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為探索氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)成長路徑，構建開放共贏的發(fā)展格局。日前，HVFC 2023 中國（成都）氫能汽車與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會（以下簡稱“大會”）在四川成都順利召開。
大會邀請到德國國家工程院院士、西南石油大學碳中和首席科學家、天府永興實驗室首席科學家、天府新能源研究院院長雷憲章，雷院士以視頻的方式為來賓帶來了題為《發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)、助力雙碳目標》的演講。
雷院士在演講中指出，碳中和是一場深刻的能源革命，通過發(fā)展新能源和零碳能源，加快中國經(jīng)濟實現(xiàn)綠色發(fā)展，完成從工業(yè)文明到生態(tài)文明的轉(zhuǎn)變，并打破以美國為首的西方國家對石油的壟斷，為中國在未來核心產(chǎn)業(yè)賽道的競爭中搶占先機、搶奪話語權和主導權。
隨后，雷院士介紹了歐洲的脫碳之路。
歐盟委員會于2019年12月11日發(fā)布的《歐洲綠色新政》指出，通過向清潔能源和循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，使歐洲到 2050 年成為全球首個碳中和大陸；新政草案將對歐盟的經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，也對我國制定本世紀中葉長期溫室氣體低排放戰(zhàn)略和“十四五”規(guī)劃具有重要借鑒作用
雷院士分析稱，歐洲綠色新政有兩個重要特點。
一是將歐盟2050年實現(xiàn)碳中和的目標納入法律的框架,通過立法來保證碳中和目標的實現(xiàn)。
二是對能源、工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境7個重點領域，明確了實現(xiàn)目標的路徑，提出了落實目標的相關政策，制定了路線圖和發(fā)展規(guī)劃。
歐洲以碳中和為目標的能源革命提出了依靠清潔能源、綠氫和節(jié)能增效三條路徑。
路徑一：以能效為核心、以節(jié)能為重點、以“循環(huán)經(jīng)濟”為抓手的循環(huán)能源體系，實現(xiàn)節(jié)能降碳和資源的高效利用。
雷院士提出，中國的單位GDP能耗目前是德國的2.9倍，德國在低能耗的情況下，仍然把節(jié)能降碳作為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的主要任務，這一點值得借鑒。
路徑二：以清潔能源為支撐，大力推進終端用能的電氣化。通過大力開發(fā)風光資源，以提供充足的綠色電力，取代化石能源，實現(xiàn)終端用能的深度脫碳。
路徑三：在工業(yè)、重型交通、鐵路、航空航海、化工工業(yè)、冶金工業(yè)等難以實現(xiàn)電氣化的領域，實施氫能替代，通過發(fā)展氫能，可以助力工業(yè)交通，以及建筑民生等用能終端實現(xiàn)脫碳。
如何發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，助力雙碳目標？
雷憲章院士表示，能源轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的，要先立后破，依托技術創(chuàng)新和技術突破，大力開發(fā)氫能源等清潔能源，通過電氫耦合協(xié)調(diào)，并借助儲能技術，將氫能源建設成穩(wěn)定的能源主體，逐步完成化石能源的零碳替代。
截止2021年底，我國風光發(fā)電的裝機容量為6.3億千瓦。到2030年，風光發(fā)電的總裝機容量將達到12億千瓦以上，是現(xiàn)有風光發(fā)電裝機容量的3倍左右。現(xiàn)有的風光發(fā)電量已經(jīng)難以依靠電網(wǎng)進行消納，在此基礎上增加3倍后，電網(wǎng)無法作為消納光電能的唯一路徑。
