【雷洪钧博士专栏】氢成为二次能源必要且充分条件的论证

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时间已经到了2019年11月底了。媒体在紧锣密鼓地宣传中国氢能产业、氢燃料电池及氢汽车的发展态势，尤其是潍柴动力助力山东济南市要成为“氢能之都”的报道，引人注目，如图1所示。

      潍柴动力是国有大型企业，是中国内燃机行业的龙头，也要转型发展燃料电池了，山东省是中国的经济大省，济南市是省会城市，要将纯电动公交车升级为氢燃料电池公交车了，一次性采购40辆氢能公交车，投放到几条线路运营了。给人的基本感觉是，中国发展氢燃料电池及氢汽车，就要大干、快上了，就差东风了。

笔者在思考，中国氢原料产业链还是比较成熟的，为什么长期无法升级为氢能产业呢？实际上这是世界级难题，不仅仅是中国的。氢原料产业链升级为氢能产业是有条件和门槛的。必须搞清楚，其必要且充分条件，氢成为二次能源才能实现。如此大规模的规模应用？必要且充分条件氢搞清楚没有？否则能持续吗？

一、客观地说，目前氢还是工业原料

从全球范围来看，氢能更多是作为工业原材料，即氢作为工业原材料已经是74%以上了。其中石油冶炼，氢的消费量3.8千万吨/年，占比33%；制氨，氢的消费量3.1千万吨 /年，占比27%；制甲醇，氢的消费量1.2千万吨/年，占比11%；直接 还原炼铁，氢的消费量0.4千万吨/年，占比3%。

从全球范围来看，目前氢还不是能源，或者说氢用于能源的比例还很小。即使日本等发达国家，目前也仅是将氢用于抗震救灾的备用能源，如图2所示。

二、高碳氢工业原料产业，不可能作为支持交通的能源产业

目前氢气主要源于煤炭、天然气、石油等高碳石化能源转换而来的，主要用作工业原材料。如果把工业原材料的氢，视作二次能源，也是高碳氢能产业。当前氢能高碳性主要体现在对化石等能源的依赖。

(a)天然气生产1吨氢气，同时产生10吨二氧化碳；

(b)石油生产1吨氢气，同时产生12吨二氧化碳；

(c)煤炭制1吨的氢，同时产生19吨二氧化碳。

目前，全球每年大约生产7千万吨氢气（约78000亿标立方），其中76%来自于天然气， 年消费量为2050亿立方（占全球天然气消费量的6%）；23%来自于煤炭， 年消费量为1.07亿吨（占全球煤炭消费量的2%）。共产生碳排放8.3亿吨。我国每年氢气产量大约在2100万吨，占全球的30%,其中约62%来自于煤炭制氢，工业副产气体制氢约占30%,如图3所示。电解水制氢占比不到1%。

一句话，目前氢气工业原料产业是高碳性的，如果用这个氢作为支持交通的能源产业，是在增加碳排放，而不是减少的。

三、做为支持交通的能源产业，必须是低碳氢能产业

发展低碳氢能产业，主要途径是，充分利用，光能、风能发电，来转换氢能。目前的困难是，能生产光能、风的地方基本上是缺水的。没有水，弃光、弃风的电，也无法变成氢。如图4所示。.

目前中国是缺水国家。提倡节约用水，也是基本国策。水的重要性，就不用再讨论。有水，又有光能、风能的地方，估计只有近海（江）地区了。

一句话，发展低碳氢能产业的地区，极为有限，其自然条件比较苛刻。

       四、工业用氢气成本40元/kg，而氢能汽车用氢为70元/kg，成本如何降？

目前工业用氢成本大概为40元/Kg，理由是自产自用、就地消纳的结果。而用于氢能汽车的氢成本基本上为70元/Kg，其理由是，汽车生产及运输方式的不同。

目前，煤气化制氢成本为(6-17) 元/kg，天然气蒸汽重整制氢成本为(9-23)元/kg，电解水制氢成本为(8-66)元 /kg。

(a)管道优势在3500公里以内的距离范围输配。 运输成本介于20-40元/kg之间；

(b)采用液态氨或者液体 有机氢载体距离大于3500公里内，船运价格更加便宜，运输成本在30元/kg左右。

即使用煤气化制氢(6-17)元/kg价格来算，加上运输成本，已经高于工业使用成本。目前氢能汽车用氢为70元/kg，用扩大应用规模，也是很难降下来的。加氢站如图5所示。

采用弃光、弃风发的电，来电解水制氢，符合减排的要求，但不仅生产成本高，且其运输成本也高。

五、各国政府普遍鼓励氢能与燃料电池相关产业的发展

在石油危机、环境污染、全球变 暖、技术进步等背景下，能源转型、建设清洁低碳、安全高效的现代能源供应体系是一个总的趋势。氢能产业发展也经历过几次阶段性发展高潮，尤其是21以来，更是被各国政府普遍重视。截止至2019年10月，日本、欧盟、 澳大利亚、韩国、美国等全球近50个国家制定了直接支持氢能产业发 展的政策和方针。近几年，我国政府有关部门就战略、产业结构、科技、财经等方面相继发布了一系列支持政策，发展氢能产业再次成为焦点。

但是如何发展？其必要且充分条件，对其探讨的人不多。

六、挑战大于机遇

a)如果将氢气作为二次能源来发展，必须要求立足于发展低碳氢能产业。也就是说，氢能源主要来源是弃光、弃风发电解氢气，才符合低碳氢能的要求。

b)发展碳氢能产业,不能与工业原料，不能枪现有的氢气资源。以石油冶炼行业为例，就地副产品中的氢能可以满足石油冶炼行业约三分之一的。做为工业原料的副产品中的氢，并没有多的，可以用来做能源用的。

c)充分利用弃光、弃风发的电，去电解氢，但是不能在缺水地区，建立电解氢企业（工厂）。电解氢企业，如何节约用水，也是世界级难题。

e)氢能成本下降到40元/Kg以下，目前还不到有什么新的技术可以做到。科研任务依然艰巨，非短期难有看得的效果。

      七、纯电动汽车能承担运输任务，就没有氢能汽车的空间了

从媒体报道的情况看，氢能汽车目前基本是城市公交车和城市配送物流车。由于氢燃料电池是一个发电机系统。氢能汽车是在纯电动汽车系统上，加装一套氢燃料电池而已。目前纯电动公交车已经可以做续航里程400公里，而氢能公交车目前只有续航里程350公里。这是为什么呢？其主要原因：

①目前车载氢燃料电池发电系统的比能量与锂离子动力电池系统比能量低；

②载氢燃料电池发电系统的比能量要高于目前锂离子动力电池系统比能量高，必须要采用70Mpa的氢气瓶。目前中国70Mpa的氢气瓶技术还攻关之中。

③续航里程400的公交车已经是纯电动汽车的地盘了。没有氢能汽车的空间了。

      八、论证的结论

中国发展氢能产业和氢能汽车目前的重点是要消纳“弃光、弃风”的电，其次，消纳夜间波谷的电。但是中国发展氢能产业和氢能汽车，与汽车先进国家差距较大，技术上积累不多。同时，中国发展氢能产业和氢能汽车，技术上也没有明显的优势。

看准方向，找准切入点，一步一步走稳妥，不要急于求成，搞必要且充分条件。要求行业链上，一起努力，克服困难而前行。

本文作者雷洪钧博士为扬子江汽车公司高级工程师，中科智能网联汽车科学院院长，中国新能源企业家俱乐部专家委员会主任

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