其中氫能因熱值高、零排放、利用形式多樣，作為化石能源替代品優(yōu)勢突出而受到普遍關(guān)注，有望為交通、工業(yè)、建筑、電力等重點(diǎn)碳排放領(lǐng)域的減排脫碳發(fā)揮作用。“綠氫”則是真正助力碳中和目標實(shí)現的重點(diǎn)，是未來(lái)制氫的發(fā)展方向。“綠氫”要在碳中和路徑中充分發(fā)揮作用，必須要實(shí)現大規模、經(jīng)濟地商業(yè)化應用。目前從技術(shù)角度還面臨電解水制氫經(jīng)濟性瓶頸、儲運難題等方面的挑戰。
二氧化碳等溫室氣體排放引發(fā)的全球氣候變化是人類(lèi)面臨的最大挑戰之一。面對日益嚴峻的全球氣候變化形勢，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展已成為全人類(lèi)共識。2015年《巴黎協(xié)議》設定了本世紀后半葉實(shí)現凈零排放的目標，這是全球應對氣候變化挑戰的重要舉措，越來(lái)越多的國家正在將其轉化為國家戰略，提出了碳中和的目標并采取積極行動(dòng)。
碳中和成為全球的共同目標與一致行動(dòng)
目前全球已有超過(guò)130個(gè)國家和地區提出了“碳中和”或“零碳”目標且大部分計劃在2050年實(shí)現，如歐盟、英國、加拿大、日本等。據相關(guān)統計，2國已實(shí)現碳中和，6國已立法，處于立法階段的有歐盟地區和其他5國，另有20國(含歐盟國)發(fā)布了正式的政策宣示，提出目標但尚處于討論過(guò)程中的國家和地區近100個(gè)。中美這兩個(gè)排放大國也都做出了碳中和承諾。美國重返《巴黎協(xié)議》并承諾在2050年實(shí)現碳中和;2020年9月習近平主席在第75屆聯(lián)合國大會(huì )上宣布，中國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實(shí)現碳中和。
為實(shí)現碳中和目標，許多國家和地區制定減排路線(xiàn)圖，通過(guò)立法、投資及稅收等政策措施推動(dòng)減排行動(dòng)。這些政策和措施根據實(shí)際情況各有側重，主要包含六個(gè)方面：
一是支持和鼓勵能效技術(shù)創(chuàng )新，進(jìn)一步提升能源使用效率;二是倡導進(jìn)一步減少化石能源使用，不斷降低對化石能源依賴(lài);三是鼓勵大力發(fā)展可再生能源，提高可再生能源在能源結構中的比重;四是支持和鼓勵清潔低碳、節能減排等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展;五是支持發(fā)展生物經(jīng)濟和天然碳匯等循環(huán)經(jīng)濟;六是推動(dòng)發(fā)展碳捕獲和儲存技術(shù)，解決剩余排放問(wèn)題。
中國是最大的發(fā)展中國家，也是碳排放大國，要實(shí)現在2060年前碳中和的目標任重道遠。為了履行對世界的莊嚴承諾，中國迅速行動(dòng)。在2020年12月的中央經(jīng)濟工作會(huì )議上，碳達峰和碳中和工作被確定為2021年八項重點(diǎn)任務(wù)之一;12月21日國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》白皮書(shū)，清晰描繪了中國2060年前實(shí)現碳中和的“路線(xiàn)圖”;2021年全國兩會(huì )，碳達峰和碳中和被首次寫(xiě)入政府工作報告;2021 年10 月國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動(dòng)方案》。一系列舉措充分表明中國推動(dòng)低碳發(fā)展的堅定決心與積極行動(dòng)。
氫能將在碳中和路徑中扮演重要角色
碳達峰與碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟社會(huì )系統性變革，需要全人類(lèi)、全社會(huì )、全行業(yè)共同努力，大力推進(jìn)低碳發(fā)展。低碳發(fā)展的重點(diǎn)是能源結構轉型，能源生產(chǎn)與利用加快向更清潔、低碳的方向轉變。在各國和地區碳達峰、碳中和政策的引導推動(dòng)下能源結構轉型有望加快推進(jìn)，化石能源生產(chǎn)與利用將面臨更嚴格的碳排放約束，非化石能源逐漸成為能源增量主力軍。
