在海拔2198米的小海坨山間，一段7.5公里盤山路上集中了14個(gè)“胳膊肘彎”，海拔從900米上升至1480米，蜿蜒曲折、崎嶇險(xiǎn)峭。這是延慶冬奧村抵達(dá)國家高山滑雪中心的地面路徑。
北京冬奧會期間，搭載國家電投“氫騰”燃料電池的氫能大巴穿梭其間，以“零事故、零故障、零失誤”的穩(wěn)定表現(xiàn)，完成了一次華麗亮相。這是冬奧會歷史上第一次大規(guī)模使用氫燃料電池汽車作為主運(yùn)力，也是國產(chǎn)自主研發(fā)氫燃料電池汽車第一次和國際巨頭在同一賽道上競爭。
“清潔能源是公司未來的主要發(fā)展方向。國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃的發(fā)布，為我們開展氫能利用技術(shù)自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)模化發(fā)展提供了機(jī)遇。我們將扛起能源革命中的央企責(zé)任，繼續(xù)做清潔低碳能源轉(zhuǎn)型的排頭兵。”國家電力投資集團(tuán)有限公司董事長錢智民說。
先機(jī)：考驗(yàn)的是戰(zhàn)略眼光
2015年7月，中國電力投資集團(tuán)公司和國家核電技術(shù)有限公司實(shí)施重組，成立國家電投。彼時(shí)，國家電投清潔能源占比已是行業(yè)第一，兩家能源央企的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，又使其成為國內(nèi)同時(shí)擁有風(fēng)、光、水、火、核、氣、生物質(zhì)發(fā)電的綜合能源企業(yè)。但他們不甘于此，而是將目光瞄準(zhǔn)了“未來的能源”。
在錢智民看來，當(dāng)解決了能源供應(yīng)問題之后，能源的安全、利用效率，以及衍生的生態(tài)環(huán)境問題就變得尤為重要，發(fā)展氫能將是未來能源低碳轉(zhuǎn)型的重要路徑。
為什么是氫能?放眼能源行業(yè)，我國擁有豐富的可再生能源和綠電制氫優(yōu)勢。同時(shí)，近年來隨著光伏、風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘吭黾?，一些地區(qū)由于電力消納能力不足，存在棄風(fēng)棄光問題。利用電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來;在電力輸出不足時(shí)，儲存起來的氫能再利用燃料電池等發(fā)電回饋電網(wǎng)，既能解決可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問題，也能提高能源利用效率。
“通過構(gòu)建可再生能源發(fā)電與氫能供給的‘電—氫體系’，在供給側(cè)推動可再生能源規(guī)劃發(fā)展，在消費(fèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)交通、分布式供能等領(lǐng)域的化石能源替代，這將有力推動能源時(shí)空轉(zhuǎn)型和區(qū)域平衡，保障國家能源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)碳中和。”錢智民說。
從2016年起，在風(fēng)電、光伏領(lǐng)域搶占先機(jī)的國家電投，開始前瞻性地布局氫能、儲能等當(dāng)時(shí)很多企業(yè)看不準(zhǔn)、不敢碰的新領(lǐng)域。2017年5月，在能源央企中率先成立首家氫能專業(yè)化子公司——國家電投氫能科技發(fā)展有限公司(以下稱“國氫科技”)，專注于燃料電池研發(fā)、多應(yīng)用場景的氫動力系統(tǒng)開發(fā)、先進(jìn)儲能技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)等。
正是憑借這樣的“膽大心細(xì)”，過去6年間，國家電投在清潔能源技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目實(shí)施方面取得了一系列突破——光伏發(fā)電裝機(jī)、新能源發(fā)電裝機(jī)、可再生能源發(fā)電裝機(jī)三項(xiàng)指標(biāo)躍居世界第一;“氫騰”燃料電池實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈自主化創(chuàng)新……
“同傳統(tǒng)能源相比，我國可再生能源資源豐富，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯。在氫能時(shí)代，中國企業(yè)一定要抓住換道超車的機(jī)遇。”國家電投戰(zhàn)略規(guī)劃部副主任申偉東說。
創(chuàng)新：從零開始的勇氣
燃料電池電堆，被稱為氫能汽車的“心臟”。北京冬奧會期間，海拔2000多米的延慶賽區(qū)，冬季夜間氣溫在零下30攝氏度以下，搭載“氫騰”燃料電池的大巴經(jīng)受住了低溫、陡坡等重大考驗(yàn)。從材料到零部件，再到燃料電池電堆，均由國家電投自主研發(fā)。
