李鹏. 氢标领航 安储致远—专访中国工程院院士郑津洋 [J]. 太阳能, 2022(5):7-13.
2021年11月18日,中国工程院2021年当选院士名单揭晓,郑津洋是机械与运载工程学部11位当选院士之一。虽然笔者与郑院士此前并不相识,但对他有较为深刻的印象,主要是因为他在国内较早进行了氢能,特别是高压储氢相关技术的研究;此外,郑院士自2004年至今已在本刊的姊妹刊《太阳能学报》先后发表了12篇学术论文,是《太阳能学报》的资深作者之一。笔者在与中国可再生能源学会副理事长、氢能专委会主任蒋利军进行工作交流时得知,他与郑院士是相识多年的老朋友,于是在他的引荐下,我们于2022年3月5日一起拜访了郑院士,并对郑院士进行了专访。
新头衔是荣誉更是责任
我们首先对郑津洋老师当选中国工程院院士表示祝贺,对于如何看待这个新头衔,郑院士说道:“新头衔是荣誉更是责任。因为以前没做院士时,人家对我的期望值没有现在那么高,现在期望值一下就提高了,而我的水平进步又没那么快,实际上就是期望值跟我现在水平之间的差距拉大了,所以现在对我来说,更重要的是加强学习,不断进步。现在这个头衔让我觉得自己责任更大,需要对自己提出更高的要求”。
郑院士送给蒋利军老师和笔者一本《过程设备设计》(第五版),这本由他主编的高等院校优秀教材已经使用了20年。在学科建设方面,郑院士有2个梦想:一个是现在的《过程设备设计》(第五版)在其有生之年可以更新至第八版或以上版本,现在是每5年更新一次版本,他希望能再工作至少15年,以持之以恒的态度去做这件事情;另一个是他希望能够创建一个国家级科研平台,因为他所在的专业和学科已经被评为国家一流本科专业、国家重点学科,但至今还没有一个国家级科研平台,他在努力参与构建这样一个能够体现国家战略科技力量的新平台。
郑院士表示,中国工程院能源学部主任苏义脑院士曾送他9个字——“搭舞台,唱大戏,写剧本”,虽然非常通俗,但他觉得非常受用。“搭舞台”就是要有国家级的平台,这个他们现在是缺失的;“唱大戏”是指他们一直在做国家“973”“863”计划项目;“写剧本”是说他们也做了一些工作,比如,参与“863”计划、国家重点研发计划指南的起草。“当了院士以后,战略咨询的任务可能会很多,这也是中国工程院对我们这些院士的要求。”郑院士说道。
今年郑院士承担了中国工程院战略研究与咨询项目——我国氢能承压设备风险分析和对策。郑院士认为,随着氢能产业规模扩大,应用场景增加,氢能承压设备的种类和数量快速增长,呈现出极端化(如压力高达140MPa、温度低至-253℃)、轻量化发展趋势。近几年,发生在美国、韩国、挪威、中国的氢气泄漏爆炸事故表明,氢能承压设备安全是国内外氢能产业发展面临的共同挑战。为保障人民生命和财产安全,促进氢能产业健康发展,亟待厘清我国氢能承压设备发展现状,深入分析其面临的风险,并提出适合我国国情的防控策略。
郑院士表示,人才培养是他最基本的工作之一,在带领团队时需给年轻人提前布局,加以培养,给他们更多历练和积累经验的机会。以前自己是在探索走什么路,是在“找路”,如今在蒋利军、陈长聘等老师指引下,路已经找到了;那么在接下来“赶路”过程中,他认为自己是在“领路”;等年轻人成长起来后,他表示会及时“让路”。
郑院士以前是浙江大学能源工程学院副院长,但他更多时间是在科研与教学一线;现在当上院士后,他就辞去了副院长职务,让位给年轻人,让他们去锻炼,自己则心无旁骛地投入到教学和科学研究中。郑院士生活、工作都很规律,但基本没有假期的概念。如果不外出,他每天早晨坚持健步走10000步,然后去办公室或实验室,并且每天要至少看一篇文献,晚上10:00左右按时休息,以保证充沛的工作精力。
为什么氢能成为科技新热点?