氫能資源豐富、熱值高、使用無(wú)污染，被視為理想的清潔能源，是實(shí)現碳中和的重要途徑，將在全球能源新格局中扮演重要角色。氫能發(fā)展所帶來(lái)的巨大市場(chǎng)潛力和科技創(chuàng )新是提高綜合國力和新經(jīng)濟競爭力的有力支撐，因而其開(kāi)發(fā)與利用受到全球普遍關(guān)注。許多國家都在加快推進(jìn)氫能源技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局，美國、歐盟、日本都出臺相應的氫能戰略規劃，日本甚至提出了“氫能社會(huì )”的宏大構想。中國國內氫能發(fā)展也方興未艾，在交通、工業(yè)、建筑、電力等重點(diǎn)用能行業(yè)有望迎來(lái)較大發(fā)展空間，為這些碳排放重點(diǎn)領(lǐng)域減排脫碳發(fā)揮作用。
1. 氫能加快推動(dòng)交通運輸領(lǐng)域的清潔化轉型
交通運輸是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，也是能源消耗和溫室氣體排放大戶(hù)，占碳排放比重非常高。歐盟委員會(huì )稱(chēng)運輸業(yè)對歐盟GDP貢獻率僅約5%，但其二氧化碳排放量約占歐盟溫室氣體排放總量的四分之一。IEA報告指出，2020年一季度全球石油需求下降5%，對應碳排放量下降4.5%;
其中公路運輸和航空活動(dòng)的減少貢獻了石油需求下降量的近 85%。2020 年下半年隨著(zhù)交通運輸逐步恢復，碳排放量也隨之開(kāi)始反彈。近年來(lái)氫燃料電池商用車(chē)發(fā)展較快，中國、日本、德國、韓國、美國等國家加快燃料電池汽車(chē)加氫站的布局建設，有力推進(jìn)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化。除了商用車(chē)，航空和海運也在積極探索氫能應用。氫能在交通運輸領(lǐng)域的應用發(fā)展無(wú)疑將極大推動(dòng)該領(lǐng)域的廣泛、深度脫碳。
2. 氫能促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的脫碳減排
氫在工業(yè)上主要用于煉油、化工和鋼鐵行業(yè)。在煉油和化工行業(yè)氫氣除了作為燃料還是重要原料，主要用于加氫處理、加氫裂化和脫硫。如果煉油和化工業(yè)大量采用甚至全部使用綠氫，對于工藝過(guò)程脫碳有顯著(zhù)影響。中國石化第一個(gè)綠氫煉化項目——鄂爾多斯1萬(wàn)t/a綠電制氫項目計劃2022年建成投產(chǎn)，項目利用可再生電力電解制氫，所制氫氣供中天合創(chuàng )煤化工項目。該項目對于綠氫煉化有示范意義，大大有利煤化工降碳減排。
鋼鐵是工業(yè)碳排放大戶(hù)，當前煉鋼多采用焦炭作為鐵礦石還原劑。為了解決碳排放問(wèn)題，鋼鐵行業(yè)開(kāi)始探索氫冶金技術(shù)，用氫代替焦炭和天然氣作為還原劑可基本消除煉鐵和煉鋼過(guò)程中的絕大部分碳排放。如果隨著(zhù)可再生能源成本下降，在軋鑄環(huán)節使用可再生能源發(fā)電，最后基本可實(shí)現鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。
3. 氫能助益建筑領(lǐng)域的節能碳排
建筑行業(yè)實(shí)現碳中和的主要途徑就是打造綠色建筑，探索燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)，采用燃料電池發(fā)電技術(shù)，以氫能完全或部分替代市政電網(wǎng)、天然氣等傳統能源，滿(mǎn)足建筑對冷、熱、電、生活熱水等各種能源的需求。這種燃料電池在建筑領(lǐng)域的應用不僅提高能源利用效率，而且能起到建筑用能和采暖降碳的作用，效果顯著(zhù)。
早在2009年在東京燃氣公司與松下集團共同研發(fā)的家庭熱電聯(lián)供系統項目就已正式投入商業(yè)應用，這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內，可以不依賴(lài)電網(wǎng)獨立運行。2020年歐委會(huì )發(fā)布了“革新浪潮”倡議，提出2030年所有建筑實(shí)現近零能耗;國內近年來(lái)也興起這種綠色建筑理念，并有示范項目的報道。
