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為探索氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)路徑，構(gòu)建開放共贏的發(fā)展格局。日前，HVFC 2023 中國(guó)（成都）氫能汽車與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“大會(huì)”）在四川成都順利召開。
大會(huì)邀請(qǐng)到德國(guó)國(guó)家工程院院士、西南石油大學(xué)碳中和首席科學(xué)家、天府永興實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家、天府新能源研究院院長(zhǎng)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(biāo)》的演講。
雷院士在演講中指出，碳中和是一場(chǎng)深刻的能源革命，通過發(fā)展新能源和零碳能源，加快中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)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(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)石油的壟斷，為中國(guó)在未來核心產(chǎn)業(yè)賽道的競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)、搶奪話語(yǔ)權(quán)和主導(dǎo)權(quán)。
隨后，雷院士介紹了歐洲的脫碳之路。
歐盟委員會(huì)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(jì)轉(zhuǎn)型，使歐洲到 2050 年成為全球首個(gè)碳中和大陸；新政草案將對(duì)歐盟的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，也對(duì)我國(guó)制定本世紀(jì)中葉長(zhǎng)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(gè)重要特點(diǎn)。
一是將歐盟2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)納入法律的框架,通過立法來保證碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
二是對(duì)能源、工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境7個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，明確了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的路徑，提出了落實(shí)目標(biāo)的相關(guān)政策，制定了路線圖和發(fā)展規(guī)劃。
歐洲以碳中和為目標(biāo)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(diǎn)、以“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”為抓手的循環(huán)能源體系，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳和資源的高效利用。
雷院士提出，中國(guó)的單位GDP能耗目前是德國(guó)的2.9倍，德國(guó)在低能耗的情況下，仍然把節(jié)能降碳作為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的主要任務(wù)，這一點(diǎn)值得借鑒。
路徑二：以清潔能源為支撐，大力推進(jìn)終端用能的電氣化。通過大力開發(fā)風(fēng)光資源，以提供充足的綠色電力，取代化石能源，實(shí)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(shí)現(xiàn)電氣化的領(lǐng)域，實(shí)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(shí)現(xiàn)脫碳。
如何發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，助力雙碳目標(biāo)？
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(shù)創(chuàng)新和技術(shù)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(chǔ)能技術(shù)，將氫能源建設(shè)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(guó)風(fēng)光發(fā)電的裝機(jī)容量為6.3億千瓦。到2030年，風(fēng)光發(fā)電的總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上，是現(xiàn)有風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)容量的3倍左右?，F(xiàn)有的風(fēng)光發(fā)電量已經(jīng)難以依靠電網(wǎng)進(jìn)行消納，在此基礎(chǔ)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(shí)踐中除了依靠電網(wǎng)消納，還必須擁有就地消納富裕風(fēng)電、光電的各種手段，并將就地消納的風(fēng)光電力有效的轉(zhuǎn)換成其他形式的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，比如風(fēng)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(jī)和發(fā)電的主體，到2060年，預(yù)計(jì)新能源的占比將超過70%，新能源的就地轉(zhuǎn)化儲(chǔ)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(yīng)和消費(fèi)。
與化石能源發(fā)電不同，風(fēng)光電力是間歇性、隨機(jī)性的，無法滿足電力系統(tǒng)的剛性供給需求。當(dāng)前電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行主要仍依靠火、水、 核電，根據(jù)電網(wǎng)的需求，動(dòng)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(chǔ)能，通過燃料電池發(fā)電，補(bǔ)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(shí)域的功率平衡和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，這是電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)先立后破的前提。
從目前成熟的儲(chǔ)能技術(shù)和方式來看，電池儲(chǔ)能可以解決小時(shí)級(jí)的電力波動(dòng)和頻率穩(wěn)定問題。而維護(hù)新能源為主體的新型電力系統(tǒng)全適應(yīng)的功率平衡，還要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具備小時(shí)級(jí)的跨日、跨周，以及大容量、跨季節(jié)儲(chǔ)能的能力。
