http://www.scol.com.cn(2022-10-17 11:01:27) 编辑：盛飞
| 氢能作为高效、清洁、可持续的绿色二次能源逐渐进入人们视野。到2050年，氢能将承担起全球18%的能源终端需求。破解氢能运用技术难题，聚焦四大用能终端，推动四川低碳及零碳能源运输、制造、综合利用的发展，力争通过核心技术的转化推动产业化，实现新赛道的产业引领。
欧洲能源变革的三大支柱 能源变革的实质是电氢耦合替代电与化石能源的耦合。氢能在欧洲能源变革中起到核心作用。欧洲能源转型的三大支柱是体系化节能减碳、电气化全程低碳和零碳、专门化氢能替代，三大支柱形成电氢耦合体系。 一是体系化节能减碳。欧洲通过循环经济体系实现工业过程的绿色循环运行。德国循环经济体系将电、热、气、水和工业过程综合利用，通过生产过程的相互关联和输入产出的循环利用，提升效能和实现节能减碳。我国行业之间相对封闭，电、热、气、水未能一体化。四川应借鉴德国经验，将体系化的节能减碳和系统化的循环经济作为实现“碳中和”的重要抓手，探索出适合四川的新路。 二是电气化全程低碳和零碳。包含两个层面，一是电从清洁能源来，二是在用能终端替代化石能源。如电动汽车替代燃油汽车、工业过程实施电气化、家庭清洁电力热泵供暖替代燃煤供暖。清洁能源的电气化可实现全程零碳化。 三是专门化氢能替代。有两大领域的化石能源无法电气化，一是工业燃烧不能电气化，如城市供暖、冶金与化工工业都用到化石能源；二是大型离网动力不能电气化，如飞机、轮船等燃油不能被动力电池替代。这两大领域的化石能源需要用氢能或甲醇、液态氨等氢基能源替代。 可从这三件事入手 发展清洁能源的路径是以清洁电能为主、氢基能源为辅的电氢耦合协调体系全面替代电与化石能源耦合的传统能源体系。而要顺利实现这种替代，可以从做好以下三件事入手：一是通过制氢实现风光水电的就地消纳，二是通过电氢耦合协调保证新型电力系统的稳定运行，三是使用氢能替代无法电气化的化石能源。 就电力就地消纳而言，欧洲实践表明风光水电仅靠传统电网消纳是不够的，需实现就地消纳。欧洲国家的投资者在北海建造了大量风电场，但欧洲电网无法大规模功率传输，当电力过剩时只能通过负电价机制进行调节。而发展电氢耦合协调体系，可以有效实现风光水电的就地消纳——通过风光水电就地消纳制氢或生产氢基能源，经管道等输送给用户，形成以电网为主、氢基能源为辅的输送通道，构建起电能、氢能耦合协调的输送网络，确保绿色能源的供应。 就电网安全稳定而言，新型电力系统既要平滑电网的功率及频率，也要平衡电网的日间出力和负荷变化，还需为电网提供中长期及跨季储能技术。这种情况下，要保证电力系统的安全稳定运行显然并非易事。对此欧洲提出“power to gas”，将富余清洁电力制氢后储存，电力缺额时启动氢燃料电池或氢燃气机发电为电网供能——其本质就是通过电氢耦合协调支撑电网全时域的功率平衡，保证新型电力系统安全稳定。固体氧化物燃料电池技术将是解决跨季储能的重要手段。 就化石能源替代而言，当前有两大领域的化石能源无法电气化：大型离网动力与化石燃烧。而氢能可以从中找到应用空间。至于如何用氢能替代？就大型离网动力来说，氢燃料电池乘用车前景有待观察。一是制氢电价导致成本难降，二是相比电池驱动的乘用车，氢能乘用车不具成本优势，且有用氢风险。建议目前氢能应瞄准动力电池所不及的重卡、船舰及航空领域。 就氢能的燃烧属性来说，德国已成功进行多次尝试。德国钢厂进行世界首次以氢代煤的实验，大量减少碳排放，且氢能炼钢技术已有较大突破。同时，西门子计划2030年推出的氢能燃气轮机在燃料气中逐步将氢能的占比提升至100%。可见，氢能替代化石能源的技术储备已经完善，大规模释放氢能及氢基能源的动能，最终实现化石能源的零碳替代是大概率事件。 有四个战术层面问题须解决 若上述三大挑战是构建电氢耦合协调体系所要解决的战略性问题，那在战术层面还有一些技术性问题需要解决，至少包括以下四个方面： 第一，解决运输问题——氢油运输。