氫能的應用主要體現(xiàn)在三個方面：清潔能源、能源載體以及化工原料。氫作為清潔能源可替代化石能源，實現(xiàn)低碳消費，其中交通領域屬于氫能的高端消費客戶端，商業(yè)化推進最快;氫的“能源載體”特性可消納豐富的可再生能源，并通過儲存應用在不同的場景，例如分布式發(fā)電，孤島電源等;氫氣作為原料可以生產合成氨，甲醇等，同時也是用途廣泛的還原劑。根據預測，要實現(xiàn)2030年碳達峰目標，我國氫氣的年需求量將達到3715萬噸;在2060年實現(xiàn)碳中和，氫氣的年需求量將達到1.3億噸，其中可再生能源制氫(綠氫)規(guī)模有望達到1億噸。是實現(xiàn)碳中和的關鍵。工信部、科技部、自然資源部日前聯(lián)合印發(fā)《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出“組織研發(fā)富氫碳循環(huán)高爐、氫能窯爐、氫基直接還原等技術”，并要求實施氫冶金、非高爐煉鐵等低碳冶煉試點項目，開展低碳水泥、氫能窯爐及固碳建材試點，明確了氫在工業(yè)減排中的作用。
一、 碳排放痕跡溯源
根據統(tǒng)計數(shù)據，我國目前一次能源消費總量約為每年50億噸標準煤，對應排放二氧化碳100億噸，其中煤炭、石油、天然氣的占比分別為57.7%、18.9%、8.1%，非碳能源的占比僅為15.3%。100億噸二氧化碳的排放中，熱電占比45%，建筑占比5%，交通占比10%，工業(yè)占比39%，農業(yè)占比1%。熱電的主要終端消費者為工業(yè)(64.6%)和建筑(28%)。從以上數(shù)據可以看出碳排放的痕跡源流：二氧化碳的發(fā)端排放源主要為工業(yè)、建筑和交通，其中工業(yè)占比最大，因此，工業(yè)領域氫能應用是實現(xiàn)碳中和的重中之重。
二、 目前我國工業(yè)用氫現(xiàn)狀
1、制氫端。2019年我國氫氣生產中近乎98%為化石能源制氫以及工業(yè)副產氫，碳排放較高。根據制氫原料不同構成的氫氣來源比重分別為煤制氫占比63.54%，工業(yè)副產氫占比21.18%，天然氣制氫占比13.76%，電解水制氫占比1.52%。據預測，在雙碳目標推動和約束下，可再生能源電解制氫(綠氫)在2050年占比將提高到70%，成為我國未來氫能供給的主力軍。這就意味著綠氫發(fā)展空間巨大，蘊含著萬億級的產業(yè)規(guī)模，同樣也會催生各種綠氫新技術的產生和突破，經濟效益、社會效益顯著。
2、用氫端。我國氫能源主要的應用領域為工業(yè)領域，化工是氫氣最大的需求行業(yè)。2019年，我國合成氨和甲醇制取所需氫氣分別占32%和27%，煉化與化工占據25%的份額，鋼鐵冶煉及其余領域所占氫能源份額為16%。數(shù)據顯示，到2060年，工業(yè)領域用氫依舊占氫能應用主導地位，約為7794萬噸，占氫總需求量60%;交通運輸領域用氫約為4051萬噸，占總需求的31%(目前占比不到1%)。工業(yè)領域成為“雙碳目標”攻關主力軍。從目前整個產業(yè)的發(fā)展看，我國氫能產業(yè)規(guī)模有限，技術相對比較傳統(tǒng)，缺乏低碳、低成本、高純度、大規(guī)模的應用，也沒有碳稅的約束，因此總體形成了“化石能源制氫”的路徑依賴，不利于“雙碳目標”的實現(xiàn)。
三、 綠氫是低碳工業(yè)的主力
1、綠氫是智慧能源。綠氫是通過下載風電、光伏等可再生能源，通過電解水制取。在所有人工制氫途徑中，電解水制氫可以有效消納風電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力，以及其他富余(如核電)波谷電力，因而將貫穿于氫能發(fā)展的全過程，是建設“氫能社會”用氫的最主要來源之一。隨著電解水制氫技術的不斷發(fā)展和成本的逐漸降低，電解水制氫將能逐漸滿足商業(yè)化的要求，實現(xiàn)分布式制氫。未來，既可以集中大規(guī)模制氫、區(qū)域供氫，也可以提供小型模塊化電解水制氫裝置，滿足不同應用場景，并且實現(xiàn)“氫電交互”，構建“分布式智慧能源系統(tǒng)”，擔負“季節(jié)性調峰發(fā)電”等重任，實現(xiàn)氫電能源智慧互聯(lián)，在工業(yè)領域“氫、電利用”中發(fā)揮作用。