回望5年前，這一切還難以想象。在國氫科技成立的2017年，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)幾乎一片空白。上游原材料供應(yīng)不成體系;下游應(yīng)用場景遠(yuǎn)未打開;更困難的是，一系列核心技術(shù)被“卡脖子”，催化劑、質(zhì)子交換膜(PEM)、雙極板等關(guān)鍵零部件幾乎全靠進(jìn)口。
“中國想要擁有自己的氫燃料電池技術(shù)，只能從零開始。”知名燃料電池專家柴茂榮正是在那時(shí)回國，加入國氫科技成為首席技術(shù)官，帶領(lǐng)一支30多人的初始團(tuán)隊(duì)，圍繞核心環(huán)節(jié)、關(guān)鍵零部件展開攻關(guān)，誓要實(shí)現(xiàn)燃料電池的全產(chǎn)業(yè)鏈自主化。
從無到有，這注定是一場時(shí)間與耐力的比拼。2021年12月，國氫科技30萬平方米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線投產(chǎn)，一舉打破國內(nèi)質(zhì)子交換膜市場被國外廠家長期壟斷的局面。
“質(zhì)子交換膜是氫燃料電池中的關(guān)鍵材料，作用是傳輸質(zhì)子，阻擋電子和氫氣穿梭，其地位相當(dāng)于芯片中的光刻膠。”國家電投氫能科技發(fā)展有限公司燃料電池技術(shù)部主任周明正說，此前，我國所用的質(zhì)子交換膜幾乎全靠進(jìn)口，1平方米(重20多克)的價(jià)格堪比同等重量的黃金。
在將近兩年時(shí)間里，國氫科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)“死磕”質(zhì)子交換膜難題，最終攻克樹脂分散及浸潤技術(shù)，研發(fā)出高電導(dǎo)率、高耐久性、低溶脹的質(zhì)子交換膜，部分指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，價(jià)格卻只有國外同類產(chǎn)品的一半。“目前我們已在大功率燃料電池電堆中應(yīng)用，并接獲多家公司采購訂單，燃料電池核心材料產(chǎn)業(yè)大步向前邁進(jìn)。”周明正說。
雙極板被稱之為電堆的“骨架”，在燃料電池中起著支撐膜電極、為燃料氣體及冷卻液提供通道的作用。近幾年，國外企業(yè)研制出鈦合金雙極板，啟動快、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)，但沖壓成型難。如果中國企業(yè)無法制造，就只能依賴進(jìn)口。
國氫科技決定從最基礎(chǔ)的金屬冶煉做起，一爐爐進(jìn)行鈦材冶煉試驗(yàn)，相繼攻克沖壓用鈦箔材，突破薄板壓延、焊接、表面鍍膜等工藝難題，開發(fā)出耐腐蝕性強(qiáng)的鈦基雙極板。2020年，鈦基雙極板生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，國家電投成為全球第二個(gè)掌握鈦雙極板全套生產(chǎn)工藝的公司。
質(zhì)子交換膜、雙極板、催化劑、擴(kuò)散層、膜電極、電堆、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵/引射器……5年間，燃料電池的八大關(guān)鍵部件，一個(gè)一個(gè)被攻克，國家電投實(shí)現(xiàn)了從材料到零部件再到燃料電池電堆和系統(tǒng)的全線自主化。
布局：選擇一條更難的路
“氫騰”燃料電池的科技攻堅(jiān)之路，只是國家電投發(fā)力全產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新，打破國外技術(shù)壟斷的一個(gè)縮影。
近年來，從全產(chǎn)業(yè)鏈布局的戰(zhàn)略高度出發(fā)，國家電投從能源線和產(chǎn)品線兩方面統(tǒng)籌氫能業(yè)務(wù)發(fā)展。在能源線方面，協(xié)同推進(jìn)可再生能源發(fā)電與制氫、加氫站建設(shè)及氫能綜合利用。在產(chǎn)品線方面，布局可適用于風(fēng)光制氫的質(zhì)子交換膜制氫裝置，加大燃料電池關(guān)鍵核心研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等，覆蓋了從科技研發(fā)、產(chǎn)品到市場轉(zhuǎn)化的完整產(chǎn)業(yè)鏈。
“如果只是單點(diǎn)突破，只需要應(yīng)對局部挑戰(zhàn)，如果全產(chǎn)業(yè)鏈布局就必須應(yīng)對全方位挑戰(zhàn)。這對企業(yè)來說或許是選擇了一條更難的路，但作為能源央企，這種責(zé)任無可回避。只有將產(chǎn)業(yè)鏈牢牢掌握在自己手中，才能避免在國際上受制于人。”國家電投氫能科技發(fā)展有限公司總經(jīng)理張銀廣說。
