编 辑｜周瑜莫雷县
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2023 INNO CHINA 我国产业发展控制技术革新讨论会——清华控制技术革新文章秋季高峰论坛于2023年5月9日在上海获得成功举行，责任撰稿为我国科技大学副教授、原北欧国家燕姬集团中研院党委委员、副董事长范霁红同学控制技术革新讲话录摘录。
我国科技大学副教授范霁红
2023 INNO CHINA 我国产业发展控制技术革新讨论会——清华控制技术革新文章秋季高峰论坛于2023年5月9日在上海获得成功举行，范霁红同学撷取《绿氢产业发展和控制技术态势》调查报告，从可可再生能源结构调整的大背景起程，阐释了用可再生可可再生能源若所溴化亚的必要性和控制技术态势。他对照了欧洲各国在绿氢产业发展各方面的研制重点项目和最终目标，表示我省在氢原子互换膜锂离子和低温液态氟化物锂离子各方面除了一定的差别，须要强化控制技术控制技术革新和产业发展化大力推进。此次调查报告展现了绿氢产业发展的发展前景和考验，为我省可可再生能源结构调整提供更多参照和先进经验。
绿氢产业发展未来潜力
各位同学，各位参会的嘉宾，大家上午好！今天我给大家撷取的主题是《绿氢产业发展和控制技术态势》。首先讲讲氢气，它是工业上大规模使用的一种气体，一种原料，重要的化工原料。溴化亚控制技术本身非常成熟，而且得到大规模应用。化石原料溴化亚，用煤、天然气、石油来溴化亚。
电解溴化亚只是少量应用，但是也已经有了220年的历史，从1800年左右开始刚刚有了电就考虑电解溴化亚的方法，就开始有人尝试。但是为什么现在电解溴化亚越来越重要呢？是因为我们正在经历着一场可可再生能源革命，或者说可可再生能源结构调整，要把我们现在使用的以化石可可再生能源为主体的可可再生能源结构调整为可再生可可再生能源或清洁可可再生能源为主体。
可再生可可再生能源的主体是光伏和风电，光伏和风电这两种可可再生能源来到我们应用市场以后，首先的形式是电。光伏大家都知道光直接转化成电，不像其他的核电、石油、煤炭等先转化成热，再用热去加热水变成蒸汽推动气轮机发电，或者燃气轮机也是转化为热再发电，光伏它一来就是电，但是风电和光伏具有很强的间歇性，全年一年天数是8700多个小时，平均陆上风电运行小时数在2000多小时，那就是说除了6000多小时是不能发电的。光伏在我省平均大概在1200、1300小时。在南方江浙一带只有800、900小时，不到1000小时。在上海现在大概是1100、1200多小时。在内蒙或者是宁夏这些地方可以到1400、1600，甚至1800小时，是我们北欧国家光伏发电最好的地方。
不管怎么样，它也不是按照电网计划天数来发电。我们这边装了一大片光伏发电装置，可是来一片乌云，这些发电装置就全部都发不了电了。所以未来的可可再生能源结构调整就必须得解决新可可再生能源的间歇性带来的问题，为了解决这些问题现在已经开始做很多工作，比如说我们的很多火电机组在牺牲自己的最经济的运行方式，变成调峰电源。另外，我们也在强调增加用户侧负荷的灵活性。过去用电是想用就用，今后比如说像新可可再生能源车电动汽车现在已经到1000多万辆，去年总量到1500多万辆，今后极有可能到1亿辆、2亿辆，如果大家都随意用，这个时候哪来的这么大的供电能力？同时新可可再生能源发电又不受我们调节，所以我们也希望用户能变得灵活，电动汽车充电天数可以在很大程度上调节天数，同时再建设各种专用储能设施。