2、綠氫是低碳工業(yè)的主力。化工行業(yè)當中，氫氣主要用于合成或提質工藝，傳統(tǒng)技術是石腦油制氫和天然氣制氫，是灰氫，都有碳排放;鋼鐵工業(yè)中，目前71%的鋼鐵產量是基于傳統(tǒng)高爐，在高爐所采用的“長流程”生產方式中，都是添加焦炭作為鐵礦石還原劑，其中用作還原劑的氫也是灰氫，生產每噸鋼鐵的碳排放強度超過2噸。上述例子充分說明工業(yè)領域在實現(xiàn)“雙碳目標”的進程中，必須進行用氫技術改造，以綠氫代替灰氫，擔當減碳的重任。工業(yè)領域的減碳面臨著巨大壓力。但這同時也孕育著新一輪機遇。在“十四五”乃至更長一段時間內，綠氫將會在我國工業(yè)領域減碳進程中扮演重要角色。是實現(xiàn)“雙碳目標”的關鍵。
四、 制約綠氫進入工業(yè)領域的瓶頸
1、綠氫成本偏高。現(xiàn)有技術條件下，綠氫的制取成本高企不下，缺乏經濟性，如果不考慮“綠色貿易壁壘”以及“碳稅”這些政策性的硬性約束，用戶更愿意選擇低成本的制氫路線。工業(yè)領域的綠氫替代在技術上可行只是一方面，在經濟上可行才是氫能大規(guī)模利用的先決條件。在制氫路徑中，灰氫目前成本優(yōu)勢明顯，隨著雙碳目標的日益嚴控，未來可再生能源電解水制氫將是實現(xiàn)綠氫的最好途徑。
2、要素壁壘明顯。影響綠色制取成本有兩大核心要素，一是目前可用于綠氫制取的可再生電及核電等電價高;二是綠氫制取關鍵設備電解槽投資較大—功率(1KW)成本一萬元以上。
3、儲運難度較大。現(xiàn)階段，國內主要采用高壓氣態(tài)氫儲運方式(重量儲氫密度1~5.8wt%)，少量液氫儲運(重量儲氫密度5-14wt%)、金屬固態(tài)儲氫(重量儲氫密度1.4～3.6wt%)等方式，儲存困難且儲存能力較低，經濟半徑受限，形成大規(guī)模儲存難、運輸難的局面，國內氫儲運技術的能效、安全問題有待完善解決。這些問題都是制約綠氫進入工業(yè)領域的瓶頸。
五、“規(guī)模化”是破解瓶頸的“密鑰”
1、綠氫制取規(guī)模化。可再生能源發(fā)電制氫是新能源革命的重要手段，是能源轉型的需求,是擺脫傳統(tǒng)化石能源依賴的趨勢選擇。工信部下發(fā)的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》指出加快氫能技術創(chuàng)新和基礎設施建設，推動氫能多元化發(fā)展，對氫能的工業(yè)化應用給出了政策指導。
據德國研究，100MW堿性電解槽比5MW同類電解槽成本降低50%。目前國內產能最大堿性電解槽是蘇州競立的1300立/小時新型電解槽，功率5MW。由此可見電解槽成本下降空間很大，要點就在于綠氫制取規(guī)模化，推動電解槽功率上規(guī)模，帶動制造成本下降，當然其中要突破大規(guī)模電解槽結構性的技術問題，會產生很多自主知識產權，帶動科技進步，這是綠氫規(guī)模化應用的必然過程和結果。
2、工業(yè)應用規(guī)模化。目前全球碳排放的45%來自鋼鐵、水泥等高耗能產業(yè)，其中高耗能碳排放的45%來自于工業(yè)原料的使用，比如鋼鐵冶煉用來做還原劑的焦炭，噸鋼碳排放比為1：2。在我國實現(xiàn)碳中和過程中，尤其是工業(yè)領域，綠氫是實現(xiàn)減排的“攻堅利器”。工業(yè)領域減排是減排的硬骨頭，工業(yè)領域應用綠氫減排短期內更是面臨著經濟性的挑戰(zhàn)，通過規(guī)模化應用，可以找到打破工業(yè)化應用的“痛點”的辦法，帶動技術創(chuàng)新，大幅降低用氫成本，為規(guī)模化綠氫制取提供廣闊的應用市場，反過來規(guī)模化綠氫制取帶來的成本下降又能夠促進工業(yè)化應用的積極性，實現(xiàn)雙贏。
六、綠色甲醇是規(guī)模化應用的現(xiàn)實選擇
1、技術自主領先。氫能規(guī)模化利用難，難在成本，因為氫能利用成本中的90%源于氫的壓縮、儲存和運輸。“規(guī)模化、低成本、高效用”是氫能產業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)碳中和的關鍵。科技界也一直致力于破解這個難題。中科院2020年度科技成果轉移轉化亮點工作之一“液態(tài)陽光合成項目(二氧化碳加氫制甲醇專利技術)”為碳中和提供了新思路。
