氫能，現(xiàn)代能源體系新密碼
氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，能幫助可再生能源大規(guī)模消納，實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模調(diào)峰和跨季節(jié)、跨地域儲能，加速推進(jìn)工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的低碳化。我國具有良好的制氫基礎(chǔ)與大規(guī)模的應(yīng)用市場，發(fā)展氫能優(yōu)勢顯著。加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展是助力我國實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要路徑。日前，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》。氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命，氫能成為破解能源危機(jī)，構(gòu)建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系的新密碼。
能源危機(jī)開啟了氫能開發(fā)和利用的探索之路
氫能作為一種替代能源進(jìn)入人們的視野還要追溯到20世紀(jì)70年代。其時，中東戰(zhàn)爭引發(fā)了全球的石油危機(jī)，美國為了擺脫對進(jìn)口石油的依賴，首次提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念，認(rèn)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(fā)展，在航天航空、發(fā)電以及交通領(lǐng)域的應(yīng)用實踐充分證明了氫能作為二次能源的可行性。氫能產(chǎn)業(yè)在2010年前后進(jìn)入低潮期。但2014年豐田公司“未來”燃料電池汽車的發(fā)布引發(fā)了又一次氫能熱潮。隨后，多國先后發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略路線，主要圍繞發(fā)電及交通領(lǐng)域推動氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展;歐盟于2020年發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》，旨在推動氫能在工業(yè)、交通、發(fā)電等全領(lǐng)域應(yīng)用;2020年美國發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》，制定多項關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，期望成為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的市場領(lǐng)導(dǎo)者。至此，占全球經(jīng)濟(jì)總量75%的國家均已推出氫能發(fā)展政策，積極推動氫能發(fā)展。
我國氫能產(chǎn)業(yè)和發(fā)達(dá)國家相比仍處于發(fā)展初級階段。近年來，我國對氫能行業(yè)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(lǐng)域加快充電、加氫等設(shè)施建設(shè);2020年4月，《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》擬將氫能列入能源范疇;2020年9月，財政部、工業(yè)和信息化部等五部門聯(lián)合開展燃料電池汽車示范應(yīng)用，對符合條件的城市群開展燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎勵;2021年10月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制—儲—輸—用”全鏈條發(fā)展;2022年3月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)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(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)被確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。
近年來，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，基本涵蓋了氫氣制—儲—輸—用全鏈條。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游為制氫，我國是世界第一產(chǎn)氫大國，氫氣產(chǎn)能約3300萬噸。根據(jù)制取過程的碳排放強度，氫被分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”?；覛涫侵竿ㄟ^化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有大量二氧化碳排放;藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，應(yīng)用碳捕集和封存技術(shù)，實現(xiàn)低碳制氫;綠氫是通過太陽能、風(fēng)力等可再生能源發(fā)電進(jìn)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，隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)降低，綠氫占比將逐年上升，預(yù)計2050年將達(dá)到70%。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的中游是氫儲運，高壓氣態(tài)儲運技術(shù)已商業(yè)化，是最為廣泛的氫能儲運方式。長管拖車運輸靈活性高，適用于短距離、小體量輸氫;液氫存儲和固態(tài)儲氫無需壓力容器，運輸便捷，是未來實現(xiàn)大規(guī)模氫能儲運的方向。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈下游為氫的綜合應(yīng)用，氫氣作為一種工業(yè)原料可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電子、醫(yī)療等領(lǐng)域，此外，氫氣還可通過氫燃料電池或氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為電能和熱能，可覆蓋社會生產(chǎn)生活的方方面面。到2060年，我國氫能需求預(yù)計達(dá)1.3億噸，其中工業(yè)需求占主導(dǎo)地位，占比約60%，交通運輸領(lǐng)域?qū)⒅鹉陻U(kuò)大規(guī)模達(dá)到31%。
