碳中和時代綠氫發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

摘要：為達到《巴黎協(xié)定》提出的溫度控制目標，越來越多的國家提出了碳中和目標，碳中和成為全球的共同愿景和一致行動。在各國家和地區(qū)采取的減排措施中，鼓勵可再生能源發(fā)展成為普遍選擇，可再生能源迎來巨大發(fā)展機遇。

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現(xiàn)的重點，是未來制氫的發(fā)展方向。“綠氫”要在碳中和路徑中充分發(fā)揮作用，必須要實現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟地商業(yè)化應(yīng)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(zhàn)。

二氧化碳等溫室氣體排放引發(fā)的全球氣候變化是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。面對日益嚴峻的全球氣候變化形勢，推動綠色低碳發(fā)展已成為全人類共識。2015年《巴黎協(xié)議》設(shè)定了本世紀后半葉實現(xiàn)凈零排放的目標，這是全球應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)的重要舉措，越來越多的國家正在將其轉(zhuǎn)化為國家戰(zhàn)略，提出了碳中和的目標并采取積極行動。

1碳中和成為全球的共同目標與一致行動

目前全球已有超過130個國家和地區(qū)提出了“碳中和”或“零碳”目標且大部分計劃在2050年實現(xiàn)，如歐盟、英國、加拿大、日本等。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，2國已實現(xiàn)碳中和，6國已立法，處于立法階段的有歐盟地區(qū)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程中的國家和地區(qū)近100個。中美這兩個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年實現(xiàn)碳中和;2020年9月習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上宣布，中國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。

為實現(xiàn)碳中和目標，許多國家和地區(qū)制定減排路線圖，通過立法、投資及稅收等政策措施推動減排行動。這些政策和措施根據(jù)實際情況各有側(cè)重，主要包含六個方面：

一是支持和鼓勵能效技術(shù)創(chuàng)新，進一步提升能源使用效率;二是倡導(dǎo)進一步減少化石能源使用，不斷降低對化石能源依賴;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(jié)構(gòu)中的比重;四是支持和鼓勵清潔低碳、節(jié)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;六是推動發(fā)展碳捕獲和儲存技術(shù)，解決剩余排放問題。

中國是最大的發(fā)展中國家，也是碳排放大國，要實現(xiàn)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。在2020年12月的中央經(jīng)濟工作會議上，碳達峰和碳中和工作被確定為2021年八項重點任務(wù)之一;12月21日國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，清晰描繪了中國2060年前實現(xiàn)碳中和的“路線圖”;2021年全國兩會，碳達峰和碳中和被首次寫入政府工作報告;2021 年10 月國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》。一系列舉措充分表明中國推動低碳發(fā)展的堅定決心與積極行動。

2 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廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，需要全人類、全社會、全行業(yè)共同努力，大力推進低碳發(fā)展。低碳發(fā)展的重點是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，能源生產(chǎn)與利用加快向更清潔、低碳的方向轉(zhuǎn)變。在各國和地區(qū)碳達峰、碳中和政策的引導(dǎo)推動下能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型有望加快推進，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、使用無污染，被視為理想的清潔能源，是實現(xiàn)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)展所帶來的巨大市場潛力和科技創(chuàng)新是提高綜合國力和新經(jīng)濟競爭力的有力支撐，因而其開發(fā)與利用受到全球普遍關(guān)注。許多國家都在加快推進氫能源技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局，美國、歐盟、日本都出臺相應(yīng)的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，日本甚至提出了“氫能社會”的宏大構(gòu)想。中國國內(nèi)氫能發(fā)展也方興未艾，在交通、工業(yè)、建筑、電力等重點用能行業(yè)有望迎來較大發(fā)展空間，為這些碳排放重點領(lǐng)域減排脫碳發(fā)揮作用。

2.1 氫能加快推動交通運輸領(lǐng)域的清潔化轉(zhuǎn)型

交通運輸是社會經(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，占碳排放比重非常高。歐盟委員會稱運輸業(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(yīng)碳排放量下降4.5%;

其中公路運輸和航空活動的減少貢獻了石油需求下降量的近 85%。2020 年下半年隨著交通運輸逐步恢復(fù)，碳排放量也隨之開始反彈。近年來氫燃料電池商用車發(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加氫站的布局建設(shè)，有力推進氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化。除了商用車，航空和海運也在積極探索氫能應(yīng)用。氫能在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展無疑將極大推動該領(lǐng)域的廣泛、深度脫碳。