近年来,氢能成为国内外一个新的科技热点,其中主要原因是什么?对此,郑院士认为,主要包括以下几方面的原因:
1) 首先并不能简单地将氢气理解为氢能。氢气既是无碳原料、长时储能介质,又是清洁能源。而氢能作为能量密度高、来源多样、清洁环保、应用广泛的二次能源,可实现电、气、热等不同能源形式的相互转化,是构建以清洁能源为主的多元能源供应体系的重要载体,在交通、运载、建筑、储能、电力等领域具有广阔的应用前景。因此,氢能的开发和利用已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向。
2)中国需要氢能。目前中国能源短缺是无法回避的客观现实,2020年中国73%的石油和43%的天然气依赖进口;同时,由于化石能源消费较大导致中国成为全球最大的碳排放国,2020年碳排放量占全球碳排放总量的30.7%。近年来,中国汽车保有量暴增,截至2020年底,机动车保有量达3.72亿辆,其中,汽车为2.81亿辆,汽车尾气排放成为环境污染的主要来源。能源安全要求能源来源具有多样性,而保护环境要求零碳排放,多种需求催生了新兴产业,比如,氢燃料电池交通运输(汽车、飞机、船舶等)、氢发电、氢储能、氢冶金等。大规模可再生能源发电需要解决调频调峰问题,需要长时间、大容量的储能技术作为支撑,但目前如抽水蓄能等储能技术还难以做到,而大容量储氢是一种较为理想的方式。因此,发展氢能是我国能源转型升级、保障能源安全、应对气候变化、实现“双碳”目标的战略选择,我国政府也因此出台了一系列支持政策。
特别应该注意的是,我国提出“双碳”目标不仅是保障能源安全、应对气候变化的需要,也是未来产品开发或国际贸易的需要。因为我们不仅面临碳税问题,而且产品生产过程的碳排放也将成为产品基本属性的一个考核指标。比如,波音公司在采购零部件时已经开始考虑碳排放问题;丰田汽车正在追求3个“零”的目标,即生产原料、生产过程、使用过程均“零”碳排放。未来,高品质的低碳产品将更具有市场竞争优势。
3)由于各国国情不同,国际上氢能的发展模式呈现多样化态势。德国、法国、英国、荷兰等国家将氢能作为深度脱碳的重要工具;而日本、韩国等国家将氢能作为新兴产业制高点;美国、加拿大等国家将氢能作为中长期战略技术储备;澳大利亚、新西兰、俄罗斯等国家则将氢能作为资源出口创汇新增长点。
正是由于这些国内外社会政治经济发展新形势,使氢能成为近年来科技发展的新热点,并将持续下去。
当前全球氢能产业整体处于示范应用阶段
对于当前全球氢能产业发展整体处于什么阶段这个问题,郑院士表示:全球氢能产业目前整体处于示范应用阶段,多数氢能技术仍处于示范或原型阶段。比如,液态储氢、固态储氢、有机液体储氢、天然气管网掺氢、燃氢轮机、可应用于重型道路车辆的氢燃料电池等技术均处于示范阶段;而可应用于船舶、火车、飞机等的氢燃料电池技术处于原型阶段。
提高氢能全产业链的技术经济性和市场竞争力是亟待解决的问题。美国能源部预期氢能2030年的发展目标为:1kg氢的生产和输运成本均达到1美元;重型车辆用燃料电池的寿命为25000h,成本为80美元/kW;电解槽的寿命为8万h,成本为300美元/kW。如果能够实现制氢成本与输运成本均为1美元/kg,则与天然气相比,氢气就具有了竞争力。
相较于国外,国内的氢能产业发展水平如何?对此郑院士认为,中国氢能产业总体处于全球第二方阵的前列,并在变压吸附提纯氢、大容量高压储氢、固态储氢、供氢量吨级以上加氢站建设等方面走在国际前列;而且在北京2022年冬奥会上实现了氢燃料电池汽车应用规模、应用场景、保障服务及管理创新等多重突破;北京大兴氢能科技园站的日加氢能力达到4.8t,为全球最大。总体来说,中国仍然是氢能技术设备进口国,部分关键材料、核心零部件、关键装备仍需要依赖进口,如碳纸、加氢枪、氢流量计、氢安全阀、液氢容器等。
绿氢具有规模化应用的潜力
制氢有多种技术路线,哪种技术最有可能先实现规模化、产业化应用?可再生能源电解制绿氢是否具有这样的潜力?该技术还有哪些重点难题需要攻克?
