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氢能科学与工程:能源界刮起“氢旋风”

时间:2023-08-11   访问量:1246

一专业解析

什么是氢能?氢能有什么优势?

“氢”既是元素周期表中原子质量最轻的元素,又是宇宙中含量最多的元素。现在,提起“氢”,我们已经不再陌生。北京2022年冬奥会火炬,就是采用纯氢作为燃料。冬奥会核心赛区也投入了700余辆氢燃料大巴车,用于日常交通。

“氢能是指将氢气作为能源储存和利用的载体。相比传统燃料,氢能具有零排放、能源转换效率高、可再生等优势。”华北电力大学氢能科学与工程教研室副主任杨天让老师介绍说,“氢能是一种高能量密度、高燃烧热值的燃料,对比现有电动汽车,氢燃料汽车可以实现更长的行驶里程,且加氢仅需要几分钟的时间;做为能量载体,氢能对比电能可以有多种储存方式,如高压压缩、低温液化、固体储氢等;同时,氢能还是少有的能够储存百吉瓦时以上的方式,且运输方式多元,不受输配电网络限制,从而帮助可再生能源大规模消纳,实现电网大规模调峰和跨季节、跨地域储能。”

新工科理念下的新型交叉型专业

氢能科学与工程专业是新工科理念下诞生的的新型交叉型专业,是一门综合性学科,融合了制氢、运氢、储氢、用氢以及氢安全等氢能全产业链条,开展全方位跨学科人才培养。

以华北电力大学为例,该专业知识体系包含化学工程、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、电气工程等专业方向的内容。课程体系设置包括:1.大电力学科体系下的工科公共基础课程,数学、物理、计算机、思政、体育、英语等;2.多学科交叉专业基础课程,涵盖了化学、材料、工程热物理、电气、机械和控制学科的关键课程;3.面向制氢、储氢、用氢、氢安全核心产业环节的专业核心课程;4.针对进阶知识的专业选修课程,包括科研进展、热点应用和关键工具技能的教学;5.实践课程体系根据核心课程和产业需要,设置了基础实验、科研实验和产业实践模块。

特设布控专业,审批要求严格

“氢能科学与工程专业(080506KT)于2022年正式进入教育部本科专业目录,大类为能源动力类,属于控制开设专业又属于特别设置的专业,兼有控制专业与特设专业的属性和特性。”华北电力大学能源动力与机械工程学院副院长沈国清老师说:“目前,氢能产业逐渐由工业气体的小众属性转变为能源领域的基础属性,社会关注度高,但是行业和产业尚处于探索和示范阶段,高校开设氢能本科专业需要加以引导和控制,要对专业设置进行充分论证。目前来说国家对相关专业审批还是比较严格的。”

二专业与就业


“氢”风徐来,方兴未艾

第一次能源危机,氢能作为一种替代能源进入人们的视野。在全球向低碳、绿色转型的大背景下,世界各国开始积极探索,利用氢燃料实现“无污染、零排放”。

我国2019年3月首次将氢能写入《政府工作报告》,在公共领域加快充电、加氢等设施建设。2020年4月,《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》拟将氢能列入能源范畴。2021年10月,中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,统筹推进氢能“制—储—输—用”全链条发展。2022年3月,国家发展和改革委员会发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,氢能被确定为未来国家能源体系的重要组成部分和用能终端实现绿色低碳转型的重要载体,氢能产业被确定为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。2022年4月,教育部关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知,提出要加快氢能技术及装备专业人才的培养以及氢能相关学科的建设,以夯实我国氢能产业高质量发展的人才基础。

产业人才缺口凸出

据杨老师介绍,氢能产业链的上游为制氢,中游是氢储运,下游为氢的综合应用。到2060年,我国氢能需求预计达1.3亿吨,其中工业需求占主导地位约60%,交通运输领域将逐年扩大规模达到31%。当前,我国氢能及燃料电池主要应用于交通领域,围绕氢燃料电池汽车已经形成了氢气制、储、运、用全产业链。

毕业生可在布局氢能产业的能源动力和电气类国央企、氢燃料电池企业、新能源汽车企业、新能源电力企业、氢能制取、氢能转化、氢能管理、氢能安全应用等行业从事系统运行、检测维护、检验分析、电池装配与维护、安全监管等工作,成为氢能技术领域的卓越工程师;也可选择考研深造,在高等院校和科研院所从事教学和研究工作,以及深耕技术研发,成长为能源电力行业、氢能装备和氢能技术应用方向的复合型领军人才。

随着氢能产业的发展驶入“快车道”,氢能产业正面临人才缺口的问题日益凸显。当前氢能领域人才主要来自化学工程与技术、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、能源化学工程专业、新能源材料与器件等专业。在专业能力方面,氢能专业在学科交叉、跨域培养方面还未形成体系,现有人才普遍面临基础知识储备不足,知识结构单一的问题;在工程实现方面,国内氢能领域的人才培养一直存在入门难度高、专业资源少、实验基础薄弱、实训项目缺失等问题。氢能人才普遍缺乏工程经验,现有工程实践能力难以满足产业落地需求。未来,行业将持续需求基础理论和专业知识扎实、工程设计和实践技能突出以及创新能力和研究技能俱佳的知识复合型人才。

未来发展在“绿氢”

我国氢气制取主要以化石燃料为主,占比约80%,未来一段时间,随着可再生能源发电成本持续降低,电解制氢占比将逐年上升,预计2050年达到70%。

据杨老师介绍,氢气不像煤、石油和天然气可以直接从地下开采,必须从水、化石燃料等含氢物质中制得,所以是二次能源。目前氢气主要的制得方式还是化石能源的重整:比如甲烷,我们可以通过化学反应的方式去掉碳,把它变成氢气;比如炼化石油过程中副产的氢气,但这个缺点就是需要用到化石能源。所以,未来氢能尤其是可再生能源电解水制备“绿氢”,将成为构建清洁低碳、安全高效、可持续发展的能源体系的重要载体。