氫能具備化工原料和能源的雙重屬性，作為能源應(yīng)用，氫能既可以保障能源供給，亦可以削峰填谷。得益于其能量密度高、清潔、可實(shí)現(xiàn)季節(jié)性儲(chǔ)能等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，疊加氫能制儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步與相關(guān)成本下降，氫能正成為推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型、建設(shè)能源強(qiáng)國(guó)的重要戰(zhàn)略組成。
“過去因?yàn)闅錃獾陌踩詥栴}，大家往往談‘氫’色變，但實(shí)際上大可不必，氫氣爆炸極限是4.0%~75.6%，以燃料電池車和燃油汽車著火為例，氫氣由于密度較小、氣壓較大，會(huì)快速向上方擴(kuò)散，燃燒穩(wěn)定，氫燃料電池車在發(fā)生氫泄露后并不會(huì)發(fā)生爆炸;而燃油汽車在發(fā)生泄露并被點(diǎn)燃后，火焰將迅速蔓延全車。”在9月21日召開的2024年海峽兩岸能源電力融合發(fā)展論壇上，中國(guó)科學(xué)院院士鄭南峰分析道。
在論壇上，鄭南峰院士發(fā)表了題為《氫能發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的主旨報(bào)告，他在報(bào)告中指出，發(fā)展可再生能源是保障我國(guó)能源安全的重要戰(zhàn)略，然而隨著可再生能源的大規(guī)模高速發(fā)展，電力系統(tǒng)也面臨著新能源并網(wǎng)消納、資源負(fù)荷分布不均等挑戰(zhàn)，迫切需要大規(guī)模、跨季節(jié)長(zhǎng)周期的儲(chǔ)能策略。氫能作為一種能源載體，對(duì)于解決新能源的間歇性和不穩(wěn)定性問題至關(guān)重要，利用可再生能源直接電解水制氫，通過“荷隨源動(dòng)”技術(shù)將電解水設(shè)備運(yùn)行功率與新能源出力波動(dòng)緊密耦合，不僅能夠提高可再生能源的有效利用率，支撐電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性，還能顯著降低綠氫的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)綠氫制備全生命周期的“零碳”足跡。
作為能源應(yīng)用是氫能未來的拓展方向
鄭南峰院士認(rèn)為，氫能和氨基能源作為新型能源載體，正在成為連接新型電力系統(tǒng)與現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵橋梁，“綠電-綠氫-綠氨”路徑對(duì)于推動(dòng)氫能與電力耦合、氫能與化工耦合以及實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有至關(guān)重要的意義。
“當(dāng)今全球能源領(lǐng)域面臨發(fā)展瓶頸和眾多難題，我國(guó)傳統(tǒng)能源高度依賴進(jìn)口，存在‘卡脖子’風(fēng)險(xiǎn)，因而我國(guó)正在積極構(gòu)建產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型和能源新賽道，我國(guó)在建立改變能源利用方式的顛覆性技術(shù)和新賽道方面絕不能落后。”鄭南峰院士分析說，“中國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)電網(wǎng)影響深遠(yuǎn)，隨著新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力增大，更大規(guī)?？稍偕茉吹睦眉毙栊履茉聪{、儲(chǔ)能技術(shù)的支撐，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高容量、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的限制為氫能發(fā)展創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。”
據(jù)鄭南峰院士介紹，氫的能量密度很高，達(dá)到140.4兆焦耳/千克，約為鋰電池能量密度(0.72兆焦耳/千克)的200倍，接近標(biāo)準(zhǔn)煤能量密度(20.8兆焦耳/千克)的7倍，是汽油(43.1兆焦耳/千克)和天然氣(41.9兆焦耳/千克)能量密度的3倍還多。此外，氫能可實(shí)現(xiàn)電能跨季節(jié)、長(zhǎng)周期、大規(guī)模存儲(chǔ)。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能在短周期、分布式、小規(guī)?？稍偕茉磧?chǔ)能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而氫能則是目前集中式、大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)存的最佳途徑。“我國(guó)新能源發(fā)電與社會(huì)用電量季節(jié)性供需不匹配，氫儲(chǔ)能可在電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)儲(chǔ)存能量，在高峰時(shí)釋放，有助于平衡電網(wǎng)供需，提高電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。時(shí)間上，氫能可以滿足數(shù)天、數(shù)月乃至更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能，空間上可以滿足跨區(qū)域、長(zhǎng)距離的轉(zhuǎn)移，應(yīng)用范圍上可轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學(xué)能等。”鄭南峰院士進(jìn)一步解釋道。
