氫能:構建現代能源體系新密碼

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文/楊勇平 華北電力大學校長,光明日報
氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源,能幫助可再生能源大規模消納,實現電網大規模調峰和跨季節、跨地域儲能,加速推進工業、建築、交通等領域的低碳化。我國具有良好的制氫基礎與大規模的應用市場,發展氫能優勢顯著。加快氫能產業發展是助力我國實現碳達峰碳中和目標的重要路徑。日前,國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》。氫能的開發與利用正在引發一場深刻的能源革命,氫能成為破解能源危機,構建清潔低碳、安全高效現代能源體系的新密碼。
能源危機開啟了氫能開發和利用的探索之路
氫能作為一種替代能源進入人們的視野還要追溯到20世紀70年代。其時,中東戰爭引發了全球的石油危機,美國為了擺脫對進口石油的依賴,首次提出“氫經濟”概念,認為未來氫氣能夠取代石油成為支撐全球交通的主要能源。1960年至2000年,作為氫能利用重要工具的燃料電池獲得飛速發展,在航天航空、發電以及交通領域的應用實踐充分證明瞭氫能作為二次能源的可行性。氫能產業在2010年前後進入低潮期。但2014年豐田公司“未來”燃料電池汽車的發布引發了又一次氫能熱潮。隨後,多國先後發布了氫能發展戰略路線,主要圍繞發電及交通領域推動氫能及燃料電池產業發展;歐盟於2020年發布了《歐盟氫能戰略》,旨在推動氫能在工業、交通、發電等全領域應用;2020年美國發布《氫能計劃發展規劃》,制定多項關鍵技術經濟指標,期望成為氫能產業鏈中的市場領導者。至此,占全球經濟總量75%的國家均已推出氫能發展政策,積極推動氫能發展。
我國氫能產業和發達國家相比仍處於發展初級階段。近年來,我國對氫能行業的重視不斷提高。2019年3月,氫能首次被寫入《政府工作報告》,在公共領域加快充電、加氫等設施建設;2020年4月,《中華人民共和國能源法(徵求意見稿)》擬將氫能列入能源範疇;2020年9月,財政部、工業和信息化部等五部門聯合開展燃料電池汽車示範應用,對符合條件的城市群開展燃料電池汽車關鍵核心技術產業化攻關和示範應用給予獎勵;2021年10月,中共中央、國務院印發《關於完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》,統籌推進氫能“制—儲—輸—用”全鏈條發展;2022年3月,國家發展和改革委員會發布《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》,氫能被確定為未來國家能源體系的重要組成部分和用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體,氫能產業被確定為戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。
近年來,我國氫能產業發展迅速,基本涵蓋了氫氣制—儲—輸—用全鏈條。
氫能產業鏈的上游為制氫,我國是世界第一產氫大國,氫氣產能約3300萬噸。根據制取過程的碳排放強度,氫被分為“灰氫”“藍氫”和“綠氫”。灰氫是指通過化石燃料燃燒產生的氫氣,在生產過程中會有大量二氧化碳排放;藍氫是在灰氫的基礎上,應用碳捕集和封存技術,實現低碳制氫;綠氫是通過太陽能、風力等可再生能源發電進行電解水制氫,在制氫過程中沒有碳排放。目前,我國氫氣制取以煤制氫方式為主,占比約80%。未來,隨着可再生能源發電成本持續降低,綠氫占比將逐年上升,預計2050年將達到70%。