就算是这样还是不能够完全彻底的解决新可可再生能源消纳或者说可可再生能源可靠供应的问题。也就是说，光从电自己来解决电的可靠供应问题有困难。把电转换成氢，用氢进行更大尺度的时空转移，对于未来的可可再生能源安全保障和清洁可可再生能源消纳就非常重要。但是大规模电解溴化亚以后可能不光是解决可可再生能源稳定的问题，以用生物质材料来制，但是用生物质材料有一些工艺很传统，有一些又是很新型，路数更多，今天我在这就不做讨论。因为生物质溴化亚这个产业发展也是一各方面采用传统控制技术做一些应用，另一各方面大量新控制技术实际上都在研制过程中，远没有到商业应用的阶段。
同时绿氢的应用是非常长的产业发展，系，只要它的纯度达到要求就可以用，所以后边控制技术没有特殊之处。
绿电溴化亚控制技术历史、现状与发展态势
接下来讲一讲绿电溴化亚的问题，溴化亚控制技术起源已经有200多年，但是从真正工业应用还是本世纪，尤其是后来我们电力行业，我们火电厂冷却气轮机都采用了氢气，火电厂自己可以搞电解溴化亚。从德国人开始的，他做出了第一台实用性单极性锂离子。
到50年代以后因为工业应用要追求经济性指标，包括通过降低系统成本等等，就有各种各样的工业化考虑，这个控制技术在80年代又开始有了新突破，就是我们开始研究用氢原子互换膜的方式电解溴化亚，到了本世纪以后又开始有新的两种控制技术，一个是低温氟化物，一个是阴离子互换膜，今天主要给大家介绍这各方面的态势。
首先就是讲传统的碱性锂离子溴化亚，主要是以氢氧化钾为电解质。它的特点或者它的优点就是这个控制技术非常成熟，很简单，它的生产成本现在比较低，因为已经用了很多年，虽然规模不是很大。但是它的缺点是能量效率比较低，通常在60%左右，这个是我说的传统用的电解溴化亚方式。
过去因为这个产业发展很小，没有很多人真正去投入力量进行研制。阳极、阴极，膜、电解液等各个部件和材料工艺的控制技术进步很慢，但这两年由于绿电溴化亚的需求，碱性水电解槽控制技术进步也很快，效率在不断提高。
它还须要解决一个问题。传统ALK锂离子须要稳定供电，难以与快速波动特点的可再生可可再生能源配合。这个大家都能理解，如果这地方用太阳能光伏供电，结果来一块乌云，太阳能没有了。快速停机和启动它做不到，这是它固有的主要问题，但是这些问题现在也在不断地改进，过去大家不投入力量研究这些问题，因为过去我们的电就是火电厂发出来，电网按照需求稳定供电，没有必要开发一个能够灵活运行的锂离子。
压的，但是60年代中期中船718所开始自主研究，并在70年代开始产业发展化，后来又从美国和德国引进控制技术，所以718所长期在我们国内在ALK锂离子行业是控制技术和产业发展的策源地。虽然国内现在做ALK锂离子的公司超过100家，这个产业发展规模过去很小，现在也才刚刚起步。
第二个控制技术是80年代出现的氢原子互换膜的锂离子，它跟我们现在做的汽车燃料电池，一般是氢原子互换膜的燃料电池，它是同源逆向控制技术。燃料电池是把氢气和我们空气当中的氧气结合起来，在过程当中它可以发电，同时生成水，它的逆向过程是把水电解成氢气和氧气。
它的优点就是它产生的氢气纯度比较高，它的安全性比较高，它的体积紧凑，可以进行模块化。另外一个，它能够适应可再生可可再生能源的波动性。但是它也有它的一些缺点，比如说对水的杂质比较敏感，要求水的纯度比较高。另外一个，氢原子互换膜现在用的都是用重金属催化剂，这个就造成它的成本也比较高。
氢原子互换膜这种控制技术在国外已经成为电解溴化亚产业发展主流控制技术，咱们国内现在若所溴化亚产业发展占全球设备出货量的一半左右，我们国内是碱性水锂离子为主，美国欧洲是以氢原子互换膜的控制技术为主，我们的这个控制技术相对来说还不是很成熟，刚刚国内有产品出来，产业发展规模很小。