氫能的開發(fā)與利用正在引發(fā)一場深刻的能源革命
氫能在交通、工業(yè)、建筑和電力等諸多領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景。
在交通領(lǐng)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?，F(xiàn)階段我國主要以氫燃料電池客車和重卡為主，數(shù)量超過6000輛。在相應(yīng)配套基礎(chǔ)設(shè)施方面，我國已累計建成加氫站超過250座，約占全球數(shù)量的40%，居世界第一。根據(jù)北京冬奧組委公布的數(shù)據(jù)，本屆冬奧會示范運行超1000輛氫燃料電池汽車，并配備30余個加氫站，是全球最大規(guī)模的一次燃料電池汽車示范應(yīng)用。
目前我國氫能應(yīng)用占比最大的領(lǐng)域是工業(yè)領(lǐng)域。氫能除了具有能源燃料屬性外，還是重要的工業(yè)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，然后合成氨、甲醇等化工產(chǎn)品，有利于化工領(lǐng)域大幅度降碳減排。
氫能與建筑融合，是近年興起的一種綠色建筑新理念。建筑領(lǐng)域需要消耗大量的電能和熱能，已與交通領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域并列為我國三大“耗能大戶”。利用氫燃料電池純發(fā)電效率僅約為50%，而通過熱電聯(lián)產(chǎn)方式的綜合效率可達(dá)85%——氫燃料電池在為建筑發(fā)電的同時，余熱可回收用于供暖和熱水。在氫氣運輸至建筑終端方面，可借助較為完善的家庭天然氣管網(wǎng)，以小于20%的比例將氫氣摻入天然氣，并運輸至千家萬戶。據(jù)估計，2050年全球10%的建筑供熱和8%的建筑供能將由氫氣提供，每年可減排7億噸二氧化碳。
在電力領(lǐng)域，因可再生能源具有不穩(wěn)定性，通過電—氫—電的轉(zhuǎn)化方式，氫能可成為一種新型的儲能形式。在用電低谷期，利用富余的可再生能源電力電解水制取氫氣，并以高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、有機(jī)液態(tài)或固態(tài)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(jìn)行發(fā)電，并入公共電網(wǎng)。而氫儲能的存儲規(guī)模更大，可達(dá)百萬千瓦級，存儲時間更長，可根據(jù)太陽能、風(fēng)能、水資源等產(chǎn)出差異實現(xiàn)季節(jié)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，并于2022年成功實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。
同時，電氫耦合，也將在我國構(gòu)建現(xiàn)代能源體系中發(fā)揮重要作用。
從清潔低碳角度看，大規(guī)模電氣化是我國多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)降碳的有力抓手，例如交通領(lǐng)域的電動汽車替代燃油汽車，建筑領(lǐng)域的電采暖取代傳統(tǒng)鍋爐采暖等。然而，仍有部分行業(yè)是難以通過直接電氣化實現(xiàn)降碳的，最為困難的行業(yè)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(yè)原料雙重屬性，可以在上述難以深度脫碳的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
從安全高效角度看，首先，氫能可以促進(jìn)更高份額的可再生能源發(fā)展，有效減少我國對油氣的進(jìn)口依存度;其次，氫能可以進(jìn)行化學(xué)儲能和運輸，實現(xiàn)能源的時空轉(zhuǎn)移，促進(jìn)我國能源供應(yīng)和消費的區(qū)域平衡;此外，隨著可再生能源電力成本的降低，綠色電能和綠色氫能的經(jīng)濟(jì)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(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)，形成極具韌性的能源供應(yīng)體系，提高能源供應(yīng)體系的效率、經(jīng)濟(jì)性和安全性。
我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然面臨挑戰(zhàn)
低成本低排放綠氫制取是氫能產(chǎn)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提?；茉粗茪浜凸I(yè)副產(chǎn)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(yè)副產(chǎn)制氫產(chǎn)量有限且供應(yīng)輻射路程短。
長遠(yuǎn)來看，電解水制氫易與可再生能源結(jié)合，規(guī)模潛力更大，更加清潔可持續(xù)，是最有潛力的綠氫供應(yīng)方式。目前我國堿性電解技術(shù)已與國際水平相接近，是目前商用電解領(lǐng)域的主流技術(shù)，但未來降本空間有限。質(zhì)子交換膜電解水制氫目前成本較高，關(guān)鍵裝置的國產(chǎn)化程度正在逐年提升。固體氧化物電解在國際接近商業(yè)化，但國內(nèi)仍處于追趕階段。