鄭南峰院士指出，氫的應(yīng)用場(chǎng)景涉及化工、交通、工業(yè)、建筑與供熱、電力領(lǐng)域，但目前氫主要還是作為化工原料使用，作為能源應(yīng)用是其未來的拓展方向。氫作為化工原料，其三大主要產(chǎn)品是綠氨、綠甲醇、綠色航煤(SAF);交通將成為氫能消費(fèi)的重要突破口，在交通領(lǐng)域，氫能與油、鋰電池形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，氫氣具有綠色、續(xù)航長(zhǎng)、加注時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，基于氫能的燃料電池車有望與純電動(dòng)汽車形成互補(bǔ)發(fā)展，但業(yè)界普遍認(rèn)為只有當(dāng)制備1千克氫氣的價(jià)格降至35元以下，其經(jīng)濟(jì)性才具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;我國(guó)工業(yè)高溫領(lǐng)域產(chǎn)生的二氧化碳排放占總排放的7%，在冶金工業(yè)領(lǐng)域，以氫替代碳用作煉鋼還原劑可實(shí)現(xiàn)“零碳排放”，但反應(yīng)也從放熱變?yōu)槲鼰?，需要額外的能量補(bǔ)給;我國(guó)建筑和供暖領(lǐng)域產(chǎn)生的二氧化碳排放占比為12%，未來可以在現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)摻入20%的氫，以有效降低碳排放，但需額外尋找有效防治管網(wǎng)氫脆現(xiàn)象的手段。
先立后破
穩(wěn)步改變我國(guó)氫能供給結(jié)構(gòu)
鄭南峰院士在報(bào)告中指出，灰氫是指化石能源制氫，涵蓋煤、焦炭氣化制氫，石油重整制氫、天然氣重整制氫，制備1噸灰氫將產(chǎn)生9~20噸二氧化碳排放。藍(lán)氫是指“灰氫+CCUS技術(shù)”，即將制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳捕獲封存至地下，又或者是工業(yè)副產(chǎn)氫，其制備沒有造成額外的碳排放。綠氫是指可再生能源制氫，囊括綠電電解水、生物質(zhì)氣化、光/熱化學(xué)分解水，綠氫制備無二氧化碳排放。此外，還存在一種名為白氫的未來可探索資源，即存在于自然界中的天然氫，白氫的發(fā)現(xiàn)位列《Science》2023年度十大科學(xué)突破。
2021年，我國(guó)年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，是世界最大的制氫國(guó)，且主要為灰氫。盡管氫能的發(fā)展空間巨大，但是成本高仍是行業(yè)痛點(diǎn)，如果制氫成本降不下來，氫能應(yīng)用很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。鄭南峰院士強(qiáng)調(diào)，當(dāng)前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，主要的挑戰(zhàn)是成本和安全問題，成本問題涉及如何實(shí)現(xiàn)氫能的綠色廉價(jià)獲取、高效儲(chǔ)運(yùn)、低成本規(guī)模應(yīng)用，此外，氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)運(yùn)營(yíng)也有待加強(qiáng)。未來，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)有望推動(dòng)綠氫的平價(jià)化，綠氫生產(chǎn)的價(jià)格會(huì)大幅度下降。
政策方面，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局在2022年聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021~2035年)》，明確提出“構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫。”“到2025年，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。”“在焦化、氯堿、丙烷脫氫等行業(yè)集聚地區(qū)，優(yōu)先利用工業(yè)副產(chǎn)氫，鼓勵(lì)就近消納，降低工業(yè)副產(chǎn)氫供給成本”。
地方政府也相繼出臺(tái)有利于氫能發(fā)展的政策，山東、四川、吉林、陜西等地相繼對(duì)氫能車輛免高速通行費(fèi)。以干線物流為例，按每千米成本2.5元來估算，每天跑600千米，每年跑300天，高速通行費(fèi)用每年可節(jié)省約45萬元。
鄭南峰院士在報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量大、分布廣、價(jià)格低，短期發(fā)展優(yōu)勢(shì)顯著。目前，已有30多個(gè)省市區(qū)發(fā)布涉及氫能的規(guī)劃和政策，其中不少地區(qū)如山東、山西、內(nèi)蒙古等省區(qū)都提出要發(fā)揮本地的“工業(yè)副產(chǎn)氫資源優(yōu)勢(shì)”。
“要用便宜的氫源打通產(chǎn)業(yè)鏈，布局加氫站、加氫管道、氫能車等，工業(yè)副產(chǎn)氫是中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過渡方案。”鄭南峰院士表示，“先吃飽，再吃好，優(yōu)先使用灰氫，逐步過渡到綠氫，這與構(gòu)建新型電力系統(tǒng)相似，我們要以‘先立后破’的方式穩(wěn)步改變我國(guó)氫能供給結(jié)構(gòu)。”
為解決氫能制儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)存在的技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)，今年8月，中央企業(yè)綠色氫能制儲(chǔ)運(yùn)創(chuàng)新聯(lián)合體在京正式啟動(dòng)。創(chuàng)新聯(lián)合體將致力于構(gòu)建以央企為主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研融合、大中小企業(yè)融通的良好生態(tài)，持續(xù)完善運(yùn)行機(jī)制，凝聚優(yōu)勢(shì)科研力量，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的全鏈條創(chuàng)新，共同推動(dòng)我國(guó)綠色氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。
