氫能的應(yīng)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(lǐng)域?qū)儆跉淠艿母叨讼M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(yīng)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(chǎn)合成氨，甲醇等，同時也是用途廣泛的還原劑。根據(jù)預(yù)測，要實現(xiàn)2030年碳達峰目標(biāo)，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(guān)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(shù)”，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(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前一次能源消費總量約為每年50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，對應(yīng)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(nóng)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(jù)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(lǐng)域氫能應(yīng)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(chǎn)中近乎98%為化石能源制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫，碳排放較高。根據(jù)制氫原料不同構(gòu)成的氫氣來源比重分別為煤制氫占比63.54%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比21.18%，天然氣制氫占比13.76%，電解水制氫占比1.52%。據(jù)預(yù)測，在雙碳目標(biāo)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(chǎn)業(yè)規(guī)模，同樣也會催生各種綠氫新技術(shù)的產(chǎn)生和突破，經(jīng)濟效益、社會效益顯著。
2、用氫端。我國氫能源主要的應(yīng)用領(lǐng)域為工業(yè)領(lǐng)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(jù)25%的份額，鋼鐵冶煉及其余領(lǐng)域所占?xì)淠茉捶蓊~為16%。數(shù)據(jù)顯示，到2060年，工業(yè)領(lǐng)域用氫依舊占?xì)淠軕?yīng)用主導(dǎo)地位，約為7794萬噸，占?xì)淇傂枨罅?0%;交通運輸領(lǐng)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(lǐng)域成為“雙碳目標(biāo)”攻關(guān)主力軍。從目前整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展看，我國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模有限，技術(shù)相對比較傳統(tǒng)，缺乏低碳、低成本、高純度、大規(guī)模的應(yīng)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(biāo)”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(fēng)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(fēng)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(shè)“氫能社會”用氫的最主要來源之一。隨著電解水制氫技術(shù)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(yīng)用場景，并且實現(xiàn)“氫電交互”，構(gòu)建“分布式智慧能源系統(tǒng)”，擔(dān)負(fù)“季節(jié)性調(diào)峰發(fā)電”等重任，實現(xiàn)氫電能源智慧互聯(lián)，在工業(yè)領(lǐng)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(dāng)中，氫氣主要用于合成或提質(zhì)工藝，傳統(tǒng)技術(shù)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(chǎn)量是基于傳統(tǒng)高爐，在高爐所采用的“長流程”生產(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)域在實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的進程中，必須進行用氫技術(shù)改造，以綠氫代替灰氫，擔(dān)當(dāng)減碳的重任。工業(yè)領(lǐng)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(nèi)，綠氫將會在我國工業(yè)領(lǐng)域減碳進程中扮演重要角色。是實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的關(guān)鍵。
四、 制約綠氫進入工業(yè)領(lǐng)域的瓶頸
1、綠氫成本偏高。現(xiàn)有技術(shù)條件下，綠氫的制取成本高企不下，缺乏經(jīng)濟性，如果不考慮“綠色貿(mào)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(lǐng)域的綠氫替代在技術(shù)上可行只是一方面，在經(jīng)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(biāo)的日益嚴(yán)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(guān)鍵設(shè)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?，F(xiàn)階段，國內(nèi)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(jīng)濟半徑受限，形成大規(guī)模儲存難、運輸難的局面，國內(nèi)氫儲運技術(shù)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(lǐng)域的瓶頸。
五、“規(guī)模化”是破解瓶頸的“密鑰”
1、綠氫制取規(guī)?；??？稍偕茉窗l(fā)電制氫是新能源革命的重要手段，是能源轉(zhuǎn)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(shù)創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動氫能多元化發(fā)展，對氫能的工業(yè)化應(yīng)用給出了政策指導(dǎo)。
據(jù)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(nèi)產(chǎn)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(dāng)然其中要突破大規(guī)模電解槽結(jié)構(gòu)性的技術(shù)問題，會產(chǎn)生很多自主知識產(chǎn)權(quán)，帶動科技進步，這是綠氫規(guī)?；瘧?yīng)用的必然過程和結(jié)果。
2、工業(yè)應(yīng)用規(guī)?；Ｄ壳叭蛱寂欧诺?5%來自鋼鐵、水泥等高耗能產(chǎn)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(lǐng)域，綠氫是實現(xiàn)減排的“攻堅利器”。工業(yè)領(lǐng)域減排是減排的硬骨頭，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用綠氫減排短期內(nèi)更是面臨著經(jīng)濟性的挑戰(zhàn)，通過規(guī)模化應(yīng)用，可以找到打破工業(yè)化應(yīng)用的“痛點”的辦法，帶動技術(shù)創(chuàng)新，大幅降低用氫成本，為規(guī)?；G氫制取提供廣闊的應(yīng)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(yīng)用的積極性，實現(xiàn)雙贏。
六、綠色甲醇是規(guī)?；瘧?yīng)用的現(xiàn)實選擇
1、技術(shù)自主領(lǐng)先。氫能規(guī)?；秒y，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)?；?、低成本、高效用”是氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵?？萍冀缫惨恢敝铝τ谄平膺@個難題。中科院2020年度科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)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(shù))”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)?？稍偕茉慈缣柲?、風(fēng)能、水能等發(fā)電，進而電解水產(chǎn)氫，用可再生能源產(chǎn)生的氫氣與二氧化碳反應(yīng)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(shù)。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(shè)施，配套適當(dāng)?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(lǐng)域剛性排放數(shù)億噸級二氧化碳，又可實現(xiàn)規(guī)?；稍偕茉创鎯υ倮?，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的顛覆性技術(shù)和可行技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，達到國際領(lǐng)先。
2、甲醇市場成熟。中國在甲醇領(lǐng)域已經(jīng)進行了將近二十年的國家層面的推廣。目前國內(nèi)甲醇的生產(chǎn)技術(shù)成熟，產(chǎn)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(nèi)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(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)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(chǎn)品，支持各地推進甲醇燃料生產(chǎn)及加注體系建設(shè)。
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(shù);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(chǎn)能力易調(diào)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(guān)于推進中央企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作的指導(dǎo)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(fù)碳技術(shù)開發(fā)”，提出“穩(wěn)步構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)體系，結(jié)合工業(yè)、交通等領(lǐng)域典型應(yīng)用場景，積極部署產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉俄椖?rdquo;。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(shè)指導(dǎo)思想為綠氫的規(guī)?；I(yè)應(yīng)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(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗，配套甲醇重整解氫，開展綠氫規(guī)?；I(yè)應(yīng)用，既能夠滿足“雙碳目標(biāo)”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)?；瘧?yīng)用條件。
能源轉(zhuǎn)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(jīng)驗，采取政、資、產(chǎn)、學(xué)、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(shè)大規(guī)模綠氫(綠色甲醇)制備示范園區(qū)，并開展規(guī)?；I(yè)應(yīng)用路線研發(fā)與應(yīng)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(yīng)用場景給與配套綠色資金支持，進而帶動電解槽規(guī)?；a(chǎn)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(jīng)濟、永續(xù)”地造福人類社會。
來源：中國能源網(wǎng)
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