陈清泉院士:氢能和四网四流融合推进双碳目标

文章来源:中国科学报郑金武2022-04-30 09:45

目前,世界各国能源供需格局加快调整,绿色低碳转型已经成为新的共识,新能源发展进入活跃期,数字化智能化技术推动行业重塑。
 
氢能与电能类似,是常见的二次能源,需要通过一次能源转化获得。同时,氢能的能量密度高、储存方式简单,是大规模、长周期储能的理想选择,为可再生能源规模化消纳提供了解决方案。
 
我国提出,争取于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和的“双碳目标”。为实现“3060双碳目标”,发展氢能产业是重中之重。其中,绿氢的发展尤为重要。我们要加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备。
 
实现双碳目标的重要途径
 
过去十年,全球温室气体排放以1.5%速度增长,2018年全球二氧化碳气体排放375亿吨,各种温室气体排放553亿吨二氧化碳当量。全球已有130多个国家和地区提出了实现碳中和的时间,发达国家多数把实现碳中和目标的时间定在2050年。
 
2018年,我国二氧化碳排放98.39亿吨,占全球碳排放总量的29.69%,人均排放6.98吨,是全球人均排放量的1.6倍。
 
我们在承受气候灾害和风险的同时,高碳粗放发展也使我国付出了沉重的资源、环境代价,制约着我国的可持续发展。积极应对气候变化,不仅是为了规避气候变化的风险,也是为了提高我国经济增长的质量和效益,破解资源、环境约束,事关国家发展和未来。
 
我国提出了“3060双碳目标”,这就要求我们力争到2030年实现碳排放减少65%,非化石能源占比达到25%,实现风光电装机达到12亿千瓦。到2060年,我国将实现控制化石能源的总量,提高现有能源体系的效率,加快发展可再生能源替代,构建以新能源为主体的新型能源体系。
 
从碳达峰到碳中和,欧盟用时大概需要70年,日本、美国需要40年左右,而我国仅有30年时间。
 
2022年全国两会上,政府工作报告提出,要有序推进碳达峰碳中和工作,落实碳达峰行动方案。同时,要推动能源革命,确保能源供应,立足资源禀赋,坚持先立后破、通盘谋划,推进能源低碳转型。
 
氢能源作为一种高效、清洁、可持续的能源,已得到世界各国的普遍关注,被誉为21世纪的新能源。随着世界范围内对绿色经济发展重视程度的提升,氢能源的需求和应用领域不断扩展。发展氢经济是人类摆脱对化石能源的依赖、保障能源安全的重要战略选择。
 
积极践行绿色制氢路线
 
我国的发展现状和挑战,表明我国化石能源只能打减量牌,我们必须要提高可再生能源的利用率,如太阳能、风能、水力能的利用潜力要进一步挖掘。
 
我国可再生能源有深厚的资源禀赋,相当于我国峰值能源需求总量的2.7倍。但是可再生能源需要储能来解决稳定供应问题。
 
氢能可以解决大规模电力的储存问题,也可以解决将来单一电网不能解决的冶金、化工等行业的原料问题。
 
目前,我国主要有两条绿色制氢路线。一是通过光伏、风力发电,开展水电解制氢,实现绿色制氢;二是通过光合作用,利用种植植物,通过生物发酵乙醇重整制氢。
 
从现有情况看,我国光伏电池发电效率目前已经可达到25%,度电成本不超过0.25元,通过可再生能源电解制氢,制氢成本有望进一步降低和可控,是当下比较符合国情的绿色制氢发展之路。
 
此外,我国氢气资源十分丰富,特别是作为工业副产品的氢气资源非常丰富,煤制氢产氢量占世界的三分之一。但副产氢气的问题是它含杂质多,不能用于质子交换膜氢燃料电池,目前基本上用于化工和石油工业。
 
目前,我国燃料电池用氢量不到1%,主要是因为氢气提纯成本太高,工艺难度大,压缩耗能高,导致最终应用成本高。
 
燃料电池用氢气方面,大型化是制氢装备用于可再生能源制氢的前提。欧美等国家制氢装备开发较早,已有大型化成熟产品,但低成本技术仍未解决。
 
我国质子交换膜关键材料技术和大型化方面还是有短板,低成本技术有待加强攻关,产业化速度应该尽快提升。随着产业竞争日益激烈,氢能产业核心关键技术的攻关仍需加速。
 
北京2022年冬奥会赛事保障中,国电投氢能车辆在延庆赛区、北京赛区总投入200辆,累计出车7200多次,总行驶里程超过88万公里,是我国氢燃料电池汽车发展方面取得的重要进展。
 
推动四网四流融合
 
仅仅依靠技术不能够解决复杂的问题和迎接新的挑战,必须将人文世界、物理世界、信息世界等深度地融合,以“四网四流”融合推进碳中和、促进数字经济。
 
所谓“四网”,是指能源网、信息网、交通网、人文网;“四流”是指能源流、信息流、物质流、价值流。
 
通过四网四流融合,可以将人的主观能动性和能源革命、信息革命、交通出行革命联动起来。通过建立“人-机-物”系统形成的新的生产关系,发掘第四次工业革命的数据红利所带来的巨大生产力,并在前三次工业革命生产力总和的基础上,爆发出指数级增长。
 
“四网四流”有三个载体:第一个载体是区域的智能能源管控中心;第二个载体是电动汽车,也是移动的载体储能;第三个载体是光伏的建筑,也是一个发电厂,多余的电量可以跟电网连接,可以制氢,可以给电动汽车充电。
 
在能源里,存在多种形态,通过不同能源形态的耦合,比如风能、太阳能是间歇性的,在电网不能接受时,把它们拿来制氢,就把能源流变成了物质流;等需要时,氢气再跟氧气结合,通过燃料电池发电,有助于解决电力能源和化工能源的矛盾问题。
 
通过“四网四流”形成智能能源,既能把没有用的能源变成有用的能源,又能促进实现“碳中和”。
 
而氢在其中有着重要的作用,因为氢气不仅具有能源和物质的属性,而且具有燃料和材料的属性,所以能够耦合电力能源和化工能源,耦合能源流和物质流。可以肯定,氢能在我国未来的能源系统中的地位将越来越重要。
 
(陈清泉系中国工程院院士。内容根据2022中国电动汽车百人会氢能论坛上的报告整理)

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