4. 氫能助力電力行業(yè)的綠色轉型
電力行業(yè)是用能大戶(hù)也是碳排放大戶(hù)，碳排放約55%來(lái)自電力行業(yè)，而電力行業(yè)碳排放80%來(lái)自燃煤發(fā)電。為實(shí)現碳中和目標，全球多個(gè)國家均已采取措施降低煤電比重，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源發(fā)電。近年來(lái)以光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電成本顯著(zhù)下降，規模經(jīng)濟將發(fā)揮作用，成本有望進(jìn)一步下降，從而推動(dòng)該領(lǐng)域可持續發(fā)展。
然而，可再生能源中風(fēng)電、光伏具有顯著(zhù)的間接性和波動(dòng)性特點(diǎn)，大規模并網(wǎng)之后會(huì )對電力系統和電網(wǎng)穩定性產(chǎn)生沖擊?？稍偕娏χ茪淇蓪?shí)現清潔電力到氫能的大規模儲存，是解決可再生能源消納、平抑波動(dòng)性和間歇性的重要手段?？稍偕茉磁c儲能系統的結合不僅可以有效提升可再生能源發(fā)電可靠性和穩定性，同時(shí)可以顯著(zhù)降低電力系統的碳排放，助力碳中和目標的實(shí)現。
發(fā)展綠氫是實(shí)現碳中和的理想途徑
根據制備過(guò)程中的二氧化碳排放情況，氫被分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”。有大量二氧化碳排放的氫氣被稱(chēng)為“灰氫”;將二氧化碳通過(guò)捕集、利用和封存(CCUS或CCS)，大幅減少工藝過(guò)程碳排放的氫氣被稱(chēng)為“藍氫”;幾乎不產(chǎn)生碳排放的氫氣即“綠氫”。氫氣制取工藝按原料路線(xiàn)來(lái)分有化石燃料制氫(天然氣制氫、煤炭制氫等)、富氫氣體制氫(合成氨生產(chǎn)尾氣制氫、煉油廠(chǎng)回收富氫氣體制氫、焦爐煤氣中氫的回收利用等)、甲醇制氫、水電解制氫、生物制氫等。
目前世界上商業(yè)用氫絕大部分是從煤、石油和天然氣等化石燃料制取，過(guò)程中有大量碳排放，制得的氫氣為“灰氫”或“藍氫”;只有水電解制氫可以制得“綠氫”，具體過(guò)程是以水為原料，在催化劑作用下通過(guò)電能使水分解成氫氣和氧氣，制氫過(guò)程具有鮮明的低碳環(huán)保特點(diǎn)。如果使用的電能是由可再生能源(例如太陽(yáng)能或風(fēng)電)產(chǎn)生，整個(gè)制氫環(huán)節完全零排放，制得氫氣就是“綠氫”。
綠氫才能真正助力碳中和目標實(shí)現。氫能發(fā)展的驅動(dòng)力是氫能利用終端零排放能助力交通運輸、工業(yè)、動(dòng)力燃料和建筑等碳排放大戶(hù)實(shí)現大規模脫碳。既然氫能作為實(shí)現碳中和的重要抓手，那么氫氣全生命周期的碳排放，尤其是制取過(guò)程的碳排放應受到關(guān)注。在綠氫、藍氫和灰氫中，灰氫制取過(guò)程碳排放非常嚴重;藍氫是灰氫通過(guò)CCUS處理后的氫，雖然二氧化碳排放大幅下降但其前身是灰氫，制取過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳并沒(méi)有消失，只是通過(guò)CCUS封存;只有綠氫幾乎無(wú)碳排放，所以真正能高效助推碳中和的是綠氫。
2020年5月，歐洲10家行業(yè)領(lǐng)先公司與行業(yè)協(xié)會(huì )一起共同推出了“選擇可再生氫”倡議，呼吁歐盟為能源系統集成和氫戰略做出正確選擇，充分挖掘可再生電力潛力，使歐洲完全脫碳。