世界上仅有德国和日本两家企业在做。氢油运输即把氢气储存在油里，通过油车、油轮运送，再用催化剂将它从油中分离。氢油运输的优点在于单位储存量仅略低于液氢，但成本更低，且可常温常压运输，运用原有储油运油体系。氢油技术是国际能源署首推的运氢方式。 第二，解决电解水制氢问题——创新制氢技术。目前电解水制氢有三种技术。一是碱性电解水制氢。需要稳定电源，不适用于光伏和风电制氢。二是质子交换膜制氢。可用于光伏、风电制氢。但膜依赖进口，且催化剂中的铂价格高昂，我国相应矿产较少。三是固体氧化物电解池制氢。能耗比前两者低，但需在高温下进行。我们正在研究一种既适用于风光电源制氢，又不使用贵金属，成本只比碱性制氢稍高的新型制氢技术。 第三，解决长效储能问题——氧燃料电池供能储能系统。氢燃料电池供能和发电可解决中长期储能问题。美国能源部十几年前颁布储能计划支持发展固体氧化物电池供能系统。固体氧化物燃料电池（sofc）直接把电化学能变成电能，具有很高的发电效率，且还能供热。 第四，重视热能利用——大型热泵 相变材料储热。欧洲能源转型中，清洁热（冷）能占据了主导地位，占比可达50%，而电力能源只占了30%。我国对热（冷）能源的综合开发利用远不及欧洲。德国柏林成功实施了一个跨季储能项目，将热电厂夏天排放的热能注入200米深的地下储存，冬天再用于供暖。另一个欧洲成果是“大型热泵 储热材料”技术，即地源、空气源、水源热泵利用晚上的低谷电能供暖，并在储热材料中储热，白天用电高峰时，则利用在储热材料中储存的热量继续供暖。值得注意的是，虽然热泵已在欧洲普及，但用相变材料储热在全世界还是新思路，希望四川推广“大型热泵 相变材料储热”模式，率先做成一个新的产业赛道。 聚焦四大用能终端引领新产业赛道 成都是典型的用能终端城市，建议在未来五到十年中，聚焦能源、交通、建筑、工业四个用能终端，通过技术变革引领新产业赛道。 一是能源方面，提升四川水电资源战略定位。水电不仅是四川的清洁能源，更是全国的战略资源。当未来中国实行高比例可再生能源并网发电时，水电资源的大规模储能就成为大电网安全稳定运行的定海神针。同时，富裕的水电可以促进氢能和氢基能源的发展，通过电氢融合来推动中下游产业发展。 二是交通方面，氢能与氢基能源多样化竞争。如上所述，氢能或者氢基能源是重卡等重型交通大型离网动能的最佳能源，但氢能在储存和运输环节现阶段还存在一些重大壁垒，而甲醇、液氨等氢基能源可以依托现有运输工具稍做改造，实现低压、常温和低成本的运输。所以在推广应用以高纯度氢能为燃料气的质子交换膜技术的同时，也要参考和借鉴国外。如加拿大，采用甲醇作为燃料气的甲醇燃料电池技术模式。 三是建筑方面，利用能源循环打造零碳小镇。可以借鉴德国的低碳（零碳）或者负碳建筑模式，构建光伏、热泵、储能以及清洁电力的自循环系统，实现低碳或者零碳排放。光伏发电可以实现自供电和并网卖电，并驱动热泵供暖（冷），富裕的电储存到储能设备（电池）以备缺电时供能。在有条件的地方，可以考虑与光伏发电和自产沼气的发电互为配合，形成稳定的供电系统。在此基础上，利用风光电能，配合以热泵技术为支撑的地热资源或者工业余热资源，打造零碳示范小镇，并形成低碳零碳甚至负碳建筑的行业或者国家标准。欧洲将以热泵技术为主要手段的热能利用作为能源转型重要抓手，成都可以大力发展以相变材料为储热材料的大型热泵技术，及早进入新产业赛道。 四是工业方面，研发氢燃气轮机和液氨内燃机。成都在产业布局时，可以考虑在化工产业中先行先试，通过化工产业的副产氢气实现循环利用，取代天然气和焦炭。同时，利用成都动力制造行业的资源优势，开发氢燃气轮机和液氨内燃机及其附件。总之，化石能源零碳替代的新型产业赛道，需要凝聚核心技术，成都应该抓住这个历史机遇，布局相关核心技术的研发，实现在这个领域新产业赛道的成都引领。 （作者系德国国家工程院院士、西南石油大学碳中和首席科学家、雨前顾问特约专家） |