针对上述疑问,郑院士表示,天然气重整制氢、煤气化制氢、甲醇裂解制氢等技术已实现规模化生产,单套装置每小时产氢量达几十万m3,但有温室气体排放,属于“灰氢”;而将碳捕集封存后再利用则属于“蓝氢”;水电制氢、风电制氢、光伏发电制氢等技术制得的氢则属于“绿氢”。中国2021年的产氢量超过3000万t,位于全球第一。绿氢具有规模化应用的潜力。纵观全球已发布的国家氢能战略,远期发展目标均以绿氢为主;碱性电解槽是目前技术最成熟、制氢规模最大、商业化程度最高的电解水制氢技术,可稳定运行10~20年,已能实现约2000Nm3/h的工业化制氢生产。
绿氢技术目前面临的难题主要有:如何实现可再生能源低成本、大规模发电技术和低能耗、大规模电解水制氢技术(电解水电极催化技术、隔膜技术等)。目前,大型水电解槽产氢气量为1300~2000m3/h,但从大规模能源利用的角度来看,这样的产氢气量仍太小。使用大量电解槽制氢,比如上百个,虽然可以提高产氢气量,但可靠性、安全性等面临挑战。因此,提高电解槽制氢产气量是一个很重要的目标。当前将产氢气量提高至3000m3/h,技术难度仍非常大,在工艺、材料、系统结构设计及其稳定性和可靠性等多方面都需要改进。
目前电解水制氢的能效约为65%~80%,可以满足工业应用,但氢气作为能源则必须考虑整个系统的能效。首先,如果燃料电池的电效率为50%,则系统的效率约为32.5%~40.0%,能量转化效率太低;其次,相较于火电成本,目前可再生能源制备绿氢的成本还是较高;再者,大规模可再生能源制氢面临电力波动性的问题,这要求制氢设备能够在电力功率波动5%~150%范围内稳定产出氢气;最后,要解决除氢气就地消纳外面临的大规模、长距离输运难题,这些都是技术性的挑战。
不断攻克氢气安全储运难题
氢气的储运是氢能技术的重要环节,而安全问题至关重要,郑院士在这方面进行了大量研究。氢气储运的难点有哪些?取得了哪些成果?目前研究或计划研究的方向是什么?
郑院士坦言,他不能忘记的是,早在2002年,正是蒋利军等老师把他领进了储氢研究的大门,并持续深入研究了20余年,才取得了一些成就。氢能应用的关键在于储氢技术,即如何实现安全、高效、经济的氢气储存。当前,储氢方式主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢这3种,相较而言,高压气态储氢具有设备结构简单、充装和排放速度快、温度适应范围宽等优点,是世界各国优先重点发展的储氢技术。
储氢技术目前主要存在以下技术难点:高压储氢容器的压力高达98MPa,高压氢气易引起材料氢脆,造成容器突然断裂甚至爆炸,危害极大;此外,由于氢气分子小,易泄漏,高压密封难,侵入传感材料的氢会导致检测信号漂移,高压氢环境应变检测难度大。2002年之前,我国缺少材料高压氢脆原位检测能力,无法获得容器研制时亟需的材料在高压氢气环境中的力学性能。高压储氢容器氢气充放频繁,氢脆影响因素多且机制复杂,抗氢脆设计及制造存在很大难度。在我国,压力超35MPa的储氢容器长期处于空白,严重制约氢能发展。
通过国家纵向支持和企业横向合作,郑院士带领团队取得了卓越的科技成果:针对高压氢脆原位检测难题,攻克高压氢气动密封、高压氢环境应变传感等关键技术,发明140MPa材料高压氢脆原位检测装置,使我国成为拥有140MPa材料高压氢脆原位检测技术的3个国家之一;牵头起草了金属高压氢脆检测评价方法的国家标准,并牵头制定了首部高压储氢容器产品国家标准;建立了首个国产材料高压氢脆数据库,为氢能高压储运设备研制提供了关键基础数据。
