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“新能源是國際能源競爭的焦點，也是綠色發(fā)展的未來。我國能源對外依存度大，能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。大幅提升新能源占比、加速高碳能源向低碳能源轉(zhuǎn)型，對我國能源革命和社會可持續(xù)發(fā)展意義重大。氫氣隨著制取、儲運及應用技術的不斷突破，已逐步實現(xiàn)從傳統(tǒng)化工原料向能源載體的轉(zhuǎn)變?；陲L光等可再生能源制取的綠氫將成為推動能源、工業(yè)、交通等領域綠色轉(zhuǎn)型的關鍵抓手?！?/em>同濟大學長聘特聘教授張存滿在國家科技傳播中心學術發(fā)展講堂上發(fā)表如上觀點。
從能源安全到“雙碳”驅(qū)動的氫能演進
人類能源利用史歷經(jīng)數(shù)次重大變革。遠古先民以鉆木取火肇始，木炭應用標志著薪柴時代的文明啟蒙。工業(yè)革命催生了能源結(jié)構的根本性轉(zhuǎn)變，煤鐵與油氣資源的深度開發(fā)與利用構筑起全球工業(yè)化基石。上世紀90年代，能源革命浪潮再起，風能、太陽能等清潔能源技術迭代加速。
我國的能源條件是富煤、貧油、少氣，石油和天然氣的進口依賴度高，能源安全問題較為突出。然而，我國風光資源豐富，在新能源時代，我國有望實現(xiàn)能源自給自足，進一步實現(xiàn)能源出口。
2020年，我國正式提出“雙碳”戰(zhàn)略，錨定全球能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標。為實現(xiàn)這一重大戰(zhàn)略目標，我國產(chǎn)業(yè)體系必須實施根本性變革：從依賴高碳化石能源向構建低碳可持續(xù)能源體系演進。作為關鍵戰(zhàn)略支撐，“雙碳”目標正在加速能源結(jié)構迭代進程，核心在于通過大幅提升新能源占比驅(qū)動能源革命縱深發(fā)展。
隨著能源轉(zhuǎn)型的深入，能源體系出現(xiàn)新需求，即在風能和太陽能之外，需要一種新型能源作為支撐。由此，我們提出了對氫能的利用。
新能源時代下的氫能應用
氫能并非創(chuàng)新概念。作為宇宙中豐度最高的元素，氫在工業(yè)領域早已建立成熟的應用體系：化工產(chǎn)業(yè)中，千萬噸級氫耗支撐著化肥產(chǎn)業(yè)鏈；煉油工藝中，加氫脫硫技術用于提升油品質(zhì)量。化石能源體系下，氫氣長期作為工業(yè)氣體或化工原料存在。新能源革命賦予氫新的定位。依托清潔化一次能源制取的“綠氫”，正突破傳統(tǒng)化工原料邊界，基于零碳屬性向交通動力、綠色工業(yè)轉(zhuǎn)型、長時儲能等多維能源載體跨越。
交通是氫能優(yōu)先發(fā)展的領域。
過去，氫能產(chǎn)業(yè)研究重點集中在燃料電池汽車，技術路線主要分為燃料電池發(fā)電驅(qū)動和氫內(nèi)燃機驅(qū)動。前者是指，燃料電池汽車通過燃料電池發(fā)電，實現(xiàn)電氣化驅(qū)動；而氫內(nèi)燃機則是通過燃燒氫氣做功驅(qū)動車輛，排放物主要是水。對比而言，燃料電池發(fā)電驅(qū)動有著明顯優(yōu)勢：其效率可達50%以上，且能真正實現(xiàn)零排放，而氫內(nèi)燃機的效率通常低于40%，綜合功率在30%上下。
早期，燃料電池技術研發(fā)的重點是乘用車，通用、豐田、現(xiàn)代、奔馳等企業(yè)均以乘用車為研發(fā)重點。近年來，我國在探索氫動力汽車商業(yè)化路線時發(fā)現(xiàn)，乘用車路線面臨基礎設施依賴強、市場競爭難度大等問題。由此，我們提出了以商用車為先行的商業(yè)化路線。
從商用車的角度來看，純電動動力電池在商用車領域的應用仍面臨挑戰(zhàn)。雖然我國已探索出快充、換電等替代方案，但從汽車的本質(zhì)特性來看，氫燃料電池由于加氫速度快，續(xù)航里程長，更適合商用車場景。
此外，氫能也適用于其他交通領域。在軌道交通領域，雖然是德國較早在機車采用氫燃料電池，但我國在研發(fā)和應用方面也取得了良好示范，首列氫能源市域列車，實現(xiàn)全系統(tǒng)、全場景、多層級性能驗證；在船舶領域，我國也已開啟氫燃料驅(qū)動的轉(zhuǎn)型，首艘入級中國船級社氫燃料電池動力船“三峽氫舟1”號運行情況良好；在航空領域，美國、歐盟等國家已在加速推動大中型商務飛機、小型無人機和輕型飛機等氫燃料電池技術的研發(fā)和應用。
