一個(gè)巨大的集裝箱內(nèi)，整齊碼放的金屬罐體與管道相連，罐體周圍分布著電解槽和大型純水儲(chǔ)存罐，宛如一個(gè)小型化工廠。這是入選國家能源局能源領(lǐng)域首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備、嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室研制的高性能兆瓦級(jí)質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫裝備。
PEM電解水制氫，是目前生產(chǎn)氫氣最環(huán)保的技術(shù)路線之一，也是唯一能滿足歐盟技術(shù)指標(biāo)的可再生能源電解水制氫方式。但國產(chǎn)PEM電解槽性能普遍較低，成本居高不下，限制了該技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用。
不僅是較前沿的PEM制氫技術(shù)，當(dāng)前較為成熟且居于主導(dǎo)地位的堿性電解水制氫技術(shù)，同樣存在能耗較高、電解效率偏低等問題。
難題，在嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室被攻克。
想方設(shè)法把綠氫成本降下來
氫能，被譽(yù)為“21世紀(jì)終極能源”，是純正的綠色新能源，也是未來國家能源體系的重要組成部分。
今年政府工作報(bào)告提出，加快前沿新興氫能、新材料、創(chuàng)新藥等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。這是氫能產(chǎn)業(yè)首次被寫進(jìn)政府工作報(bào)告。
然而，目前我國氫氣生產(chǎn)主要依賴煤、天然氣、石油等化石燃料，占比將近70%，工業(yè)副產(chǎn)氫約占30%，電解水制氫占不到1%。后者，才是真正在制備環(huán)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)零碳排放的綠氫。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國現(xiàn)在不是氫夠不夠用的問題，而是我們能不能低成本制綠氫，從而為氫能的發(fā)展提供一個(gè)具備比較優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
低成本制綠氫，不僅需要使用低成本的光伏和風(fēng)電等可再生能源，而且依賴電解水制氫裝備對(duì)成本進(jìn)行控制。
“制氫成本降不下來，氫能很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化�！奔胃齽�(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室郭奇勛介紹，“電解水制氫有多條技術(shù)路線，我們都在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。堿性電解水制氫項(xiàng)目電堆數(shù)據(jù)提前達(dá)到歐美發(fā)達(dá)國家公布的2026年行業(yè)技術(shù)目標(biāo)；質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料自給自足，性能指標(biāo)具備國際競(jìng)爭(zhēng)力；陰離子交換膜(AEM)電解水制氫項(xiàng)目掌握了材料到系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。在前兩個(gè)領(lǐng)域，我們都研制出兆瓦級(jí)高性能工業(yè)制氫裝備，達(dá)到國際先進(jìn)水平�！�
以高效堿性電解水制氫裝備為例，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)裝備關(guān)鍵材料、核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和工藝改進(jìn)，開發(fā)出低能耗、低成本、可適應(yīng)光伏/風(fēng)電等不穩(wěn)定電源的1000標(biāo)方堿性電解水制氫裝備。
郭奇勛介紹，經(jīng)檢測(cè)認(rèn)證，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室堿性電解水制氫項(xiàng)目產(chǎn)出1標(biāo)方的氫氣只需3.7千瓦時(shí)電，較業(yè)內(nèi)平均能耗降低15%～20%。目前已建成年產(chǎn)能40套1000標(biāo)方堿性電解水制氫裝備生產(chǎn)線，包括高效電極生產(chǎn)車間及電解槽總裝車間。
致力于創(chuàng)造國際一流氫能裝備品牌，當(dāng)前，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建立了國際先進(jìn)的氫能工況測(cè)試和技術(shù)示范平臺(tái)，孵化出華商廈庚、鷺島氫能、嘉膜科技、嘉氫科技等高科技公司，獲外部投資超億元。
抓住福建綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢(shì)
我省是如何規(guī)劃綠氫產(chǎn)業(yè)的？記者了解到，《福建省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2022—2025年)》明確了福建在氫氣制備領(lǐng)域的發(fā)展路線，即初期以工業(yè)副產(chǎn)氫供應(yīng)為主，以可再生能源電解水制氫和核電“谷電”制氫為輔。
中國科學(xué)院院士、嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主任鄭南峰認(rèn)為，福建海上風(fēng)電資源尤為豐富，富余核電制氫潛力較大。福建應(yīng)充分發(fā)揮可再生能源優(yōu)勢(shì)，借鑒歐洲國家已積累的經(jīng)驗(yàn)，開展規(guī)�；茪�，促進(jìn)氫能發(fā)展的同時(shí)解決電力消納。
2018年，福建啟動(dòng)省創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室布局，決定依托廈門大學(xué)建設(shè)“福建能源材料科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，即嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，以新型體制機(jī)制打造國家級(jí)戰(zhàn)略科技創(chuàng)新平臺(tái)。
布局氫能產(chǎn)業(yè)，成為嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的主攻方向之一。面向我國能源安全和“雙碳”目標(biāo)，依托廈門大學(xué)化學(xué)等優(yōu)勢(shì)學(xué)科和重大平臺(tái)，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在制氫技術(shù)與裝備方面取得了顯著階段性成果。
這吸引了投資方的注意。招商局集團(tuán)外部董事吳獻(xiàn)東、副總經(jīng)理鄧仁杰表示，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域具有強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究能力和豐碩的研究成果，招商局集團(tuán)正與其積極合作攻關(guān)，共同推動(dòng)電解水制氫技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化。
華商廈庚氫能技術(shù)(廈門)有限公司，就是雙方孵化的具有自主核心技術(shù)的氫能公司。其由嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室與招商局集團(tuán)旗下港股上市公司華商能源科技股份有限公司合資成立。已實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化的堿性電解水制氫項(xiàng)目，就獲華商能源增資，近日還獲第三屆TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽百萬美元金獎(jiǎng)。
