編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續(xù) 共生 向新”為主題的“第五屆未來能源大會”在江蘇常州武進召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會上，中國科學(xué)院院士、西安交通大學(xué)教授郭烈錦發(fā)表了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。
謝謝主席，謝謝會議的邀請，很高興有這個機會來跟大家一起研究討論未來能源的相關(guān)發(fā)展問題。我給大家今天在這里分享一下關(guān)于我們對雙碳目標(biāo)下，綠色氫電能源供給體系構(gòu)建與發(fā)展戰(zhàn)略的相關(guān)思考。我是西安交通大學(xué)綠色氫電全國重點實驗室的郭烈錦。
我們國家現(xiàn)在的現(xiàn)狀是缺油少氣乏鈾，對外依存度過高，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，能源安全形勢堪憂，可再生能源有效利用的占比率比較低，連續(xù)可靠性比較差。從這個圖里可以看到，不管是化石能源，還是過程性能源，我們在當(dāng)前的工業(yè)體系下，基本上都是通過燃燒一把火燒出來供熱，發(fā)出熱能以后，然后通過熱工轉(zhuǎn)化變成電，可再生能源都是通過單一的發(fā)電，比如風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電這樣單一的轉(zhuǎn)化方式，來轉(zhuǎn)化成電，而電本身我們知道它也是個過程性能源，這些過程通過電再提供給我們的終端用戶來用能。當(dāng)然過程中整個社會體系，還有把含能體能源直接供送到終端用能的很多，不那么理想的一些狀態(tài)。傳統(tǒng)化石能源轉(zhuǎn)換利用中，我們依賴熱能動力循環(huán)，高能耗、高污染、高碳排放、低效率，而可再生能源由于本身的稟賦，能源密度不低，不連續(xù)、不穩(wěn)定，不能直接存儲，所以常規(guī)的轉(zhuǎn)化利用效率比較低，成本也高，方式比較單一。比如說燃煤發(fā)電，靠單一的提高參數(shù)和容量來提高效率，能勢匹配僅僅體現(xiàn)在能量轉(zhuǎn)換的單個方面，而過程中在做的都是先污染后治理，忽略了物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換的有機關(guān)聯(lián)，所以我們覺得這叫無序化嚴(yán)重、能質(zhì)損耗大，而且產(chǎn)生高碳排放和高污染的產(chǎn)物。從微觀上來說，它的載能自轉(zhuǎn)變各自獨立，無互補耦合，對傳統(tǒng)煤制氫而言，同樣也是高污染條件苛刻、系統(tǒng)復(fù)雜，在追求高效的時候產(chǎn)生污染，因此再去要求精簡，再加裝各種脫硫、脫銷、除塵等設(shè)備增加能耗。進一步又提出低碳，所以又提出CCUS，二氧化碳捕集，捕集這個流程單純發(fā)電廠的效率下降10到13個百分點，這樣一個鏈?zhǔn)桨l(fā)展的模式，是滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，因此需要創(chuàng)新三位一體協(xié)同模式，去解決高能耗、高污染、高碳排放的問題。
從可再生能源來看，當(dāng)前太陽能光伏它在發(fā)電或者光熱發(fā)電的效率都比較低，能量的全光譜是沒有得到完全的利用，轉(zhuǎn)變的方式也比較單一，而且發(fā)出來的電本身還是一個過程式能源，本身波動大、并網(wǎng)難，而且不能存儲，自己不能直接存儲，如果光伏發(fā)了電再來電解水制氫，事實上當(dāng)前的全球最好的光伏發(fā)電+電解水制氫的裝備，它的效率從太陽到氫的效能不到10%。對于風(fēng)能、地?zé)崮軄碚f，同樣這些通過流體機械轉(zhuǎn)換變成電，也是不能直接把能量存儲下來的，所以我們簡單說它是形式單一、不能直接存儲、成本高、效率低。
所以存在的問題從科學(xué)層面上來說，對能源的能勢來說，它是發(fā)射端和接收端的物質(zhì)不匹配，而判斷系統(tǒng)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)過于單一，組織方式無序化，可逆損失高，轉(zhuǎn)化方式對可再生能源過于單一、成本高，不能直接存儲、效率低。現(xiàn)有的用能方式和能源供給體系存在最大的問題。因此需要從科學(xué)上進一步的凝練，解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換的能質(zhì)能勢理論及匹配原則，所有的可再生能源都應(yīng)該是資源化、無害化的能源和物質(zhì)的多失控匹配、多能互補，形成資源化的利用模式。