在推進(jìn)綠氫發(fā)展、助力碳中和實(shí)踐中，許多國家已邁出積極步伐。2020年10月8日，全球首個(gè)千噸級液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范工程項目在蘭州新區綠色化工園區順利通過(guò)連續72小時(shí)現場(chǎng)考核。該項目也是我國第一個(gè)太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)示范工程，由中國科學(xué)院李燦院士團隊主導，蘭州新區石化產(chǎn)業(yè)投資公司、蘇州高邁新能源科技、中科院大連化物所三方合作開(kāi)發(fā)建設。項目計劃年產(chǎn)1400噸甲醇，由太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電解水制氫及二氧化碳加氫合成甲醇三大系統單元組成，通過(guò)裝機規模為10MW的光伏發(fā)電單元向2臺1000m3/h的電解槽供電實(shí)現電解水制氫，所制取的氫氣與汽化后的二氧化碳在催化劑作用下反應合成甲醇。
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)近年來(lái)一直在進(jìn)行太陽(yáng)能合成燃料和太陽(yáng)能熱存儲的研發(fā)。繼2019年成功開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和空氣合成液態(tài)燃料后，近來(lái)成功開(kāi)發(fā)高溫儲能技術(shù)，這種技術(shù)將首次實(shí)現1000℃以上的高溫太陽(yáng)能熱量的經(jīng)濟高效和可擴展存儲。旗下Synhelion公司正與伍德(Wood)公司合作開(kāi)發(fā)綠氫生產(chǎn)，利用Synhelion公司的太陽(yáng)熱儲能技術(shù)和伍德公司甲烷蒸汽轉化制氫工藝優(yōu)勢，采用太陽(yáng)熱提供熱量，以甲烷為原料生產(chǎn)氫氣。當原料使用生物來(lái)源的甲烷時(shí)，整個(gè)工藝過(guò)程完全無(wú)碳排放。如果合作研發(fā)成功，將實(shí)現太陽(yáng)能氫氣工業(yè)化，為經(jīng)濟地制取綠氫創(chuàng )出一條新路。
綠氫大規模發(fā)展面臨的主要挑戰
綠氫要在碳中和路徑中充分發(fā)揮作用，必須要實(shí)現大規模、經(jīng)濟地商業(yè)化應用。目前，綠氫的大規模發(fā)展有許多影響因素，如各國經(jīng)濟發(fā)展不均衡、能源資源稟賦差異、政策鼓勵力度不一等，從技術(shù)角度主要面臨以下三方面挑戰：
一是電解水制氫經(jīng)濟性不高。綠氫應用在技術(shù)上可行只是必要條件，在經(jīng)濟上可行才是氫能大規模利用的充分條件，而電解水制氫成本較高是制約瓶頸。目前電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解、質(zhì)子交換膜水電解(PEM)、固體氧化物水電解(SOE)和堿性陰離子交換膜電解(AEM)等，其中堿性電解槽技術(shù)已經(jīng)實(shí)現工業(yè)規?；a(chǎn)氫，是技術(shù)最為成熟生產(chǎn)成本相對較低的路線(xiàn)。堿性水電解也是國內商業(yè)化電解水制氫主要技術(shù)，歐美則對PEM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)較快。PEM制得的氫氣純度高流程簡(jiǎn)單，能效高于堿性水電解，裝置運行靈活性更高，而且對電力變化反應更快，更適合與可再生能源發(fā)電配合，但因使用貴金屬催化劑等材料成本較高?？傮w上電解水制氫由于電解效率不高耗電量大等原因，與其他制氫方式相比成本較高，在工業(yè)應用中占比較小。
近年來(lái)，圍繞提高電解效率和降低成本目標，國內外電解水制氫技術(shù)在工藝、設備、催化劑、電能等方面開(kāi)展了許多研究并取得了卓有成效的進(jìn)展。未來(lái)只有技術(shù)不斷進(jìn)步并取得突破性進(jìn)展，大幅降低電解水制氫成本，才能提高其經(jīng)濟性，從而提升綠氫大規模應用的可能性。