针对抗高压氢脆设计制造难题,郑院士团队提出以抗氢脆焊接薄内筒为核心的全多层高压储氢容器设计技术,与高压氢气接触的薄内筒采用抗高压氢脆性能优良的材料,其余则采用普通高压容器用钢。该技术利用薄内筒抗氢脆,内筒厚度约占筒体总厚度的1/8,通过厚钢带层承载,钢带逐层交错螺旋缠绕在内筒外,制造经济简便;采用钢带缠绕引起的预压缩应力,提高容器疲劳寿命;通过全多层技术实现了容器中氢气泄漏在线监测的全覆盖。
其团队还发明了小孔内置式曲面耦合超声相控阵检测技术,即在储氢容器服役周期内,通过特制的检测设备,深入储氢容器内部对容器安全状态进行“体检”,解决了全多层高压储氢容器氢致损伤无损检测难题,打通了全多层高压储氢容器从设计、制造、检验检测的全技术链,同时解决了其经济性与安全性达到平衡的问题。其团队在车载轻质高压储氢技术研发方面也获得了一系列成果,开发了随车运动的高压氢气瓶,需要考虑火灾、频繁快充、碰撞等极端服役条件下的安全性,为此其团队发明了纤维全缠绕复合材料高压氢气瓶性能预测系列方法,实现了高压氢气瓶强度-寿命-耐火多维协同设计制造,并主导制定了高压氢气瓶产品国家标准。
基于上述创新性技术,成果转化和落地也在有序推进。郑院士牵头制定了高压储氢主要国家标准9项,参与制定国家标准27项、联合国全球技术规范UNGTR13等国际标准5项,有力推动了行业的科技进步及产业发展。
在丰田常熟加氢站,以及为北京冬奥会服务的中石化北京庆园街加氢站、王泉营加氢站,郑院士团队主持研制的98MPa高压储氢容器正在安全服役,不仅容积达到1m3,为世界最大,而且成本低,同时,在线检漏功能也大幅提升了容器的安全性。该研究成果已应用于氢能高压储运全行业,该用户包括中石化集团、国家能源集团、长城汽车、日本岩谷公司等国内外知名企业,核心装备在我国加氢站建设、氢燃料电池汽车发展中发挥着不可替代的关键作用,该技术于2021年获国家科技进步二等奖。
郑院士团队目前的主要研究工作有:承担国家重点研发项目——加氢关键部件安全性能测试技术及装备研究”;针对加氢站氢气泄漏、自燃及加氢关键部件的断裂等突出问题,聚焦加氢关键部件安全性能测试,自主研制测试装备,制订技术标准,构建检测平台,为保障加氢站安全提供关键技术和检测设备支撑。
关于临氢材料及其极端条件下的实验研究,蒋利军老师与郑院士进行了较为深入而专业的讨论。氢能装备的安全性与材料的选择密切相关,郑院士表示,他计划制定一个可进行低压、中压、高压、超高压临氢材料选择的标准或指南,目前中国还没有这样的标准或指南。他正在参与修订GB50177—2005《氢气站设计规范》,许多问题亟待解决,比如,需要弄明白什么条件下可以使用低合金钢,什么条件下可以使用高合金钢?虽然美国航空航天局(NASA)发布过临氢材料的选用指南,但该指南对实际情况而言并不全面,因为其只是定性给出了材料氢相容性等级,并未给出设计计算必需的临氢材料性能数据。如果我们自己制定了这样的指南,将会对我国氢能行业产生深远影响。因为现在所有的制氢装备、储氢装备都涉及到材料选用的问题,必须要科学实验数据作为支撑,而且考虑到产业化应用,材料价格也是必须考虑的重要因素。
氢气具有易燃、易爆、易渗漏的特性,要确保氢气在超高压、低温等极端条件下安全应用,相关实验研究和标准必不可少,但一般的实验室不具备实验条件。蒋利军老师认为中国需要能支撑整个国家氢能工业产业发展的一个氢能安全国家平台,而郑院士具备相应的能力和条件,建议郑院士参与有关国家平台的建设,通过广泛深入研究获取科学数据,为制定标准提供支撑。郑院士坦言,他们现在德清实验室的工作人员正加班加点地进行实验工作,他愿意迎接新的挑战,但也倍感压力。
掺氢天然气输运已在小规模示范应用
关于氢气或掺氢天然气管道输运到户,作为生活、生产的清洁能源是否可行?还存在哪些问题?