2.2氫能促進工業(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，對于工藝過程脫碳有顯著影響。中國石化第一個綠氫煉化項目——鄂爾多斯1萬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，當(dāng)前煉鋼多采用焦炭作為鐵礦石還原劑。為了解決碳排放問題，鋼鐵行業(yè)開始探索氫冶金技術(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程中的絕大部分碳排放。如果隨著可再生能源成本下降，在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電，最后基本可實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。

2.3氫能助益建筑領(lǐng)域的節(jié)能碳排

建筑行業(yè)實現(xiàn)碳中和的主要途徑就是打造綠色建筑，探索燃料電池?zé)犭娐?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(tǒng)能源，滿足建筑對冷、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(yīng)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。

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(tǒng)項目就已正式投入商業(yè)應(yīng)用，這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內(nèi)，可以不依賴電網(wǎng)獨立運行。2020年歐委會發(fā)布了“革新浪潮”倡議，提出2030年所有建筑實現(xiàn)近零能耗;國內(nèi)近年來也興起這種綠色建筑理念，并有示范項目的報道。

2.4氫能助力電力行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型

電力行業(yè)是用能大戶也是碳排放大戶，碳排放約55%來自電力行業(yè)，而電力行業(yè)碳排放80%來自燃煤發(fā)電。為實現(xiàn)碳中和目標，全球多個國家均已采取措施降低煤電比重，重點發(fā)展可再生能源發(fā)電。近年來以光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電成本顯著下降，規(guī)模經(jīng)濟將發(fā)揮作用，成本有望進一步下降，從而推動該領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

然而，可再生能源中風(fēng)電、光伏具有顯著的間接性和波動性特點，大規(guī)模并網(wǎng)之后會對電力系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊?？稍偕娏χ茪淇蓪崿F(xiàn)清潔電力到氫能的大規(guī)模儲存，是解決可再生能源消納、平抑波動性和間歇性的重要手段。可再生能源與儲能系統(tǒng)的結(jié)合不僅可以有效提升可再生能源發(fā)電可靠性和穩(wěn)定性，同時可以顯著降低電力系統(tǒng)的碳排放，助力碳中和目標的實現(xiàn)。

3發(fā)展綠氫是實現(xiàn)碳中和的理想途徑

根據(jù)制備過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為“灰氫”;將二氧化碳通過捕集、利用和封存(CCUS或CCS)，大幅減少工藝過程碳排放的氫氣被稱為“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來分有化石燃料制氫(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、煉油廠回收富氫氣體制氫、焦?fàn)t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”，具體過程是以水為原料，在催化劑作用下通過電能使水分解成氫氣和氧氣，制氫過程具有鮮明的低碳環(huán)保特點。如果使用的電能是由可再生能源(例如太陽能或風(fēng)電)產(chǎn)生，整個制氫環(huán)節(jié)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現(xiàn)。氫能發(fā)展的驅(qū)動力是氫能利用終端零排放能助力交通運輸、工業(yè)、動力燃料和建筑等碳排放大戶實現(xiàn)大規(guī)模脫碳。既然氫能作為實現(xiàn)碳中和的重要抓手，那么氫氣全生命周期的碳排放，尤其是制取過程的碳排放應(yīng)受到關(guān)注。在綠氫、藍氫和灰氫中，灰氫制取過程碳排放非常嚴重;藍氫是灰氫通過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，制取過程中產(chǎn)生的二氧化碳并沒有消失，只是通過CCUS封存;只有綠氫幾乎無碳排放，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)會一起共同推出了“選擇可再生氫”倡議，呼吁歐盟為能源系統(tǒng)集成和氫戰(zhàn)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。

在推進綠氫發(fā)展、助力碳中和實踐中，許多國家已邁出積極步伐。2020年10月8日，全球首個千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范工程項目在蘭州新區(qū)綠色化工園區(qū)順利通過連續(xù)72小時現(xiàn)場考核。該項目也是我國第一個太陽能燃料生產(chǎn)示范工程，由中國科學(xué)院李燦院士團隊主導(dǎo)，蘭州新區(qū)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發(fā)建設(shè)。項目計劃年產(chǎn)1400噸甲醇，由太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫及二氧化碳加氫合成甲醇三大系統(tǒng)單元組成，通過裝機規(guī)模為10MW的光伏發(fā)電單元向2臺1000m3/h的電解槽供電實現(xiàn)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(yīng)合成甲醇。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)近年來一直在進行太陽能合成燃料和太陽能熱存儲的研發(fā)。繼2019年成功開發(fā)利用太陽能和空氣合成液態(tài)燃料后，近來成功開發(fā)高溫儲能技術(shù)，這種技術(shù)將首次實現(xiàn)1000℃以上的高溫太陽能熱量的經(jīng)濟高效和可擴展存儲。旗下Synhelion公司正與伍德(Wood)公司合作開發(fā)綠氫生產(chǎn)，利用Synhelion公司的太陽熱儲能技術(shù)和伍德公司甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝優(yōu)勢，采用太陽熱提供熱量，以甲烷為原料生產(chǎn)氫氣。當(dāng)原料使用生物來源的甲烷時，整個工藝過程完全無碳排放。如果合作研發(fā)成功，將實現(xiàn)太陽能氫氣工業(yè)化，為經(jīng)濟地制取綠氫創(chuàng)出一條新路。

