需求旺盛，綠氫替代將引領(lǐng)工業(yè)脫碳之路

氫能與電能耦合形成“電氫能源體系”，是能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著綠氫替代需求的加快，制氫技術(shù)進(jìn)步的重要性正在顯現(xiàn)。電解水制氫技術(shù)急需進(jìn)步。國(guó)外的PEM電解水制氫技術(shù)起步較早，已開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化推廣。

國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部、生態(tài)環(huán)境部四部門近日聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)煉油行業(yè)綠色創(chuàng)新高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。該文件提出，支持制氫用氫降碳，鼓勵(lì)企業(yè)大力發(fā)展可再生能源制氫，支持建設(shè)綠氫煉化示范工程，推進(jìn)綠氫替代。

通過(guò)綠氫替代，推動(dòng)煉化等工業(yè)領(lǐng)域脫碳，促進(jìn)可再生能源消納利用，被普遍視為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。中國(guó)工程院院士衣寶廉指出，要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，必須大力發(fā)展可再生能源，利用可再生能源電解水制備綠氫，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和可再生能源的再分配，并促進(jìn)難以脫碳領(lǐng)域如交通、冶金、建筑等領(lǐng)域脫碳。

01 電氫耦合發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯

作為應(yīng)用廣發(fā)的零碳綠色能源，發(fā)展綠氫的意義在當(dāng)下已成為共識(shí)。在華北電力大學(xué)教授劉建國(guó)看來(lái)，綠氫的主要優(yōu)點(diǎn)是電解水過(guò)程中，電消耗量來(lái)自可再生能源，與傳統(tǒng)化石燃料制氫相比，在碳減排方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。因此，發(fā)展可再生能源制氫，是推動(dòng)交通、化工或鋼鐵等碳減排難度較大行業(yè)脫碳的重要解決方案。

“綠電可通過(guò)綠氫實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)氫電耦合，促進(jìn)可再生能源消納?！眲⒔▏?guó)表示，“雙碳”目標(biāo)下，綠氫在電力系統(tǒng)具有其它能源產(chǎn)品無(wú)法替代的獨(dú)特作用。他認(rèn)為，可再生能源電制氫是未來(lái)氫能發(fā)展的主要方向，將應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷”各環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)電氫耦合發(fā)展態(tài)勢(shì)。

氫能與電能耦合形成“電氫能源體系”，是能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的重要趨勢(shì)。中國(guó)工程院院士、中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司首席科學(xué)家張宗亮認(rèn)為，“電-氫”耦合提高新能源利用率，氫作為柔性負(fù)荷，具備寬波動(dòng)可調(diào)可行，可大幅降低一體化基地的新能源棄電率，提高新能源整體利用率。相較于傳統(tǒng)的一體化基地新能源棄電率控制在10%以內(nèi)，加入制氫負(fù)荷后，可將新能源棄電率控制在5%以內(nèi)。

由于擁有的多重優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，綠氫在全世界范圍內(nèi)發(fā)展不斷加快。中科院大連化學(xué)物理研究所研究員邵志剛指出，從全球來(lái)看，截至2022年，產(chǎn)業(yè)鏈目前共有228個(gè)氫氣項(xiàng)目，其中，已宣布的17個(gè)規(guī)?？稍偕茉粗茪漤?xiàng)目超過(guò)1GW，低碳?xì)淠戤a(chǎn)量超過(guò)20萬(wàn)噸。他強(qiáng)調(diào)，“能源變革需要?dú)淠?，氫能是?shí)現(xiàn)能源低碳化的核心技術(shù)之一?！?/p>

在國(guó)內(nèi)，綠氫發(fā)展勢(shì)頭也同樣迅猛。由中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)編寫的《國(guó)際氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告2023》(簡(jiǎn)稱《報(bào)告》)指出，截至2022年，全國(guó)已建成和規(guī)劃可再生能源制氫產(chǎn)能達(dá)410萬(wàn)噸/年，2022年全年電解水制氫項(xiàng)目約52個(gè)。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)可再生能源制氫新建投資規(guī)模將達(dá)到3750億元，綠氫產(chǎn)能接近副產(chǎn)氫。

02氨氫融合促進(jìn)深度脫碳

氫能有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，目前，氫在燃料電池汽車、熱電聯(lián)產(chǎn)、氫冶金、綠氫化工、綠色建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用都已取得較大突破。例如，在綠氫化工領(lǐng)域，利用氫氣加成二氧化碳制備甲醇，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用;在氫冶金領(lǐng)域，富氫高爐、氫氣豎爐等綠色冶金技術(shù)也進(jìn)入示范應(yīng)用階段。未來(lái)，氫能將助力交通、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域深度脫碳。