针对上述疑问,郑院士说,目前已有小规模示范应用。迄今为止,荷兰、德国、法国、中国等国家先后开展了多个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。2004年,在欧洲委员会的支持下,国际上首次开展了“NATURALHY”项目,将氢气注入高压天然气输送管线,并通过配送管网输送至最终用户。该项目较为系统地研究了天然气管道掺氢对包括天然气输送、配送及用户终端在内的整个系统的影响,为后续的掺氢天然气管道输送系统示范应用项目创造了良好的开端。2017年,英国开展了“HyDeploy”项目,向基尔大学专用天然气网络和英国北部天然气网络注入氢气,为住宅、教学楼、企业等供气,探索在不影响终端用户安全或改装设备的情况下将氢气混合到全国天然气网络中的可行性。2020年,澳大利亚开展了“WSGG”项目,利用风/光电来电解水制氢,并将部分氢气注入Jemena公司的新南威尔士州天然气网络,为当地居民供暖。
国内掺氢天然气管道输送系统的示范应用较少。2019年,国家电力投资集团公司与浙江大学合作,在辽宁省朝阳市开展了掺氢天然气管道安全关键技术验证示范项目,进行电解水制氢-天然气掺氢-工业级民用用户供能示范,为未来氢气通过管网运输提供经验。
目前氢气或掺氢天然气管道输运到户存在的主要问题有:管材及其焊接接头与纯氢/掺氢天然气相容性,纯氢/掺氢天然气管道抗氢脆设计制造技术,纯氢/掺氢天然气管道运维安全保障技术(如安全状态监测检测和评价技术、完整性管理技术等),缺少纯氢/掺氢天然气管道技术实证平台。
当前有人认为天然气掺氢不超过10%输运就是安全的,郑院士认为这样的说法是不科学的。天然气掺氢面临的主要安全问题是氢脆,材料长期处于临氢环境中易发生塑性降低、疲劳裂纹速率加快、断裂韧性降低等性能劣化现象,更有甚者会引发管道过早失效,危及管网运行安全。掺氢天然气在实际输运过程中工况较为复杂,且混氢环境下,材料氢脆影响因素较多,与掺氢比、掺氢天然气成分、应力状态、管网原始状态等均相关,不能简单地通过掺氢比这个参数来判断是否可以安全掺氢输运。
氢燃料电池汽车不是新能源汽车的终极方案,也非“死路一条”
氢燃料电池是一个非常重要的氢能终端应用场景,也是当前氢能热点中的热点。新能源汽车是燃料电池应用的主要载体,据了解,北京冬奥会就有超千量氢燃料电池汽车作为赛事服务用车投入示范运行。有人认为氢能是新能源汽车的理想零碳动力能源,即氢燃料电池汽车将是新能源汽车的一个终极方案;还有一种观点认为处于“婴儿期”的氢燃料电池汽车,还存在成本高、动力性差、补能不便等诸多问题,与其他“少年期”的新能源汽车相比,其并无竞争优势,将是“死路一条”。
对此郑院士表示,他不这么认为。他认为,现在就谈新能源汽车终极方案为时过早,其实当前各种新能源动力电池技术还在赛跑过程当中,氢燃料电池汽车与其他新能源汽车相比,各有优缺点。氢燃料电池汽车具有能量密度高(车身轻量化)、加注速度快、适用极冷环境、续航里程长等优点,但也存在能源利用率低、汽车本身成本高、氢燃料贵、加氢站少等缺点。也就是说,在续航里程、补能时间、低温性能等方面,氢燃料电池汽车有优势;而在动力性能、补能方便性等方面,其他新能源电动汽车有优势。
我国氢能产业布局同质化严重
当前我国从中央到地方纷纷出台多种支持氢能产业发展的政策,似有些“一哄而上”之嫌。政策扶持应该注意哪些问题?产业配套标准是否能够跟上技术的发展?如何做好氢能产学研融合发展?