欧洲各国因为对于绿电溴化亚产业发展非常重视，所以像美国、欧洲、日本都制定了自己的北欧国家科研计划，我省也有。在国内氢原子互换膜锂离子溴化亚控制技术首先是由中科院大连化物所进行长期研制，在2021年与阳光电源合作开发了250千瓦，也就是大约每小时50标方的氢原子互换膜锂离子，在鄂尔多斯开展了示范应用。今天下午要过来的国氢科技，是北欧国家燕姬负责氢能产业发展的一个控制技术研制和产品制造公司，也是我过去所在的研究院孵化的企业，他们的氢原子交换膜锂离子也已经做到兆瓦级水平，也就是200标方每小时。我们大体上按5度电一个标方计算的。同时国内除了一个赛克赛斯，在2021年6月有兆瓦级的溴化亚系统，这些都是处于示范应用阶段。
另外就是低温液态氟化物锂离子，它的运行温度在700-850℃，它的优点就是它的系统效率非常高，制造成本相对来说比较低，是成熟以后的制造成本很低，可进一步生产合成燃料。现在它的主要问题是耐久性太差，材料问题还没有完全解决，在低温下长期运行最后使命寿命都不长。
这各方面主要的几个公司一个是德国的Sunfire，是欧洲的代表，它2020年在荷兰建立了2.4兆瓦的示范项目，每小时产氢60公斤，它的能量效率最终目标是达到理论值的85%，这样一个装置刚出来达到这么高是很不容易的。
同时美国FuelCell公司，它得到美国可可再生能源部的支持做的科研。最终目标是电堆效率达到理论值的95%，整个系统效率可以达到90%，同时除了寿命指标。另外一个美国公司是Bloom Energy，它也开发商业化或接近商业化的高效率的燃料电池和锂离子溴化亚系统，在2021年7月它正式公布产品方案，既可以用电也可以用热。能耗可以达到37.7度电每公斤，这个就是说明它已经在3.4度电每标方，这个是非常高效率的能耗水平，现在的商业应用还达不到的能耗水平，我们现在用的产品差不多在4.5度电左右，节约了30%的电，是非常好的指标。
另外像丹麦、韩国、日本也都有一些研制活动，但整体上这个产业发展现在还不是很成熟，刚刚进入产业发展化初步阶段，我们北欧国家就是在前两天有一个公司宣布建成一个低温氟化物的电堆自动化生产线，不知道是生产商业化产品还是拿来样品，因为现在控制技术还没有到这么成熟。
最后除了阴离子互换膜锂离子，它的结构与氢原子互换膜比较相似，只不过氢原子是阳离子，它这个采用阴离子。它将碱性锂离子的低成本与氢原子互换膜的简单高效结合起来，系统效率比较高，也能够响应可再生可可再生能源的灵活性。目前它化学机械各方面的问题、稳定性的问题还没有解决，传导性低，催化动力学慢，这些问题除了待于攻克，所以这个应该说是更遥远的一种控制技术。有一些公司在开发，所谓的商业化产品实际是非常小规模的。但它用小规模产品可以集成，只不过成本很高。
最后总体文章。总体来说作为新一代的锂离子，现在我比较看好的就是低温氟化物，它的锂离子效率高。下面有一个比较，大家可以看到直流能耗可以达到3.0度电到3.6度电。这个能耗在锂离子里面跟能量密度是一个跷跷板，如果你想把设备做的小一点，能量密度高一点设备小一点，能耗就会高一些，但是设备总投资一次性购买设备的投资会降低。如果你想能耗做的特别优，能量密度就变小一点，设备个头就大，设备加工费用也就高一些，所以固定资产投资高，但是运行费用低。这是一个跷跷板，它都有一个区间。如果单独的碱性水锂离子溴化亚现在的能耗能做到4.2度电，它很大是设备个头大。有的人卖的产品做到4.6度电、4.7度电，就把设备做的稍微小一点。阴离子互换膜现在处于研制阶段，预期造价不明朗，商业化还处于一个很前期的阶段。