因此，在實踐中除了依靠電網(wǎng)消納，還必須擁有就地消納富裕風電、光電的各種手段，并將就地消納的風光電力有效的轉(zhuǎn)換成其他形式的能量進行儲存，比如風光電力就地電解水制氫等。
雷憲章院士分析稱，新能源將逐漸成為發(fā)電裝機和發(fā)電的主體，到2060年，預計新能源的占比將超過70%，新能源的就地轉(zhuǎn)化儲存將是消納富裕新能源的重要手段，以電網(wǎng)為主，氫能為輔的電氫耦合協(xié)同清潔能源輸送模式，將保證綠色能源安全供應和消費。
與化石能源發(fā)電不同，風光電力是間歇性、隨機性的，無法滿足電力系統(tǒng)的剛性供給需求。當前電網(wǎng)的穩(wěn)定運行主要仍依靠火、水、 核電，根據(jù)電網(wǎng)的需求，動態(tài)調(diào)節(jié)電力平衡。
雷憲章院士表示，可以把氫能作為儲能，通過燃料電池發(fā)電，補充電網(wǎng)的功率缺口，以支撐電網(wǎng)的電力輸送，保證電網(wǎng)高比例清潔電力條件下的全時域的功率平衡和動態(tài)穩(wěn)定，這是電網(wǎng)實現(xiàn)先立后破的前提。
從目前成熟的儲能技術和方式來看，電池儲能可以解決小時級的電力波動和頻率穩(wěn)定問題。而維護新能源為主體的新型電力系統(tǒng)全適應的功率平衡，還要求儲能系統(tǒng)具備小時級的跨日、跨周，以及大容量、跨季節(jié)儲能的能力。
抽水蓄能或者壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能可以提供中功率的幾百兆瓦甚至更大的電能，解決日間功率的不平衡的問題。當電網(wǎng)的功率缺口達到跨日、跨周以后，抽水蓄能和壓縮空氣儲存的能力就會受到限制。
雷憲章院士表示，由于氫能和其他燃料氣體具有可以長期儲存的特點，SOFC將會成為中長期以及跨季節(jié)儲存的重要的手段。而根據(jù)美國能源部白皮書發(fā)布的預測數(shù)據(jù)，當SOFC容量達到100kW的時候，成本將低于光伏、風電，甚至和可以和燃煤電站的成本相比。
預計到2060年，中國需要跨季節(jié)儲能的電量可以達到6,000億千瓦時，需要大力開發(fā)中長期的跨季儲能技術。目前，氫能是實現(xiàn)大容量跨季儲能的主要手段。在此前提下，氫能的需求量將達到1.35億噸，其中綠氫的需求約1億噸。氫能將占終端能源的15%到20%的左右的能源消費。其中的碳減排的貢獻率可達整體能源消費約20%。
談到綠氫，雷院士特別指出：“要實現(xiàn)綠色氫能替代，必須走電解水制氫這一綠色氫能道路。要實現(xiàn)綠氫大規(guī)模的應用，必須要解決電解水制氫成本高的問題。如果光伏電解水制氫的電價為每度電0.1元，那么它的制氫的成本將會在每公斤10元左右。在這個成本下，電解水制氫就具備了經(jīng)濟性。”
成熟的電解水制氫技術主要分為以下三類：
1.堿性制氫：技術成熟，成本較低，同時不需要貴金屬的催化劑，使用壽命較長。但該技術需要穩(wěn)定的制氫電源，因此不適合風光等間歇性電源的制氫場景。
2.質(zhì)子交換膜制氫：需要硅金屬作為催化劑，因此價格昂貴，但是該技術能良好適應風光間歇性電源制氫的場景。
3. 高溫固體氧化物電解制氫：使用固態(tài)陶瓷作為電解質(zhì)，從長遠來看，成本將會持續(xù)降低，相對于堿性制氫和質(zhì)子交換膜制氫的技術，固體氧化物燃料電池制氫技術還有能耗低的優(yōu)點，有良好的發(fā)展前景，但當前的技術尚不成熟。
在演講中，雷院士還提出，現(xiàn)有的工業(yè)、交通以及建筑、民生的能源消費，基本上是依靠化石能源。清潔電力不具備完全替代化石能源的燃燒屬性和提供以往大型動力的能力。以氫代煤、以氫代油，實現(xiàn)低碳、零碳能源替代是未來能源格局的必然選擇。
石油、化工、冶金及建材是工業(yè)脫碳的主戰(zhàn)場，綠氫是實現(xiàn)工業(yè)脫碳的重要手段。