工業(yè)是氫能需求最大的領域。
工業(yè)領域的碳排放量極大，僅次于電力行業(yè)。其中，鋼鐵、化工、冶金碳排放量約占全國碳排放量的25%以上。
這些行業(yè)如何在新能源革命過程中實現(xiàn)清潔化和低碳化是關鍵問題。
氫能在工業(yè)領域應用廣泛，首先是綠色冶金。以鋼鐵領域為例，傳統(tǒng)的煉鋼過程需要用焦炭作為還原劑，這個過程會產(chǎn)生大量的碳排放，而使用氫氣替代焦炭，可以從根本上解決這個問題，這就是我們常說的“氫冶金”技術。目前，國內(nèi)已在部分鋼廠開展示范工程，預計未來10至20年，“氫冶金”將成為推動鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要抓手。
我國在氫冶金領域已經(jīng)形成“氫基豎爐”與“高爐富氫”并行的技術格局。其中氫基豎爐技術是通過氫氣與三氧化二鐵的直接還原反應制備海綿鐵，已實現(xiàn)工業(yè)化應用突破。但基于我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，預計2040年之前，仍會以高爐富氫冶煉為主要模式，逐步邁向全氫時代。
其次是合成氨。合成氨工業(yè)作為氫能應用的關鍵領域，其碳排放主要集中于制氫環(huán)節(jié)（占總投資90%以上）。通過能源結(jié)構轉(zhuǎn)型，以風電、光伏等綠電驅(qū)動電解水制氫，可重構傳統(tǒng)合成氨產(chǎn)業(yè)鏈。
按照綠氨產(chǎn)業(yè)全球布局分析，中東地區(qū)憑借資源稟賦，能夠以0.07元/度的超低光伏發(fā)電成本，實現(xiàn)氫氣制取并合成綠氨，并通過打造相關項目，預計在未來5到10年內(nèi)形成數(shù)十吉瓦甚至超過100吉瓦級的制氫能力。而中國隨著綠氨產(chǎn)能中心加速崛起，也有望在未來5到10年成為全球綠氨產(chǎn)能重要供給基地之一。
再次是綠色煉化。傳統(tǒng)煉化工業(yè)長期依賴重油、渣油及煤氣化制氫工藝，未來，以綠氫替代化石能源制氫將成為行業(yè)深度脫碳的核心路徑。中國石化塔河煉化示范工程已先行先試，利用光伏和電解水制氫，并取得了良好效果。
建筑是氫能新階段應用的另一方向，主要有燃料電池熱電聯(lián)供、天然氣摻氫建筑供暖供熱、分布式能源系統(tǒng)集成等三種應用形式。
燃料電池熱電聯(lián)供技術在商場、酒店、社區(qū)等場景中展現(xiàn)出顯著應用價值，可以滿足這些場所供電、供熱及制冷等多元能源需求。在北方地區(qū)，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)制熱效率較低，而通過氫氣管網(wǎng)替代或與現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)混合輸送，可以推動電-熱-冷三聯(lián)供技術在建筑物中的應用，可以大幅提升綜合能源利用效率，同時為北方社區(qū)能源體系從分布式向集中式轉(zhuǎn)型提供技術支撐，集中式熱電聯(lián)供技術正成為北方社區(qū)能源基礎設施升級的更優(yōu)選擇。而在南方地區(qū)則面臨差異化需求，既有建筑普遍缺乏集中供暖設施，新建住宅的分散式供暖系統(tǒng)又存在效率偏低問題。針對南方冬季適度供暖的發(fā)展趨勢，需要構建更高效的熱電聯(lián)供體系。
天然氣摻氫燃燒是相對簡單的供暖供熱方式，優(yōu)勢在于無需對現(xiàn)有燃氣鍋爐進行大規(guī)模改造，氫氣利用成本較低。以山東“氫進萬家”科技示范工程為代表的一系列實踐正在推動對區(qū)域性氫能利用的嘗試。
在分布式能源系統(tǒng)集成方面，國內(nèi)尚未形成社區(qū)級多能協(xié)同體系，而國際實踐已呈現(xiàn)突破性進展，比如美國就已經(jīng)在高耗能的數(shù)據(jù)中心部署氫燃料電池備用電源。這也啟示我國分布式能源發(fā)展不應局限于現(xiàn)狀，可對新能源發(fā)電調(diào)峰做部分支撐，或與傳統(tǒng)火電改造相銜接。由于風光發(fā)電具有間歇性和不可控性，而火電可控性強，因此，在電力輸配與調(diào)節(jié)過程中，氫能支撐下的分布式能源有望成為未來的重要應用方向。
氫儲能應用：可再生能源消納的關鍵支撐