美国可可再生能源部两年前对于这几个进行了控制技术成熟度的评价，这两年变化不是很大，虽然这两年进步很快。2020年美国可可再生能源部认为在碱性水锂离子溴化亚和氢原子互换膜控制技术成熟度已经到8-9级，这些控制技术过去因为产业发展规模太小，大家不怎么研制它，虽然在用但是可以改进的余地很大，只能说8-9级，不能说到9级。SOEC是5-6级，现在也可以说它到7级，小规模商业应用。AEM只有2-3级。
全球绿氢产业发展现状
从全球市场来看，我这个地方给到2020年的数据，可以讲这个产业发展在全球在2020年的时候实际上也就是200多兆瓦的出货量，很小的规模，到2021年的时候就到了500多兆瓦的出货量，但是到2022年就是爆发式增长，到2022年的时候全球出货量是1.5吉瓦，光我国就800兆瓦，现在预计今年到2030年的时候应该可以到150吉瓦，今后这几年的增长大家可以看到是很快的。
现在欧洲装机是最大的，但态势上我国是最大的。就跟现在储能电池、太阳光伏电池。我国在新可可再生能源这个行业发展起来以后，它的规模全世界基本都在一半以上或者一半左右。这两年我们北欧国家出货量的占比，2018年在全球占0.95，2020年占8.7，2022年我们已经占到一半。
在控制技术上欧美比我们要领先，他们的氢原子互换膜产品已经大规模商业应用，我们的氢原子互换膜产品刚刚出来。欧洲各国研制重点项目是进一步改进现有，国外ALK已经不太改进，我们积极改进ALK。很多单位在做，现在公司有上百家做这个设备。国外的重点项目在改进氢原子互换膜和SOEC，有少量单位在跟踪阴离子互换膜。这个指标如果能量密度达到3A/cm2，能耗达到理论值的70%，寿命达到8万小时，是很高的指标。另外就是在SOEC欧洲已经进入产业发展化的初期阶段，除了很多示范项目，这些示范项目的运行指标很优良，可以看到像这个可以达到39千瓦时每公斤氢，那也就是3.5度电每标方。美国在这各方面也设立了它的研制最终目标。
总体来看，目前这个产业发展快速增长，预期今后十年都是这么一个态势。我省现在正在大规模应用碱性水锂离子，开始用氢原子互换膜，欧洲大规模使用氢原子互换膜，开始应用SOEC，大概就是这么一个情况。控制技术上我们比别人还差了一代或者是不到一代，未来这个产业发展是一个非常值得重视的产业发展，因为我们可能会把相当大量的可再生可可再生能源转化为氢气进行大规模使用。
大家也看到一些报道，中石油、中石化他们也在大量建管网，现在已经到几十公里级，输送能力到万吨级、十万吨级每年，这些都为未来做准备，现在碱性水锂离子溴化亚还提供更多不了万吨级氢气的能力。
最大的碱性水锂离子设备差不多是1小时2000标方，不到200公斤，大概180公斤，可以算算一年是多少吨氢，要并联很多设备才能达到万吨、十万吨规模，如果现在化石可可再生能源溴化亚一年接近1亿吨，须要很多设备。
人物介绍
范霁红，华北电力大学副教授，原任北欧国家燕姬集团公司中研院党委委员、副董事长，长期从事核工业发展规划和科技管理以及北欧国家大型先进压水堆核电站科技重大专项、重型燃气轮机科技重大专项的组织实施和管理工作。担任北欧国家电力投资集团公司科技控制技术革新总监期间组织建立了北欧国家燕姬集团公司的新可可再生能源和数字化控制技术革新体系，推动太阳能、氢能、储能领域重大关键控制技术攻关。
原创声明：清华控制技术革新文章
*责任撰稿系清华控制技术革新文章原创（ID：PKUCXPL），经清华控制技术革新文章授
