的地方，比如三北地区（指东北、华北北部和西北）风、光、水力发电的电都发出来了却用不完，自然应该鼓励加装电解水制氢装置，当然前提是当地也得有水，没水也不行。
新京智库：但那些地方正好缺水。
郭烈锦：对，自然环境也对于发展制氢和氢能产业有很大的制约。所以要根据自然资源环境条件来选择技术路线，不要硬性推广什么电解水制氢。
新京智库：你认为我国什么时候能够实现氢占主导的局面？
郭烈锦：我当然希望越快越好，但是事实上受到很多因素的影响，比如对氢能的全面准确认识、如何看待对传统产业可能造成的挑战等等。
新京智库：这个局面好像也不只是中国这样吧？
郭烈锦：不完全这样，比如日本、韩国，本来就是能源短缺国家，能源主要靠进口，与其买燃烧有污染的化石燃料，不如买无污染的清洁氢能，因此全社会往氢能转型的积极性就很高，发展动力大，现在的技术储备也非常好。这也是为什么日本、韩国都把重点放在氢燃料电池汽车及家用燃料电池技术攻关和产业化及其推广上了（编者注：有研究论文显示，日本在氢能和燃料电池领域拥有的优先权专利占全球的50%以上，并在多个关键技术方面处于绝对领先地位）。日本人在30年前就开始研发太阳能直接制氢，电解水制氢技术也有，但并没有作为最主要的技术。日本的能源发展规划中也从过去的买煤炭、石油、天然气等向直接购买氢能转变。
氢燃料电池汽车成本会降下来
新京智库：我国氢气主要应用于工业（尤其化工）、交通、建筑和电力等主要领域，你认为在哪个领域用氢气替换现有的能源将实现更大的碳减排效应？
郭烈锦：迄今为止，我国还停留在只是把氢作为原料，而非能源来用。所以要说目前氢能在碳减排上有什么效益，现在是还没效益。只有把氢作为能源来用，去替代交通工具、移动动力上所消耗的化石燃料，去替代传统电力、化工、冶金、材料和建筑等规模工业和民生产业中所使用的化石能源，才能产生有真正价值和规模的碳减排效应。
新京智库：现在的问题是，氢燃料电池汽车商业规模的体量非常小。你认为主要原因是什么？
郭烈锦：原因还是成本太高。比如目前的电动汽车，尽管存在这样那样的问题，但由于实现大规模生产后，目前其成本比氢燃料电池汽车还低，所以市场接受度还是更高。但随着氢燃料电池技术的进步，大规模生产的实现，成本肯定会大幅度降下来。
这是我国自主研发的首台氢燃料混合动力机车。新华社记者 曹阳 摄
这个成本包括生产制造氢燃料电池汽车本身的成本和制氢的成本。还有一个受限因素是，氢作为能源的基础设施还没有建起来。这个问题应该很快将得到解决，国家正在大力推动建设氢能及燃料电池产业示范城市群（编者注：2020年9月，财政部、工信部等五部委下发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》明确，对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励，形成布局合理、各有侧重、协同推进的燃料电池汽车发展新模式。此后，京津冀、长三角等多省市宣布成为该项目示范城市。）
新京智库：今年国内外的氢燃料电池汽车市场表现都不错，前8个月全球销量超过去年全年。这是不是个好现象？
郭烈锦：当然是好现象，以后年年都会有增长，我相信，“未来人类用能模式一定是由氢和电作为同等重要的二次能源主体来构成”。这是人类未来发展的基本前景。这个不用怀疑，只是时间早晚的问题。
新京智库：但是国内氢燃料电池汽车还是有很多短板。你最想对我国的燃料电池汽车产业发展说点什么？
郭烈锦：其实，一二十年前我们国家就有发展氢能及燃料电池汽车等技术的机会，但错过了。目前我们国家在氢能和燃料电池的产业链技术上，尤其是核心技术上，与先进国家相比确实还有很大差距，比如燃料电池汽车的八大核心关键技术、氢泵及压缩机、加氢喷枪、高压阀门、涉氢材料和器件及其加工工艺和技术等，都需要加快布局攻关。因此需要实事求是地，从实用出发，从最基础最基本的问题着手，切实努力攻关，把失去的时间赶回来。
令人欣慰的是，从2017年后起，从国家到地方各种相关政策陆续出台，现在产业已经有驱动向氢能转型的势头，市场已经慢慢热起来了。有很多企业也有了主动投资介入氢能产业链的积极性。
新京智库访谈员 | 肖隆平
编辑 | 张笑缘
校对 | 陈荻雁
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