二是氫氣存儲難度大。氫氣由于重量輕、原子半徑小、性能活潑、穩定性差(泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸)，存儲和運輸難度較大。按氫氣狀態(tài)可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固體三種儲存方式;目前工業(yè)上最可行的規?；瘍Υ婧瓦\輸方法只有高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟，設備結構簡(jiǎn)單，成本相對較低;但單位質(zhì)量?jì)涿芏鹊?，運輸成本高，有泄漏和爆炸的安全隱患。低溫液態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲存容積小等優(yōu)勢;但液化過(guò)程耗能大且儲存容器需絕熱性能良好，成本高昂。
近年來(lái)固態(tài)合金儲氫和有機液態(tài)儲氫相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)也備受關(guān)注，其中固態(tài)儲氫技術(shù)被認為是最有發(fā)展前景的一種氫氣儲存方式。固態(tài)儲氫是通過(guò)化學(xué)反應或物理吸附將氫氣儲存于固態(tài)材料中，優(yōu)點(diǎn)突出：儲氫工作壓力不高安全性強使用壽命長(cháng);放氫純度高有利于提高燃料電池的工作效率和使用壽命;系統體積小儲氫密度大，結構緊湊;再充氫壓力低充氫方便。目前固態(tài)合金儲氫已經(jīng)有示范報道，但也存在著(zhù)儲存材料價(jià)格高昂、儲存釋放條件苛刻的問(wèn)題。
三是氫能運輸制約。運輸是氫氣從制氫廠(chǎng)到終端使用的重要環(huán)節，也是成本的重要組成部分。氫氣可以以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)進(jìn)行運輸。我國主要以氣態(tài)運輸為主，可選擇長(cháng)管拖車(chē)和管道運輸兩種方式。其中長(cháng)管拖運技術(shù)成熟，通常在近距離時(shí)采用;管道運輸則適合大規模、長(cháng)距離運輸，運輸效率高，能耗較小，但一次性建設投入較高，國內目前輸氫管道較少。液態(tài)采用槽車(chē)運輸，適合中遠距離和較大量運輸，該運輸方式在液化過(guò)程中能耗較大，設備要求也較高，國內主要用于航天及軍事，在日、美等國應用較為廣泛。
固態(tài)氫氣通過(guò)輕質(zhì)儲氫材料可以實(shí)現高密度高安全運輸，提高單車(chē)運輸量和運輸安全性，目前仍處于試驗開(kāi)發(fā)階段。經(jīng)測算，在0~1000km范圍管道運輸的成本最低;運輸距離在250km內，長(cháng)管拖車(chē)運輸成本低于液氫槽車(chē);超過(guò)250km則后者更具成本優(yōu)勢。要降低氫的運輸成本、提高氫能經(jīng)濟性，還有待相關(guān)科技創(chuàng )新和技術(shù)攻關(guān)進(jìn)一步突破。
結論
日益嚴峻的氣候變化問(wèn)題是世界各國共同面對的挑戰，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展已成為應對氣候變化問(wèn)題的重要舉措。越來(lái)越多的國家提出碳中和目標并研究制定碳中和背景下的產(chǎn)業(yè)政策，支持減排目標。鑒于全球溫室氣體排放量的73%源于能源消耗，在各國家和地區采取的減排措施中，鼓勵可再生能源發(fā)展成為普遍選擇。氫能以其獨特的優(yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注并成為發(fā)展重點(diǎn)，有望在碳中和路徑中發(fā)揮重要作用，助力電力、交通、工業(yè)、建筑等用能大戶(hù)減排脫碳。
氫能要在碳中和中發(fā)揮作用要重點(diǎn)發(fā)展綠氫，而綠氫要真正充分發(fā)揮作用必須要實(shí)現大規模、經(jīng)濟地應用。目前，從技術(shù)層面還面臨一些挑戰，首先是電解水制氫技術(shù)要實(shí)現突破，要大幅降低制氫成本;其次是氫氣儲存、運輸技術(shù)還要進(jìn)一步發(fā)展，要提高氫能響應速度、安全性及電—氫—電能源轉化效率;另外還要大力降低儲運成本，因為即使制氫成本能夠大幅降低，在經(jīng)過(guò)儲存、運輸多個(gè)環(huán)節層層疊加后會(huì )大大抬高終端氫氣成本。只有當技術(shù)進(jìn)一步突破，以綠氫為代表的氫能才能夠真正在碳中和路徑中大顯身手。