劉建國(guó)認(rèn)為，氫能的應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景具有很強(qiáng)的多樣性，除了用作燃料，還可作為原料應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行深度脫碳，主要包括工業(yè)原料、工業(yè)供熱、交通運(yùn)輸、住宅取暖、發(fā)電等。他建議，深化氫能應(yīng)用，利用不同地區(qū)的風(fēng)光等資源，積極開(kāi)展綠氫示范工作，推進(jìn)綠色化工、綠色鋼鐵、綠色交通、綠色航運(yùn)等多場(chǎng)景規(guī)模化應(yīng)用。

其中，由綠電制取綠氫，再由綠氫制取綠氨的方式，正在從綠氫的眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。“氨氫融合能源體系將助力氫能發(fā)展，”劉建國(guó)指出，綠氨既可以作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，同時(shí)也是相對(duì)廉價(jià)的零碳燃料。在他看來(lái)，作為解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用的有效技術(shù)路線，氨氫能源體系的建立，對(duì)氫能發(fā)展具有重大意義。

張宗亮認(rèn)為，可再生能源制取的綠氫、綠氨能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域化石能源替代，幫助冶金技術(shù)進(jìn)步，改善建筑、交通領(lǐng)域碳排放。在中國(guó)“雙碳”目標(biāo)下，為安全高效消納大規(guī)模可再生能源，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)需要充足的靈活性資源，以氫為基礎(chǔ)的綠氫、綠氨、綠甲醇，是輔助構(gòu)建高靈活性新型電力系統(tǒng)的有效途徑。

根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2022年合成氨產(chǎn)量約為6000萬(wàn)噸、合成甲醇產(chǎn)量約8100萬(wàn)噸，其氫氣需求量分別達(dá)到約1059萬(wàn)噸、1012萬(wàn)噸，綠氫替代潛力巨大。其中，風(fēng)光一體化綠氫合成氨項(xiàng)目市場(chǎng)關(guān)注度最高。從項(xiàng)目分布區(qū)域來(lái)看，主要集中在可再生資源豐富的“三北地區(qū)”，其中內(nèi)蒙古多倫縣風(fēng)光儲(chǔ)氫制綠氨項(xiàng)目規(guī)模達(dá)到60萬(wàn)噸。

03制氫技術(shù)進(jìn)步成為關(guān)鍵

當(dāng)前，包括藍(lán)氫和綠氫在內(nèi)的“低碳制氫”取代傳統(tǒng)能源制氫的速度正在加快。根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)預(yù)測(cè)，到2025年，中國(guó)氫氣的年需求量將達(dá)到4058萬(wàn)噸，到2030年，中國(guó)氫氣的年需求量將達(dá)到4910萬(wàn)噸，屆時(shí)，電解水制氫供應(yīng)量約為1100萬(wàn)噸/年，相當(dāng)于75~100GW電解制氫容量。

隨著綠氫替代需求的加快，制氫技術(shù)進(jìn)步的重要性正在顯現(xiàn)。在劉建國(guó)看來(lái)，電解水制氫技術(shù)急需進(jìn)步?！耙l(fā)展大規(guī)模、高效率、低成本、負(fù)荷可調(diào)范圍廣的電解水制氫技術(shù)，”他表示，從材料、性能、效率和成本來(lái)看，堿性電解水制氫技術(shù)(ALK)和質(zhì)子交換膜制氫技術(shù)(PEM)兩種主流電解水技術(shù)都有自身的優(yōu)勢(shì)和局限。

劉建國(guó)指出，雖然堿性電解水技術(shù)成熟、成本較低，但可調(diào)節(jié)范圍小，響應(yīng)時(shí)間慢。在特定的應(yīng)用場(chǎng)景(如車規(guī)級(jí)氫能、波動(dòng)性可再生能源)中，PEM的響應(yīng)速度快、可調(diào)范圍廣等優(yōu)勢(shì)日漸明顯，國(guó)際、國(guó)內(nèi)許多新建項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始選用PEM電解槽。

據(jù)了解，國(guó)外的PEM電解水制氫技術(shù)起步較早，已開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化推廣，目前國(guó)際領(lǐng)先水平為直流電耗小于3.9kW·h/Nm³，單槽產(chǎn)氫量達(dá)到500Nm³/h。在各國(guó)PEM制氫設(shè)備廠商中，美國(guó)普頓、美國(guó)康明斯、德國(guó)西門子等公司有明顯的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，且均已推出可用于可再生能源制氫儲(chǔ)能的兆瓦級(jí)產(chǎn)品。

《報(bào)告》顯示，現(xiàn)階段，電解水制氫占全球氫氣產(chǎn)量不足1%，隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大和成本的下降，以及堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)與固體氧化物(SOEC)電解水制氫技術(shù)水平逐漸提升，電解水制氫綜合成本預(yù)計(jì)在10年內(nèi)下降50%以上，將逐步替代化石能源制氫。