全產(chǎn)業(yè)鏈布局，難在哪里?難在氫能產(chǎn)業(yè)鏈長并且環(huán)節(jié)眾多。氫能源的利用要從氫的制備開始，經(jīng)過制備氫、儲存氫、運(yùn)輸氫到最后分配氫、使用氫，“制、儲、運(yùn)、用”每個(gè)環(huán)節(jié)的科技含量都很高，而其中最核心的環(huán)節(jié)當(dāng)屬氫氣的制取。
目前，世界主流的制氫方式存在三種技術(shù)路線，即石油、天然氣、煤炭等化石能源重整制氫，工業(yè)副產(chǎn)品提純制氫以及電解水制氫。其中，質(zhì)子交換膜電解水制氫具有能量密度高、電解效率高、氣體純度高等優(yōu)勢，但技術(shù)難度也最高。
在位于北京市延慶區(qū)的國家電投氫能創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園，一套由3個(gè)高5.6米、長10米模塊組成的橇裝式質(zhì)子交換膜純水電解制氫設(shè)備矗立于園區(qū)之內(nèi)。國家電投中電智慧綜合能源有限責(zé)任公司副總經(jīng)理孫向東說，這是國內(nèi)首臺(套)兆瓦級新型電解水制氫裝置。通過與德國西門子能源公司的合作，企業(yè)走過了技術(shù)引進(jìn)、消化吸收的階段，如今在部分關(guān)鍵制氫技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了比肩國際巨頭的能力。
加氫站是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，也是氫能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用的關(guān)鍵。在國家電投旗下的中關(guān)村延慶園加氫站，工作人員現(xiàn)場向記者演示了加氫過程。一輛氫燃料大巴，一次加滿氫能只需10分鐘，續(xù)航能力可達(dá)到400公里，節(jié)省燃油約80公斤。
孫向東說，這座加氫站在北京冬奧會和冬殘奧會期間，累計(jì)為73輛氫燃料客車提供了近700臺次加注服務(wù)，實(shí)現(xiàn)柴油替代35噸，減排二氧化碳120噸，未來這里將成為延慶區(qū)重要的氫能交通基礎(chǔ)設(shè)施之一。
“持續(xù)創(chuàng)新是我們最核心的競爭力。即便如今我們已經(jīng)攻克了產(chǎn)業(yè)鏈上許多‘卡脖子’技術(shù)和難題，但我們?nèi)灾郛a(chǎn)業(yè)新趨勢，儲備新技術(shù)。”孫向東說。
開拓：落地的才是真實(shí)的
從氫能交通開始，國家電投力圖打開氫能廣闊的應(yīng)用空間。近年來，公司系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，為傳統(tǒng)交通抹上了“新綠”：氫能大巴落地，燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程更長、環(huán)保性能更優(yōu);氫能無人機(jī)起飛，重量輕、噪音低、零碳排放;全國首臺氫能機(jī)車試運(yùn)行，可降低長距離、高負(fù)荷交通運(yùn)輸對傳統(tǒng)油氣燃料依賴……
“氫能產(chǎn)業(yè)鏈長、利用領(lǐng)域廣，在電力、化工、冶金等領(lǐng)域都擁有豐富的想象空間。”張銀廣說，圍繞氫能的“長價(jià)值鏈”，國家電投擘畫出清晰的戰(zhàn)略路線圖：打造氫能源生產(chǎn)和供應(yīng)體系，提供燃料電池及相關(guān)終端應(yīng)用產(chǎn)品，并提供面向用戶的綜合解決方案。
技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)拓展，離不開人才、資金各類要素的集聚。國家電投始終重視人才培養(yǎng)，僅國氫科技就擁有3位院士組成的專家顧問團(tuán)隊(duì)和百余人的骨干研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其中碩博及以上學(xué)歷者占比超過90%。“5年來，國氫科技瞄準(zhǔn)行業(yè)前沿技術(shù)，不斷加大研發(fā)投入。”柴茂榮感慨，正是公司這股自主創(chuàng)新的決心，讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)滿懷希望，堅(jiān)定信念勇往直前，立志開拓出廣闊的氫能應(yīng)用前景。
氫能能量究竟有多大?目前沒有終極答案。但可以確定的是，每一次技術(shù)突破，每一條生產(chǎn)線投產(chǎn)，都讓人們離“氫生活”更近了一些，讓中國企業(yè)在搶占全球“氫競爭”制高點(diǎn)中更快了一步。作為氫能科技前行者，國家電投的開拓創(chuàng)新沒有止境，依然在路上。(記者 祝 偉 李華林)
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