今年3月，雙方共建的目前國內(nèi)功率最大的電解水制氫測(cè)試基地之一——多功能電解水制氫裝備漳州測(cè)試基地(12MW)落成。有了這個(gè)測(cè)試基地，電解水制氫裝備的大規(guī)模驗(yàn)證成為可能。
“堿性和PEM電解水制氫裝備，在大規(guī)模應(yīng)用前需要進(jìn)行長(zhǎng)周期和深入的工況測(cè)試驗(yàn)證�！惫鎰赘嬖V記者，原先受電力和安全條件限制，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室只能在自有的研發(fā)基地建設(shè)小型測(cè)試場(chǎng)地，驗(yàn)證效果不佳。測(cè)試基地的落成，將完善制氫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品驗(yàn)證機(jī)制，滿足行業(yè)所需。
緊抓氫能發(fā)展風(fēng)口，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室已攻克電解水制氫關(guān)鍵核心技術(shù)，形成了覆蓋電極、隔膜、制氫器件、制氫裝備與催化劑、膜電極、電解槽、檢測(cè)儀器及方法等高價(jià)值專利群。聯(lián)合知名校企，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室還成功申請(qǐng)到科技部2023年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“氫能技術(shù)重點(diǎn)專項(xiàng)”制氫領(lǐng)域全部3項(xiàng)新項(xiàng)目中的2項(xiàng)，配套經(jīng)費(fèi)超2億元。
探索氫氣多領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景
完成了生產(chǎn)端的技術(shù)創(chuàng)新與突破，生產(chǎn)出來的氫該如何使用？
以福州、廈門國家燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群等為核心，我省正重點(diǎn)開展氫能在道路交通領(lǐng)域示范應(yīng)用。到2025年，福建燃料電池汽車應(yīng)用規(guī)模計(jì)劃達(dá)到4000輛。
實(shí)際上，對(duì)照我國純電動(dòng)汽車從孕育到高質(zhì)量發(fā)展的歷程，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)比純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后約10年，目前仍處于產(chǎn)品導(dǎo)入期，正進(jìn)入應(yīng)用成本快速下降的成長(zhǎng)期。這意味著短期內(nèi)，氫氣的使用量不會(huì)大規(guī)模上漲。
如果海量的綠氫被制造出來，如何消納？《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》明確，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，探索在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)�；瘧�(yīng)用。
嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室劉圣杰認(rèn)為，除了上述領(lǐng)域，氫氣最廣泛的應(yīng)用是化工行業(yè)。瞄準(zhǔn)這一領(lǐng)域，鄭南峰團(tuán)隊(duì)研究出的連續(xù)化加氫催化工藝，可以采用高選擇性催化劑將氫轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品。
“催化劑被譽(yù)為化工‘芯片’，如何獲得好的催化劑，在推動(dòng)化學(xué)工業(yè)進(jìn)步中非常重要。”劉圣杰介紹，連續(xù)化加氫催化技術(shù)是生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、反應(yīng)條件恒定易控的一種工藝，具有環(huán)保、節(jié)能、自控的優(yōu)點(diǎn)。目前，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的連續(xù)化加氫催化工藝已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
提高催化反應(yīng)的選擇性和連續(xù)性，是精細(xì)化工行業(yè)從源頭上實(shí)現(xiàn)零排放的一大策略，也是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要推動(dòng)力。而連續(xù)化加氫催化技術(shù)正是該領(lǐng)域最關(guān)鍵的議題之一，也是氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游重要的應(yīng)用出口。
“以清潔加氫催化工藝代替高污染高能耗傳統(tǒng)工藝，能使工業(yè)三廢減排95%，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的高端智能化發(fā)展。通過原創(chuàng)加氫催化技術(shù)，也能大幅提高各類卡脖子新材料單體純度，并降低其生產(chǎn)成本�！眲⑹ソ苷f，如今該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于世界三大高性能纖維之一的芳綸纖維和聚酰亞胺等新材料超高純單體的生產(chǎn)，有望廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域。
目前，鄭南峰團(tuán)隊(duì)的連續(xù)化加氫催化技術(shù)入選工信部首批石化化工行業(yè)鼓勵(lì)推廣應(yīng)用的技術(shù)產(chǎn)品目錄，并已開始實(shí)現(xiàn)萬噸級(jí)的工業(yè)生產(chǎn)，為企業(yè)帶來新增產(chǎn)值超10億元。
科技成果轉(zhuǎn)化是連接創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的重要橋梁，也是培育發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的重要環(huán)節(jié)。以氫能為代表的綠色低碳技術(shù)落地轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程。眼下，在儲(chǔ)能、氫能和硅能等重點(diǎn)項(xiàng)目領(lǐng)域，嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室正開展全鏈條核心技術(shù)攻關(guān)，多路線推進(jìn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化工作。
“福建作為東部沿海大省，亟須加強(qiáng)氫能技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用研究，完善產(chǎn)業(yè)布局，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，通過示范項(xiàng)目促進(jìn)技術(shù)的成熟和降低成本，打造有福建特色的氫能強(qiáng)省。”鄭南峰表示，要強(qiáng)化嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、福州大學(xué)等優(yōu)勢(shì)科研院所的氫能創(chuàng)新動(dòng)力，推動(dòng)資源整合、技術(shù)迭代、應(yīng)用示范，助推氫能在新領(lǐng)域、新場(chǎng)景的應(yīng)用推廣，健全氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建特色產(chǎn)業(yè)集群。(記者 林麗明 游笑春 林聞)