氫能產業鏈的中游是氫儲運,高壓氣態儲運技術已商業化,是最為廣泛的氫能儲運方式。長管拖車運輸靈活性高,適用於短距離、小體量輸氫;液氫存儲和固態儲氫無需壓力容器,運輸便捷,是未來實現大規模氫能儲運的方向。
氫能產業鏈下游為氫的綜合應用,氫氣作為一種工業原料可廣泛應用於石油、化工、冶金、電子、醫療等領域,此外,氫氣還可通過氫燃料電池或氫內燃機轉化為電能和熱能,可覆蓋社會生產生活的方方面面。到2060年,我國氫能需求預計達1.3億噸,其中工業需求占主導地位,占比約60%,交通運輸領域將逐年擴大規模達到31%。
氫能的開發與利用正在引發一場深刻的能源革命
氫能在交通、工業、建築和電力等諸多領域均有廣闊應用前景。
在交通領域,公路長途運輸、鐵路、航空及航運將氫能視為減少碳排放的重要燃料之一。現階段我國主要以氫燃料電池客車和重卡為主,數量超過6000輛。在相應配套基礎設施方面,我國已累計建成加氫站超過250座,約占全球數量的40%,居世界第一。根據北京冬奧組委公佈的數據,本屆冬奧會示範運行超1000輛氫燃料電池汽車,並配備30餘個加氫站,是全球最大規模的一次燃料電池汽車示範應用。
目前我國氫能應用占比最大的領域是工業領域。氫能除了具有能源燃料屬性外,還是重要的工業原料。氫氣可代替焦炭和天然氣作為還原劑,可以消除煉鐵和煉鋼過程中的絕大部分碳排放。利用可再生能源電力電解水制氫,然後合成氨、甲醇等化工產品,有利於化工領域大幅度降碳減排。
氫能與建築融合,是近年興起的一種綠色建築新理念。建築領域需要消耗大量的電能和熱能,已與交通領域、工業領域並列為我國三大“耗能大戶”。利用氫燃料電池純發電效率僅約為50%,而通過熱電聯產方式的綜合效率可達85%——氫燃料電池在為建築發電的同時,餘熱可回收用於供暖和熱水。在氫氣運輸至建築終端方面,可借助較為完善的家庭天然氣管網,以小於20%的比例將氫氣摻入天然氣,並運輸至千家萬戶。據估計,2050年全球10%的建築供熱和8%的建築供能將由氫氣提供,每年可減排7億噸二氧化碳。
在電力領域,因可再生能源具有不穩定性,通過電—氫—電的轉化方式,氫能可成為一種新型的儲能形式。在用電低谷期,利用富餘的可再生能源電力電解水制取氫氣,並以高壓氣態、低溫液態、有機液態或固態材料等形式儲存下來;在用電高峰期,再將儲存的氫通過燃料電池或氫氣透平裝置進行發電,並入公共電網。而氫儲能的存儲規模更大,可達百萬千瓦級,存儲時間更長,可根據太陽能、風能、水資源等產出差異實現季節性存儲。2019年8月,我國首個兆瓦級氫儲能項目在安徽六安落地,並於2022年成功實現並網發電。
同時,電氫耦合,也將在我國構建現代能源體系中發揮重要作用。
從清潔低碳角度看,大規模電氣化是我國多個領域實現降碳的有力抓手,例如交通領域的電動汽車替代燃油汽車,建築領域的電採暖取代傳統鍋爐採暖等。然而,仍有部分行業是難以通過直接電氣化實現降碳的,最為困難的行業包括鋼鐵、化工、公路運輸、航運和航空等。氫能具有能源燃料和工業原料雙重屬性,可以在上述難以深度脫碳的領域發揮重要作用。
從安全高效角度看,首先,氫能可以促進更高份額的可再生能源發展,有效減少我國對油氣的進口依存度;其次,氫能可以進行化學儲能和運輸,實現能源的時空轉移,促進我國能源供應和消費的區域平衡;此外,隨着可再生能源電力成本的降低,綠色電能和綠色氫能的經濟性將得到提升,被大眾廣泛接納和使用;氫能與電能作為能源樞紐,更容易耦合熱能、冷能、燃料等多種能源,共同建立互聯互通的現代能源網路,形成極具韌性的能源供應體系,提高能源供應體系的效率、經濟性和安全性。
我國氫能產業發展依然面臨挑戰
低成本低排放綠氫制取是氫能產業面臨的重要挑戰之一。在不新增碳排放的前提下,解決氫的來源問題是氫能產業發展的前提。化石能源制氫和工業副產制氫工藝成熟、成本較低,短期仍將是主要氫源。但化石能源儲量有限,且制氫過程仍存在碳排放問題;工業副產制氫產量有限且供應輻射路程短。