正因為如此，我們認為應(yīng)該實施對能源的光熱、化學(xué)能等能勢梯級利用的整體匹配模式，形成物質(zhì)+熱循環(huán)有效轉(zhuǎn)化的方式，以實現(xiàn)產(chǎn)物和產(chǎn)品的清潔低碳甚至零碳，從微觀上來說要實施多種載能子的耦合和互補，比如光、聲、電、鍵耦合。這樣就使得我們的二次能源產(chǎn)品，應(yīng)該不是單一的電，而應(yīng)該是氫電形成清潔載能體，這樣就能夠立足于我國資源稟賦，確保我國能源供給安全和可持續(xù)發(fā)展的需求，同時滿足碳減排、碳中和的雙碳目標(biāo)，這些革命性顛覆性能源科學(xué)理論與核心關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該加快實施，并且我們國家是有相應(yīng)的優(yōu)勢，這對于加快實現(xiàn)潔凈低碳高效安全的能源轉(zhuǎn)型也是非常有價值的。
總之一句話就是要發(fā)展綠色氫電的亟需突破顛覆性技術(shù)，從傳統(tǒng)的左邊的這個圖變成右邊的這樣一個體系，構(gòu)建相應(yīng)的氫電生產(chǎn)、供應(yīng)、消費體系，是當(dāng)前乃至2050年期間國家最為重大的戰(zhàn)略需求，這個戰(zhàn)略需求也是國家各種規(guī)劃和戰(zhàn)略里面，已經(jīng)做了相應(yīng)的布局，它的核心問題實際上是存儲可再生能源，減排二氧化碳這兩個主要目標(biāo)。我們知道碳中和的目標(biāo)是指大氣二氧化碳濃度不再增加，它并不是說要零碳排放，而是二氧化碳的排放等于二氧化碳的吸收。當(dāng)前二氧化碳排放的狀態(tài)，是幾乎85%以上的二氧化碳來源是化石能源的使用和利用，15%是從其他非碳能源來的。從工業(yè)的角度來說，電力供能產(chǎn)生的二氧化碳占27%，鋼鐵產(chǎn)生17%，建筑材料16%，化工11%，而交通及其他的相關(guān)工業(yè)只產(chǎn)生不到10%的二氧化碳。所以我們應(yīng)該明白二氧化碳減排的主要任務(wù)在哪些領(lǐng)域。剛才前面兩位老先生都講到，二氧化碳的減排，除了人工措施以外，還有陸地、海洋的吸收，這也是蠻重要的一塊。
我們認為在碳捕集、利用與封存技術(shù)CCUS技術(shù)，并不是全局是可取的，只是在局部，相應(yīng)的特有場合是可用的，必須從源頭上去遏制二氧化碳的排放，因為CCUS技術(shù)的成本太高，耗能太大，二氧化碳封存的風(fēng)險，包括環(huán)境風(fēng)險和地質(zhì)風(fēng)險現(xiàn)在都是評估不到的。
中國碳中和需要構(gòu)建三端共同發(fā)力體系，從電力和氫能的生產(chǎn)端，從能源消費端，到強調(diào)固碳端，形成完全的綠色氫電從生產(chǎn)到使用到循環(huán)利用的這么一個體系，還包括四個大的模塊，一個是傳統(tǒng)工業(yè)體系里面的規(guī)模化碳減排，它必須摒棄傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化方式，發(fā)展清潔、無碳排放的氫電生產(chǎn)及氫電互補技術(shù)。其二是要大力發(fā)展可再生電力和可再生制氫，重塑能源結(jié)構(gòu)，同步發(fā)展大規(guī)模的氫儲能，提高能源利用效率。第三個大模塊，是要認真考慮大幅度的提高二氧化碳資源化利用的理論體系、科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，耦合氫能利用技術(shù)，革新二氧化碳固定與規(guī)模化利用方式。第四個大模塊就是當(dāng)前大家特別關(guān)注的所謂儲能，如果單純的依靠電化學(xué)儲能，是不足以支撐能源可持續(xù)發(fā)展的，我們應(yīng)該大規(guī)模的發(fā)展氫儲能，完善氫電互補體系，鏈接氫能生產(chǎn)和消費兩端。
這是傳統(tǒng)四大高碳排放行業(yè)的轉(zhuǎn)型，迫在眉睫，這四個行業(yè)剛才已經(jīng)講過，不再敘述。我們要給予氫電互補能源體系，在傳統(tǒng)行業(yè)中引入基于零碳排放的綠色氫電制用技術(shù)，實現(xiàn)大規(guī)模碳減排。通過超臨界水蒸煤氣化制氫發(fā)電供熱多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，不需要CCUS技術(shù)捕集，就可以自然形成純二氧化碳產(chǎn)品，如果能完全取代現(xiàn)在燃煤發(fā)電技術(shù)，將從源頭上減排每年46億以上的二氧化碳，若取代高碳排放的傳統(tǒng)煤氣化制氫技術(shù)，不僅可以大幅降低二氧化碳的排放，還可以使得制氫成本大幅度下降。而且這個技術(shù)可以利用城市農(nóng)村的各種有機生物質(zhì)垃圾等等，來作為原料生產(chǎn)電力和綠氫。這是一體化解決高碳排放的問題，左側(cè)就是利用超臨界水蒸煤技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高的發(fā)電效率，不產(chǎn)生污染物，不需要二氧化碳捕獲就能實現(xiàn)純碳的富集，作為資源化利用。2021年以來，國務(wù)院相關(guān)的政策也在大幅度提高可再生能源的占比，預(yù)計2025年中國總發(fā)電量將達到15.2萬億千瓦時，其中化石能源大約占10%的比例，而可再生能源占90%，這種規(guī)劃應(yīng)該說對我們是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，屆時電力系統(tǒng)相比于不改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的情況下，就要減排741億噸的煤，這是很艱難的。因此我們要發(fā)展可再生能源綠色制氫，這也是碳中和時代最佳的零碳能源。