抽水蓄能或者壓縮空氣儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)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(dāng)電網(wǎng)的功率缺口達(dá)到跨日、跨周以后，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)存的能力就會(huì)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(zhǎng)期儲(chǔ)存的特點(diǎn)，SOFC將會(huì)成為中長(zhǎng)期以及跨季節(jié)儲(chǔ)存的重要的手段。而根據(jù)美國(guó)能源部白皮書發(fā)布的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)SOFC容量達(dá)到100kW的時(shí)候，成本將低于光伏、風(fēng)電，甚至和可以和燃煤電站的成本相比。
預(yù)計(jì)到2060年，中國(guó)需要跨季節(jié)儲(chǔ)能的電量可以達(dá)到6,000億千瓦時(shí)，需要大力開發(fā)中長(zhǎng)期的跨季儲(chǔ)能技術(shù)。目前，氫能是實(shí)現(xiàn)大容量跨季儲(chǔ)能的主要手段。在此前提下，氫能的需求量將達(dá)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(fèi)。其中的碳減排的貢獻(xiàn)率可達(dá)整體能源消費(fèi)約20%。
談到綠氫，雷院士特別指出：“要實(shí)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(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模的應(yīng)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(jià)為每度電0.1元，那么它的制氫的成本將會(huì)在每公斤10元左右。在這個(gè)成本下，電解水制氫就具備了經(jīng)濟(jì)性。”
成熟的電解水制氫技術(shù)主要分為以下三類：
1.堿性制氫：技術(shù)成熟，成本較低，同時(shí)不需要貴金屬的催化劑，使用壽命較長(zhǎng)。但該技術(shù)需要穩(wěn)定的制氫電源，因此不適合風(fēng)光等間歇性電源的制氫場(chǎng)景。
2.質(zhì)子交換膜制氫：需要硅金屬作為催化劑，因此價(jià)格昂貴，但是該技術(shù)能良好適應(yīng)風(fēng)光間歇性電源制氫的場(chǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)來看，成本將會(huì)持續(xù)降低，相對(duì)于堿性制氫和質(zhì)子交換膜制氫的技術(shù)，固體氧化物燃料電池制氫技術(shù)還有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，有良好的發(fā)展前景，但當(dāng)前的技術(shù)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(fèi)，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(dòng)力的能力。以氫代煤、以氫代油，實(shí)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(chǎng)，綠氫是實(shí)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(shí)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(yù)計(jì)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(dāng)前全世界氫氣的產(chǎn)量相當(dāng)。
除了工業(yè)領(lǐng)域，交通領(lǐng)域也是實(shí)現(xiàn)脫碳的重要戰(zhàn)場(chǎng)。
乘用交通和重型交通采用了不同類型的零碳動(dòng)力，一類是動(dòng)力電池，另外一類采用的是清潔能源。兩類交通工具可互補(bǔ)發(fā)展。
我國(guó)以電池為動(dòng)力的乘用車從產(chǎn)量上看，已經(jīng)達(dá)到規(guī)?；l(fā)展，目前已經(jīng)占全世界的市場(chǎng)的50%左右，未來還有很大的發(fā)展空間。隨著應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電動(dòng)乘用車的運(yùn)行成本快速下降，有些已下降到燃油車的10%到20%。電動(dòng)乘用車低碳、低成本的特點(diǎn)，決定了其在短時(shí)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(yù)見的時(shí)間內(nèi)還不具備與電動(dòng)乘用車進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的能力。但是氫能非常合適為重卡或重型交通，比如海運(yùn)、航空等提供離網(wǎng)的動(dòng)力。到2060年，公路、重型交通對(duì)于綠氫的需求量將超過3,500萬噸/年，實(shí)現(xiàn)4億噸的二氧化碳減排，海運(yùn)、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(dòng)力系統(tǒng)形成復(fù)位支撐，以此實(shí)現(xiàn)交通的深度脫碳。
此外，建筑民生領(lǐng)域也是實(shí)現(xiàn)脫碳的重要途徑。
在深入分析建筑民生領(lǐng)域脫碳途徑時(shí)，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(gè)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?zé)岬刃问降臒崮?，可以為夏天為城市提供空調(diào)、冬天為城市供暖。
這個(gè)模式的核心，是構(gòu)建光伏熱泵儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)自供能和并網(wǎng)賣電，還可以驅(qū)動(dòng)熱泵取能供暖，富余的電可以儲(chǔ)存到儲(chǔ)能設(shè)備中，預(yù)備缺電時(shí)的供能。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)低碳或者零碳的供熱、供能以及供電。負(fù)碳的供能方式還可以結(jié)合各地的能源稟賦的特點(diǎn)，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(guó)的低碳(零碳)或者負(fù)碳建筑模式，構(gòu)建光伏、熱泵、儲(chǔ)能以及清潔電力的自循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)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(chǔ)能一體化的負(fù)碳建筑的標(biāo)準(zhǔn)和示范，形成穩(wěn)定的供能系統(tǒng)推廣大型熱泵加儲(chǔ)能技術(shù)，試點(diǎn)跨季儲(chǔ)熱技術(shù)，充分利用地?zé)豳Y源和廢熱循環(huán)利用實(shí)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(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要抓手，并強(qiáng)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(yīng)和消費(fèi)。氫能替代，更是實(shí)現(xiàn)工業(yè)、交通和建筑民生領(lǐng)域脫碳的重要手段。
最后，雷院士表示：“綠色轉(zhuǎn)型是一個(gè)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(shè)清潔能源的同時(shí)，依托技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)氫能和經(jīng)濟(jì)能源等零碳能源的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?，逐步完成化石能源的零碳替代，最終實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。”