長遠來看,電解水制氫易與可再生能源結合,規模潛力更大,更加清潔可持續,是最有潛力的綠氫供應方式。目前我國鹼性電解技術已與國際水平相接近,是目前商用電解領域的主流技術,但未來降本空間有限。質子交換膜電解水制氫目前成本較高,關鍵裝置的國產化程度正在逐年提升。固體氧化物電解在國際接近商業化,但國內仍處於追趕階段。
我國氫能產業鏈供應體系尚不完備,距離大規模商業化應用還有差距。我國已建成加氫站200餘座,且以35MPa氣態加氫站為主,儲氫量更大的70MPa高壓氣態加氫站占比小。液氫加氫站、制氫加氫一體站的建設和運營經驗不足。現階段氫的運輸主要以高壓氣態長管拖車運輸為主,管道運輸仍為短板弱項。目前共有氫氣管道里程約400公里,在用管道僅100公里左右。管道運輸還面臨管材易發生氫脆現象造成氫氣逃逸,未來仍需進一步提升管道材料的化學性能和力學性能。液態儲氫技術和金屬氫化物儲氫技術等取得了較大進步,但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關系尚未解決,離大規模商業化應用還有一定差距。
專門政策體系和多部門多領域協調合作機制尚不完善。《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》是首個國家層面的氫能發展規劃,但專項規劃以及政策體系仍需完善,未來需要進一步明確產業發展方向、目標和重點。氫能產業鏈涉及多種技術和行業領域,目前還存在跨領域協作不足,跨部門協調機制不夠完善等問題。比如,加氫站建設需要資金、技術、基建以及危化品管制等多部門協作,目前存在主管部門不明確,審批難度較大,氫氣屬性仍僅為危化品等問題,對產業發展形成較大制約。
我們認為,技術、平臺和人才是支持我國氫能產業發展的生長點。
首先,要持續提升關鍵核心技術水平。技術創新是氫能產業發展的核心。未來,我國將持續推進綠色低碳氫能制取、儲存、運輸和應用等各環節關鍵核心技術研發。加快推進質子交換膜燃料電池技術創新,開發關鍵材料,提高主要性能指標和批量化生產能力,持續提升燃料電池可靠性、穩定性、耐久性。着力推進核心零部件以及關鍵裝備研發製造。加快提高可再生能源制氫轉化效率和單台裝置制氫規模,突破氫能基礎設施環節關鍵核心技術。持續開展氫能安全基礎規律研究。持續推動氫能先進技術、關鍵設備、重大產品示範應用和產業化發展,構建氫能產業高質量發展技術體系。
其次,要着力打造產業創新支撐平臺。氫能產業的發展需聚焦重點領域和關鍵環節,構建多層次、多元化創新平臺。支持高校、科研院所、企業加快建設重點實驗室、前沿交叉研究平臺,開展氫能應用基礎研究和前沿技術研究。2022年年初,國家發展和改革委員會、教育部發布了《關於華北電力大學國家儲能技術產教融合創新平臺項目可行性研究報告的批復》,華北電力大學國家儲能技術產教融合創新平臺項目正式獲批,成為首批“掛帥”高校。隨後,華北電力大學氫能技術創新中心正式成立。創新平臺和創新中心重點圍繞電化學儲能、氫能及其在電網中的應用技術等領域開展技術攻關,積極推動國家氫能產業的發展。
再次,要推動建設氫能專業人才隊伍。氫能產業技術水平及規模不斷取得突破,然而氫能產業正面臨人才隊伍的較大缺口,特別是高層次創新性人才嚴重缺乏。日前,華北電力大學申報的“氫能科學與工程”專業被正式列入普通高等學校本科專業目錄,“氫能科學與工程”學科被列入新型交叉學科。該學科將以動力工程及工程熱物理、化學工程等學科為牽引,有機融合制氫、氫儲運、氫安全、氫動力等多個氫能模塊課程,開展全方位跨學科基礎及應用研究,將為實現我國能源結構安全轉型,以及我國氫能行業和能源事業的發展提供有利的人才支撐。


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