能源革命的核心在于電力系統(tǒng)的革命。在未來能源終端需求中，70%-80%的能量來源于電力，這決定了能源發(fā)展必然依賴于電氣化路徑。近年來，我國大力發(fā)展的新能源電力系統(tǒng)，尤其是特高壓輸電技術，已成為中國的一張新名片。然而，新能源發(fā)電具有波動性、氣候隨機性、難以預測性以及間歇性等特征，給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)電力能源的可持續(xù)、高效、穩(wěn)定儲存和輸配，我們不僅需要短時儲能以匹配即時需求，還需要長時儲能技術來支撐跨天、跨周，甚至更長周期的電力能源儲存與輸配。
此外，在電力輸配與調(diào)度過程中，保障電網(wǎng)供需平衡是最大的難點。由于電以光速傳輸，發(fā)電側(cè)與用電側(cè)要保持同步運行。若缺乏有效調(diào)節(jié)能力，發(fā)電側(cè)的功率波動將實時影響用電側(cè)的穩(wěn)定用電。隨著新能源占比持續(xù)攀升，電力調(diào)度壓力顯著增大，因此，要進一步加大儲能技術的創(chuàng)新應用與開發(fā)力度，以增強電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。
2014年，我們提出氫儲能的概念，這將為可再生能源消納提供了關鍵支撐。
要理解氫儲能的作用與優(yōu)勢，需與其他儲能技術進行對比。當前，儲能技術大致可分為三類：電化學儲能、物理儲能和氫儲能。
電化學儲能以鋰電池、鈉電池、液硫電池等為代表，物理儲能則包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能等。這兩類技術均采用電能轉(zhuǎn)化為化學能或物理勢能，使用時再將其轉(zhuǎn)換回電能，完成“儲能-釋能”的循環(huán)。但存在顯著局限性，電化學儲能放電時長通常不足4小時，且成本隨儲能時長呈指數(shù)增長，難以滿足長時儲能需求；物理儲能雖然可以實現(xiàn)12小時的儲能，但受限于地理條件約束，無法實現(xiàn)能量的跨區(qū)域靈活調(diào)配。
相比之下，氫儲能突破了時間和空間的限制，它將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，氫氣既可以通過跨區(qū)域運輸，滿足工業(yè)、交通等多領域用能需求，也可以用于發(fā)電，為電網(wǎng)提供支撐，有效補充了長時儲能方式及能源的空間轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化能力。這些優(yōu)勢使氫儲能成為支撐我國實現(xiàn)深度脫碳以及新能源大規(guī)模高效利用的關鍵手段，為新型電力系統(tǒng)的設計提供了新的技術路徑。
未來能源供給體系將形成以“電網(wǎng)為主，氣網(wǎng)為輔”的新型架構。目前，氫氣正在以天然氣為主體的氣網(wǎng)中逐步提高占比。構建長短結(jié)合、電氣電氫融合的能源體系將極大提升電力調(diào)度的靈活性與空間范圍，這是未來能源體系的理想架構。
此外，氫能的離網(wǎng)型應用是另一關鍵所在。電網(wǎng)建設需采用特高壓輸電技術以降低電損。但面臨建設成本高、周期長、區(qū)域局限性等問題，使電力輸配調(diào)節(jié)靈活性受限。因此，氫能賦能的離網(wǎng)型風光發(fā)電成為重要發(fā)展方向，其中，“風光氫醇”一體化模式尤為典型，即利用風電、光伏以離網(wǎng)形式發(fā)電，通過電解水制取綠氫，再將氫合成甲醇，實現(xiàn)了可再生能源的多元化利用。
氫能關鍵技術及研究趨勢
在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，制氫技術是最關鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)制取方式，氫氣可分為三類：由化石能源制取的氫氣稱為灰氫；由工業(yè)副產(chǎn)氣中提取的氫氣稱為藍氫；通過可再生能源、純生物質(zhì)或綠色電力制取的氫氣稱為綠氫，綠氫在制取過程中不涉及二氧化碳排放。目前，我國氫氣能供給結(jié)構仍以灰氫和藍氫為主，綠氫占比較少，不足5%。