郑院士认为,国家支持氢能发展是国家发展战略的需要,各级政府出台一些扶持政策是值得肯定的,但以下3个方面的问题值得重视:
1)同质化突出。政府带动市场发展下,绝大多数氢能发展规划聚焦氢燃料电池汽车全产业链:氢源、加氢站、核心零部件企业、整车厂。事实上,无整车龙头企业和距离氢源比较远的地区均不适合全产业链发展氢燃料电池汽车;无雄厚经济实力和扎实产业基础的地区,也不适合全产业链发展氢能。氢燃料电池汽车只是氢能的一个重要应用领域,应从大系统、多元应用角度对氢能进行布局。
2)重电池轻供氢。燃料电池、供氢系统是氢燃料电池汽车的2个核心部件。财政部、工业和信息化部、科技部等5部委发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,仅对电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸、空气压缩机等基础材料和关键零部件在推广过程中进行综合评价,优异者可享受额外补贴。也就是说,受益企业为燃料电池关键零部件企业,而不包括供氢系统基础材料和关键零部件企业,比如,生产高压氢气瓶、高压氢阀、高压储氢容器、抗氢脆/氢渗透材料等的企业,这不利于产业发展。
3)自主制定的标准少。标准是推动产业稳健发展的基本条件,郑院士非常重视标准制定,他认为形成标准是技术成熟的一个重要标志。国家标准大致可分为3类:第1类是以自主技术为核心的国家标准;第2类是非等同采用国际标准的国家标准;第3类是等同采用国际标准的国家标准。我国的实际情况是第1类标准少,第2、3类标准多。标准制定面临的最大问题是缺乏数据和工程实践案例作为支撑。
截至2021年12月,全国氢能标准化技术委员会已组织制定氢能国家标准40项,其中,32项已正式发布,8项立项在研。相关标准基本涵盖了基础通用、氢质量、氢安全、氢制备、氢储运、氢加注和氢能应用等方面,为支撑氢能产业规范发展提供了重要支撑。郑院士认为,现有的氢能标准体系是基于氢能交通应用建立的,难以满足氢能规模化、多领域应用的需要,亟待开展临氢材料、可再生能源制氢、氢能安全可靠高效储运、电氢能源系统等方面标准的研制工作。
实现氢能规模化、产业化应用,还要走多长的路?
笔者想请郑院士预测一下,实现氢能规模化、产业化应用,还要走多长的路?郑院士坦言很难预测,但他给出了国际专业机构的参考数据。根据2017年国际氢能源委员会预测,2050年氢能将占全球能源需求的18%,欧盟24%的一次能源将使用氢能替代。
郑院士对未来的氢气市场进行了中期和远期预测:中期(2030年)为“绿氢+低碳氢”,而远期(2050年)绿氢则将会成为市场主流。
后记
蒋利军老师说,近几年中国可再生能源学会氢能专委会(下文简称为“专委会”)内先后有郭烈锦、陈军、郑津洋当选两院院士,专委会都会赠送他们一个纪念杯,杯上会雕刻一句能概括该院士工作成就的话。专委会送给郑院士的纪念杯上雕刻的一句话是“氢标领航安储致远”,这也是蒋利军老师的创意。郑院士与笔者都感到非常贴切到位,笔者就选用这句话作为本文题目。
本次采访前夕,俄乌冲突爆发,虽然原因是多方面的,但能源安全问题再度成为世界地缘政治博弈的重要筹码。传统化石能源是各国资源争夺的焦点,也是现代战争的根源之一,大力发展新能源是摆脱化石能源依赖的根本保障,氢能大有可为。我国已经规划在西北地区建设大型风电光伏基地,这是我国实现能源转型的一个重大举措,未来也将需多措并举解决风光发电电力消纳问题,大规模绿氢制取与储运会成为一个可选的解决方案,但仍面临许多技术难题的挑战。2022年3月23日,国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035)》,可谓中国氢能发展的顶层设计,中国氢能产业必将迎来重大历史性发展机遇。我们期待郑院士及其团队未来为我国氢能产业发展和我国的能源安全做出更大贡献。
作者 | 李鹏
单位 | 《太阳能》杂志社有限公司
来源 | 《太阳能》杂志2022年第5期 P7—P13
DOI: 10.19911/j.1003-0417.tyn20220427.a