氫化工：化石化工目前的排碳量大概是每年14億噸，實現(xiàn)綠氫替代后，可以減少二氧化碳每年超過4億噸。
氫冶金：鋼鐵行業(yè)目前的每年的二氧化氮的排放量在18億噸左右，采用氫作為環(huán)氧劑后，每年可以減少二氧化碳的排放超過2億噸。
氫建材：水泥、玻璃、陶瓷等建材在生產(chǎn)過程中，必須要采用窯爐燒制的工藝，采用氫氧爐以后，每年可減少二氧化氮的排放超過1億噸。
預計到2060年，化工冶金以及建材的綠氫的用量將超過每年5,000萬噸，與當前全世界氫氣的產(chǎn)量相當。
除了工業(yè)領域，交通領域也是實現(xiàn)脫碳的重要戰(zhàn)場。
乘用交通和重型交通采用了不同類型的零碳動力，一類是動力電池，另外一類采用的是清潔能源。兩類交通工具可互補發(fā)展。
我國以電池為動力的乘用車從產(chǎn)量上看，已經(jīng)達到規(guī)模化發(fā)展，目前已經(jīng)占全世界的市場的50%左右，未來還有很大的發(fā)展空間。隨著應用規(guī)模的不斷擴大，電動乘用車的運行成本快速下降，有些已下降到燃油車的10%到20%。電動乘用車低碳、低成本的特點，決定了其在短時期內(nèi)很難被其他方式所替代。
而氫能的乘用車由于成本和安全問題，在可預見的時間內(nèi)還不具備與電動乘用車進行競爭的能力。但是氫能非常合適為重卡或重型交通，比如海運、航空等提供離網(wǎng)的動力。到2060年，公路、重型交通對于綠氫的需求量將超過3,500萬噸/年，實現(xiàn)4億噸的二氧化碳減排，海運、航空深度脫碳帶來的綠氫需求將超過每年500萬噸以上。
由此可見，通過采用其他形式的清潔能源，可以與燃料電池動力系統(tǒng)形成復位支撐，以此實現(xiàn)交通的深度脫碳。
此外，建筑民生領域也是實現(xiàn)脫碳的重要途徑。
在深入分析建筑民生領域脫碳途徑時，雷院士提到了“熱能轉(zhuǎn)型”的重要概念。
雷院士分析稱，歐洲從用能端體系上來看，電能只占中端用能的30%，而熱能貫穿整個能源體系。合理地利用工業(yè)過程產(chǎn)生的廢熱，以及自然界存在的地熱等形式的熱能，可以為夏天為城市提供空調(diào)、冬天為城市供暖。
這個模式的核心，是構建光伏熱泵儲能，以及其他清潔能源為主體的能源自循環(huán)系統(tǒng)。光伏發(fā)電可以實現(xiàn)自供能和并網(wǎng)賣電，還可以驅(qū)動熱泵取能供暖，富余的電可以儲存到儲能設備中，預備缺電時的供能。通過這種方式，可以實現(xiàn)低碳或者零碳的供熱、供能以及供電。負碳的供能方式還可以結合各地的能源稟賦的特點，考慮與光伏發(fā)電和自產(chǎn)沼氣發(fā)電互為配合，形成穩(wěn)定的供能系統(tǒng)。
雷院士提出，在建筑和民生的脫碳方面，可以借鑒德國的低碳(零碳)或者負碳建筑模式，構建光伏、熱泵、儲能以及清潔電力的自循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)低碳零碳排放、改造高能效和高資源效率建筑，提高能源效率。通過建立光伏發(fā)電、熱泵，儲能一體化的負碳建筑的標準和示范，形成穩(wěn)定的供能系統(tǒng)推廣大型熱泵加儲能技術，試點跨季儲熱技術，充分利用地熱資源和廢熱循環(huán)利用實現(xiàn)清潔熱的轉(zhuǎn)型。
雷院士在演講中表示，電氫耦合協(xié)調(diào)是實現(xiàn)雙碳目標的重要抓手，并強調(diào)以電網(wǎng)為主，氫能為輔的電氫耦合協(xié)同的清潔能源輸送模式，可以保障綠色能源安全供應和消費。氫能替代，更是實現(xiàn)工業(yè)、交通和建筑民生領域脫碳的重要手段。
最后，雷院士表示：“綠色轉(zhuǎn)型是一個過程，不是一蹴而就的事情，要先立后破，而不能未立先破。在大力建設清潔能源的同時，依托技術創(chuàng)新和技術突破，實現(xiàn)氫能和經(jīng)濟能源等零碳能源的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化，逐步完成化石能源的零碳替代，最終實現(xiàn)雙碳目標。”