4綠氫大規(guī)模發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)

綠氫要在碳中和路徑中充分發(fā)揮作用，必須要實現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟地商業(yè)化應(yīng)用。目前，綠氫的大規(guī)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(zhàn)：

一是電解水制氫經(jīng)濟性不高。綠氫應(yīng)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(guī)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)實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模化產(chǎn)氫，是技術(shù)最為成熟生產(chǎn)成本相對較低的路線。堿性水電解也是國內(nèi)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)化推進較快。PEM制得的氫氣純度高流程簡單，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(yīng)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(yīng)用中占比較小。

近年來，圍繞提高電解效率和降低成本目標，國內(nèi)外電解水制氫技術(shù)在工藝、設(shè)備、催化劑、電能等方面開展了許多研究并取得了卓有成效的進展。未來只有技術(shù)不斷進步并取得突破性進展，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(guī)模應(yīng)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(wěn)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(guī)?；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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低;但單位質(zhì)量儲氫密度低，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;但液化過程耗能大且儲存容器需絕熱性能良好，成本高昂。

近年來固態(tài)合金儲氫和有機液態(tài)儲氫相關(guān)技術(shù)的開發(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)儲氫是通過化學(xué)反應(yīng)或物理吸附將氫氣儲存于固態(tài)材料中，優(yōu)點突出：儲氫工作壓力不高安全性強使用壽命長;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(tǒng)體積小儲氫密度大，結(jié)構(gòu)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，但也存在著儲存材料價格高昂、儲存釋放條件苛刻的問題。

三是氫能運輸制約。運輸是氫氣從制氫廠到終端使用的重要環(huán)節(jié)，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)進行運輸。我國主要以氣態(tài)運輸為主，可選擇長管拖車和管道運輸兩種方式。其中長管拖運技術(shù)成熟，通常在近距離時采用;管道運輸則適合大規(guī)模、長距離運輸，運輸效率高，能耗較小，但一次性建設(shè)投入較高，國內(nèi)目前輸氫管道較少。液態(tài)采用槽車運輸，適合中遠距離和較大量運輸，該運輸方式在液化過程中能耗較大，設(shè)備要求也較高，國內(nèi)主要用于航天及軍事，在日、美等國應(yīng)用較為廣泛。

固態(tài)氫氣通過輕質(zhì)儲氫材料可以實現(xiàn)高密度高安全運輸，提高單車運輸量和運輸安全性，目前仍處于試驗開發(fā)階段。經(jīng)測算，在0~1000km范圍管道運輸?shù)某杀咀畹?運輸距離在250km內(nèi)，長管拖車運輸成本低于液氫槽車;超過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)進一步突破。

5結(jié)論

日益嚴峻的氣候變化問題是世界各國共同面對的挑戰(zhàn)，推動綠色低碳發(fā)展已成為應(yīng)對氣候變化問題的重要舉措。越來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(qū)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)點受到普遍關(guān)注并成為發(fā)展重點，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)、建筑等用能大戶減排脫碳。

氫能要在碳中和中發(fā)揮作用要重點發(fā)展綠氫，而綠氫要真正充分發(fā)揮作用必須要實現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟地應(yīng)用。目前，從技術(shù)層面還面臨一些挑戰(zhàn)，首先是電解水制氫技術(shù)要實現(xiàn)突破，要大幅降低制氫成本;其次是氫氣儲存、運輸技術(shù)還要進一步發(fā)展，要提高氫能響應(yīng)速度、安全性及電—氫—電能源轉(zhuǎn)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)過儲存、運輸多個環(huán)節(jié)層層疊加后會大大抬高終端氫氣成本。只有當(dāng)技術(shù)進一步突破，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。