可再生能源制氫包括綠色制氫，為鋼鐵、建筑、化工行業(yè)提供氫原料和氫能源，同時它可以消納電力，形成氫電互換互補，這種電轉(zhuǎn)氫、氫轉(zhuǎn)電，也是當(dāng)前技術(shù)乃至未來發(fā)展最為高效和可持續(xù)的。利用太陽能驅(qū)動的光熱電耦合全光譜的利用來制氫，應(yīng)該說可以改變單一光催化制氫以及光熱發(fā)電制氫等方法，甚至是光伏發(fā)電制氫等方法的低效率、高能耗的情況。我們在這個相關(guān)的理論工作，在華山腳下做了示范，現(xiàn)在在新疆的克州等等都在做大規(guī)模的示范，這個技術(shù)從太陽能到氫的效率可以達到20%以上的，而且運用當(dāng)?shù)氐柠}堿水直接產(chǎn)氫發(fā)電制淡水，這種多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以為未來長期、低成本、大規(guī)模、可持續(xù)的生產(chǎn)提供強有力的支撐。同時我們利用基于鈣鈦礦的太陽能電池高效光伏電解制氫，同樣也是一種可選的途徑，進一步發(fā)展，前景也是非常廣泛，在電解水制氫方面，綠色氫利用可再生能源產(chǎn)電，利用堿性電解槽、PEM電解槽、AEM電解槽進一步提高相應(yīng)的效率還是可期的。比如說高效低成本缺陷催化劑的制備，已經(jīng)在工業(yè)電流級電解水制氫的應(yīng)用展示了非常好的效果。
第三點在二氧化碳資源化利用已經(jīng)提到議程上，原始的基于化石能源的現(xiàn)有石油化工與化工行業(yè)的工業(yè)過程貢獻了每年11噸二氧化碳的排放，這個產(chǎn)業(yè)應(yīng)該說也是可以大幅度基于二氧化碳資源化利用的理念，以相關(guān)的技術(shù)重塑現(xiàn)在的化工產(chǎn)業(yè)，僅這一項就可以覆蓋化工產(chǎn)品的90%以上，這也是相關(guān)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域做了大量的工作，應(yīng)該有相應(yīng)的理論和技術(shù)支撐，未來前景是非常光明的。大規(guī)模長時儲能技術(shù)是可再生能源利用和實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵之一。近年來，國內(nèi)密集發(fā)布的新型儲能扶持政策，強制配儲已經(jīng)成為了趨勢，但是大規(guī)模、長時儲能的必然選擇不是電化學(xué)儲能，而是相應(yīng)的其他的儲能技術(shù)的更加靈活，且大規(guī)模存儲場景下低成本技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)。因此我們建議對氫儲能和鋰離子儲能應(yīng)該做深入的對比分析，選擇恰當(dāng)?shù)陌l(fā)展場景實施，這才對國家是最有利的，對大規(guī)模儲能而言，氫儲能有它不可替代的優(yōu)勢，也是鋰電池難以勝任的。氫儲能只需要每年氫氣產(chǎn)量的0.8%，即可以完成儲能的所有功能。而且氫儲能不僅僅止于儲能的功能，它可以和二氧化碳資源化利用和工業(yè)脫碳相結(jié)合，形成完整全新的產(chǎn)業(yè)鏈，去帶動社會經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)的變革。
所以結(jié)論我簡單講一下，氫電互換互補是實現(xiàn)碳中和的重要的，也是別無選擇的途徑，僅僅提高新能源的占比，碳排放量仍有剩余，是無法實現(xiàn)碳中和的，只有引入氫電互換互補，比如每年有1.1億噸的氫氣，將構(gòu)建完全零碳排放的這種供能體系，達到完全的碳中和。所以大力推動構(gòu)建氫電互換互補的體系，有望促進我國碳中和目標(biāo)在2050年之前超預(yù)期的實現(xiàn)，這里簡單的結(jié)論就是說，傳統(tǒng)的人為固碳是不可取的，可再生能源的電力和大規(guī)模的儲能，特別是氫儲能應(yīng)該有機結(jié)合，大幅度的扶持和發(fā)展的，未來氫電互換互補的能源結(jié)構(gòu)，將是我們從今天到2050最主要的任務(wù)，碳中和的場景重要的在于把二氧化碳變成資源來循環(huán)利用，而不是填埋，氫電互換互補的體系它的經(jīng)濟價值、政治價值、社會效益都是巨大的。
由于時間關(guān)系，我今天就給大家分享到這里，謝謝大家。
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