我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系尚不完備，距離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有差距。我國已建成加氫站200余座，且以35MPa氣態(tài)加氫站為主，儲氫量更大的70MPa高壓氣態(tài)加氫站占比小。液氫加氫站、制氫加氫一體站的建設(shè)和運營經(jīng)驗不足?，F(xiàn)階段氫的運輸主要以高壓氣態(tài)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(fā)生氫脆現(xiàn)象造成氫氣逃逸，未來仍需進(jìn)一步提升管道材料的化學(xué)性能和力學(xué)性能。液態(tài)儲氫技術(shù)和金屬氫化物儲氫技術(shù)等取得了較大進(jìn)步，但儲氫密度、安全性和成本之間的平衡關(guān)系尚未解決，離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。
專門政策體系和多部門多領(lǐng)域協(xié)調(diào)合作機(jī)制尚不完善?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》是首個國家層面的氫能發(fā)展規(guī)劃，但專項規(guī)劃以及政策體系仍需完善，未來需要進(jìn)一步明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向、目標(biāo)和重點。氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及多種技術(shù)和行業(yè)領(lǐng)域，目前還存在跨領(lǐng)域協(xié)作不足，跨部門協(xié)調(diào)機(jī)制不夠完善等問題。比如，加氫站建設(shè)需要資金、技術(shù)、基建以及?；饭苤频榷嗖块T協(xié)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?；返葐栴}，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成較大制約。
我們認(rèn)為，技術(shù)、平臺和人才是支持我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生長點。
首先，要持續(xù)提升關(guān)鍵核心技術(shù)水平。技術(shù)創(chuàng)新是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。未來，我國將持續(xù)推進(jìn)綠色低碳?xì)淠苤迫?、儲存、運輸和應(yīng)用等各環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)。加快推進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)關(guān)鍵材料，提高主要性能指標(biāo)和批量化生產(chǎn)能力，持續(xù)提升燃料電池可靠性、穩(wěn)定性、耐久性。著力推進(jìn)核心零部件以及關(guān)鍵裝備研發(fā)制造。加快提高可再生能源制氫轉(zhuǎn)化效率和單臺裝置制氫規(guī)模，突破氫能基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)。持續(xù)開展氫能安全基礎(chǔ)規(guī)律研究。持續(xù)推動氫能先進(jìn)技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備、重大產(chǎn)品示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展技術(shù)體系。
其次，要著力打造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新支撐平臺。氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需聚焦重點領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建多層次、多元化創(chuàng)新平臺。支持高校、科研院所、企業(yè)加快建設(shè)重點實驗室、前沿交叉研究平臺，開展氫能應(yīng)用基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)研究。2022年年初，國家發(fā)展和改革委員會、教育部發(fā)布了《關(guān)于華北電力大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺項目可行性研究報告的批復(fù)》，華北電力大學(xué)國家儲能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺項目正式獲批，成為首批“掛帥”高校。隨后，華北電力大學(xué)氫能技術(shù)創(chuàng)新中心正式成立。創(chuàng)新平臺和創(chuàng)新中心重點圍繞電化學(xué)儲能、氫能及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域開展技術(shù)攻關(guān)，積極推動國家氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
再次，要推動建設(shè)氫能專業(yè)人才隊伍。氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平及規(guī)模不斷取得突破，然而氫能產(chǎn)業(yè)正面臨人才隊伍的較大缺口，特別是高層次創(chuàng)新性人才嚴(yán)重缺乏。日前，華北電力大學(xué)申報的“氫能科學(xué)與工程”專業(yè)被正式列入普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄，“氫能科學(xué)與工程”學(xué)科被列入新型交叉學(xué)科。該學(xué)科將以動力工程及工程熱物理、化學(xué)工程等學(xué)科為牽引，有機(jī)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(xué)科基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，將為實現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)安全轉(zhuǎn)型，以及我國氫能行業(yè)和能源事業(yè)的發(fā)展提供有利的人才支撐。