綠氫制取的核心技術是電解水制氫，根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，電解水制氫主要分四種類型：堿性電解水制氫（ALK）、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、固體氧化物水電解（SOEC），以及陰離子交換膜水電解（AEM）。
堿性電解水制氫（ALK）：電解質(zhì)是氫氧化鉀的水溶液；
質(zhì)子交換膜水電解（PEM）：電解質(zhì)是質(zhì)子膜的固體質(zhì)子；
固體氧化物水電解（SOEC）：電解質(zhì)是固體氧化物陶瓷；
陰離子交換膜水電解（AEM）：電解質(zhì)是陰離子交換膜。
目前，堿性電解水制氫已成為最成熟且快速實現(xiàn)規(guī)?；膽?，我國在該領域已取得顯著優(yōu)勢：單機產(chǎn)能最大已達3,000方每小時，單槽功率達到15兆瓦，而國外單槽功率大多僅在5兆瓦、1,000方每小時左右。盡管如此，我國在堿水電解的細節(jié)技術攻關方面仍有許多工作要做。
對比分析堿性電解水制氫與質(zhì)子交換膜水電解技術，二者在技術特性與應用場景上存在顯著差異。從溫度適應性來看，質(zhì)子交換膜水電解技術對溫度不敏感，常規(guī)運行溫度通常在60攝氏度以下，而堿性電解水制氫技術一般在85-95攝氏度之間，目前也在研究更高溫度工況的可行性。由于溫度和電解質(zhì)不同，二者在安全性、氫氧互串特性以及功率波動適應性、催化劑體系方面也存在差異。此外，質(zhì)子交換膜水電解的功率負荷范圍較寬，響應速度較快，運行壓力的適應性較好，但在快速動態(tài)響應的耐久性上面臨挑戰(zhàn)。受限于催化劑和膜的高昂成本，質(zhì)子交換膜水電解總投資約為堿性電解水的3-5倍。因此，將質(zhì)子交換膜水電解與堿性電解水協(xié)同應用是一種新的方向，當前也已開展小規(guī)模示范應用。
儲運環(huán)節(jié)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中連接制備與應用的關鍵技術挑戰(zhàn)。作為元素周期表中最輕的物質(zhì)，氫氣具有較低的體積能量密度，導致其儲存和輸配技術難度較大。目前，氫氣的儲存方式主要包括氣態(tài)高壓儲氫、低溫液氫儲存以及將氫氣轉(zhuǎn)化為液體或固體燃料、化學品的化學儲氫。此外，氫氣的輸配成本較高，尤其是遠距離輸配，若采用方式不當，成本曲線陡升嚴重制約氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。
長遠來看，氫氣的輸配是氫能產(chǎn)業(yè)面臨的關鍵問題之一。氫氣制取高度依賴可再生能源，而我國的風、光、水等資源主要分布于西北與西南地區(qū)，用能終端則主要集中在東部和中部。這意味著氫氣需要像電力一樣實現(xiàn)大規(guī)?？鐓^(qū)域調(diào)配。未來，氫氣的應用需要建設類似天然氣管道的管網(wǎng)，從制氫、輸氫、混摻到最終的氫氣管網(wǎng)輸配，都需要解決區(qū)域間不平衡性問題。
在氫-電轉(zhuǎn)化技術方面，燃料電池與熱機動力系統(tǒng)是兩大主要化學方式，但技術突破方向呈現(xiàn)顯著差異。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電，關鍵在于提高材料壽命和發(fā)電效率，燃料電池發(fā)電涉及氫氣和空氣，提升氧氣增壓是重要環(huán)節(jié)，解決思路是采取與壓縮空氣儲能相結(jié)合的方式。在熱機動力技術領域，氫氣摻混天然氣或直接作為燃料的難點在于氫氣在高溫下對燃氣輪機部件的耐久性損傷，材料和結(jié)構壽命是當前最大的挑戰(zhàn)。
從宏觀層面來看，預計到2060年，我國綠電制氫的規(guī)模將突破1.3億噸。其中，交通和工業(yè)領域?qū)⒊蔀闅淠苄枨蟮闹攸c方向。
全球氫能技術的發(fā)展起源于美國，曾由歐洲推動，亞洲一度處于跟隨狀態(tài)。如今，亞洲在氫能技術研發(fā)和應用方面已明顯領先歐美。歐美地區(qū)因能源轉(zhuǎn)型成本難以控制、政策驅(qū)動力不足，且以企業(yè)為主導的模式難以快速推動轉(zhuǎn)型，導致多數(shù)項目仍停留在規(guī)劃層面。
我國新能源產(chǎn)業(yè)的快速崛起，離不開國家的大力支撐。未來的氫能發(fā)展看中國，更看中國的年輕一代。
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