以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，加快推進(jìn)“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應(yīng)用
據(jù)國(guó)際能源署(IEA)預(yù)測(cè)的全球氫氣需求及電解槽裝機(jī)規(guī)模，2030年氫氣需求1.5億噸，其中電解制氫5000萬噸，電解槽總裝機(jī)可達(dá)590吉瓦;2050年氫氣需求4.3億噸，其中電解制氫3.3億噸，電解槽總裝機(jī)可達(dá)3.3太瓦。
當(dāng)前，電解水制氫主要的技術(shù)路線包括：堿性電解水ALK、質(zhì)子交換膜電解水PEM、陰離子交換膜電解水AEM、固體氧化物電解水SOEC。據(jù)鄭南峰院士介紹，在傳統(tǒng)電解水裝備應(yīng)用場(chǎng)景，產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)性并非首要考慮因素，傳統(tǒng)電解槽具有要求穩(wěn)定電源的能量交互特征，定功率運(yùn)行，不考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。而技術(shù)最成熟、廣泛應(yīng)用的堿性電解槽技術(shù)存在電流密度低、能耗高、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，難以匹配可再生能源電力的波動(dòng)性等問題，影響了其與可再生能源的耦合效率。PEM電解水制氫技術(shù)具有高電流密度、高產(chǎn)氫純度、響應(yīng)速度快、靈活性高等優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在成本高，陽(yáng)極材料貴、耐久性低等“卡脖子”問題。
為突破上述難題，近年來，廈門大學(xué)與福建省、廈門市政府三方共建的嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，迭代布局短期、中期、長(zhǎng)期三大綠氫制備技術(shù)路線，突破適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性的大規(guī)模電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)，降低材料與裝備成本，為可再生能源離網(wǎng)制取綠氫提供高經(jīng)濟(jì)性的成套解決方案。
“我們團(tuán)隊(duì)突破性研發(fā)的高性能堿性電解水制氫裝備具有寬功率波動(dòng)、快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，為新能源大規(guī)模消納提供了解決方案。”鄭南峰院士如是說。據(jù)介紹，該創(chuàng)新技術(shù)在有59個(gè)國(guó)家和地區(qū)450個(gè)項(xiàng)目參賽的第三屆TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽中榮獲百萬美元的唯一金獎(jiǎng)。
嘉庚實(shí)驗(yàn)室PEM電解水制氫團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低銥陽(yáng)極高電流密度電解槽，陽(yáng)極催化劑銥載量降低60%以上，可大幅降低制氫成本，同時(shí)，保持高電流密度、低能耗、高穩(wěn)定性。該創(chuàng)新技術(shù)裝備不僅入選國(guó)家能源領(lǐng)域首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備項(xiàng)目，還獲得了2024年氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽冠軍。
鄭南峰院士指出，未來新能源消納需要低成本適應(yīng)寬功率波動(dòng)的混聯(lián)制氫方案，即ALK-PEM混聯(lián)制氫。廈門大學(xué)、嘉庚實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合國(guó)家能源集團(tuán)等央企單位，正著力攻關(guān)30兆瓦混聯(lián)制氫系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用。國(guó)家能源集團(tuán)在寧夏建設(shè)有全球最大規(guī)?？稍偕鷼涮紲p排示范區(qū)，示范區(qū)內(nèi)的煤化工基地將為項(xiàng)目示范落地及產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)性提供支撐。
在鄭南峰院士的設(shè)想中，產(chǎn)學(xué)研各界力量將共同推動(dòng)“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應(yīng)用，其中的“X”可以是氨基移動(dòng)式能源、波動(dòng)性儲(chǔ)能，也可以是化工原料、能源消費(fèi)終端。通過不斷研發(fā)突破電源技術(shù)、制氫技術(shù)、氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，加快發(fā)展以能源科技創(chuàng)新引領(lǐng)的新質(zhì)生產(chǎn)力，氫能、氨基能源因其獨(dú)特的雙重屬性將成為連接新型電力系統(tǒng)與現(xiàn)代能源體系的媒介，推動(dòng)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
（來源：中國(guó)電力企業(yè)管理）