液態(tài)陽光甲醇合成，是利用大規(guī)模可再生能源如太陽能、風能、水能等發(fā)電，進而電解水產氫，用可再生能源產生的氫氣與二氧化碳反應生成綠色甲醇，從而把可再生能源的能量存儲在液體燃料甲醇中。這提供了減排二氧化碳、儲存可再生能源再利用的切實可行的新技術。在這里，綠色甲醇吃掉二氧化碳，用碳不增碳，成為綠氫的有效液態(tài)載體，儲運非常便利。在具體利用方面，可以利用現(xiàn)有設施，配套適當?shù)募状冀鈿溲b置，進入原有工藝，無需大規(guī)模改造。通過“液態(tài)陽光工程”既可解決工業(yè)領域剛性排放數(shù)億噸級二氧化碳，又可實現(xiàn)規(guī)模化可再生能源存儲再利用，是實現(xiàn)“雙碳”目標的顛覆性技術和可行技術，具有完全自主知識產權，達到國際領先。
2、甲醇市場成熟。中國在甲醇領域已經進行了將近二十年的國家層面的推廣。目前國內甲醇的生產技術成熟，產業(yè)鏈完善，成本低于汽油和柴油。甲醇除了直接用于燃燒，還可用于內燃機和甲醇重整制氫燃料電池。2019年八部委聯(lián)合印發(fā)的《關于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應用的指導意見》，鼓勵企業(yè)研發(fā)甲醇混合動力汽車、甲醇增程式電動汽車、甲醇燃料電池汽車產品，支持各地推進甲醇燃料生產及加注體系建設。
3、甲醇制氫優(yōu)勢。綠色甲醇是液態(tài)含氫元素比例最高的清潔能源，能量密度高, 其儲氫重量密度高達12.5wt%，常溫常壓下的甲醇儲氫要明顯優(yōu)于液化(多級壓縮且冷卻能耗巨大)、高壓(安全性無法保證)和其他儲氫技術;甲醇制氫裝置簡單，以綠色甲醇為原料制氫投資少、自動化程度高、生產能力易調節(jié);甲醇的安全性高，其作為液體儲存和運輸?shù)陌踩院捅憬菪远际堑锰飒毢竦?甲醇做為燃料十分穩(wěn)定、揮發(fā)性較低，適合燃料電池的操作。這些優(yōu)勢高壓氣氫和液氫難以與之比肩。
國資委印發(fā)的《關于推進中央企業(yè)高質量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作的指導意見》明確提出“國有企業(yè)要加大綠色低碳投資，積極開展低碳零碳負碳技術開發(fā)”，提出“穩(wěn)步構建氫能產業(yè)體系，結合工業(yè)、交通等領域典型應用場景，積極部署產業(yè)鏈示范項目”。同時以工業(yè)企業(yè)為推動的重點，“鼓勵企業(yè)積極開展綠色低碳先行示范，培育示范企業(yè)，打造示范園區(qū)”。這些高屋建瓴的低碳建設指導思想為綠氫的規(guī)模化工業(yè)應用指明了方向。
作為碳中和的主力軍，綠色甲醇能夠發(fā)揮“綠色液體載氫”功能，通過嫁接成熟的甲醇市場化應用技術經驗，配套甲醇重整解氫，開展綠氫規(guī)模化工業(yè)應用，既能夠滿足“雙碳目標”戰(zhàn)略要求，又為綠氫成本突破爭取了時間，是目前實現(xiàn)工業(yè)降碳的最優(yōu)路徑，具備規(guī)模化應用條件。
能源轉型需要政府的推動力，可以借鑒燃料電池汽車示范城市群的成功經驗，采取政、資、產、學、研、用多方合作的方式，組成“綠氫(綠色甲醇)制、儲、運、用規(guī)模化示范協(xié)同體”，選擇幾個條件合適的區(qū)域建設大規(guī)模綠氫(綠色甲醇)制備示范園區(qū)，并開展規(guī)模化工業(yè)應用路線研發(fā)與應用，可以起到杠桿作用，事半功倍。對示范園區(qū)給與電價優(yōu)惠政策、對工業(yè)應用場景給與配套綠色資金支持，進而帶動電解槽規(guī)模化生產制造，實現(xiàn)成本突破，帶動整體成本的大幅下降，實現(xiàn)綠色能源“安全、穩(wěn)定、清潔、經濟、永續(xù)”地造福人類社會。
來源：中國能源網
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