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李燦院士:綠色氫能在“雙碳”戰(zhàn)略中的作用
2024/9/24 8:58:18
當前氫能受到我國乃至世界各國的高度重視,我國把氫能作為能源發(fā)展的戰(zhàn)略方向,世界各國也出臺了氫能發(fā)展的戰(zhàn)略路線圖。氫能產業(yè)的發(fā)展對推動全球能源結構更加清潔高效和可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義,將促進形成能源行業(yè)的新賽道和新質生產力,也是我國實施雙碳戰(zhàn)略任務的抓手。

氫能及綠氫
氫是一種化學元素,通常以化學分子H2存在,具有化學材料和能源物質兩個方面的屬性。就化學鍵能而言,氫是單位質量含能密度最高的分子,所以,氫能的發(fā)展尤其受到重視。氫因其產生路徑不同而分為灰氫、藍氫和綠氫?;覛渲敢曰Y源(主要是煤和天然氣)為原料而生產,其過程伴隨大量CO2生成,例如,煤制氫過程,每生產1噸氫釋放近20噸的CO2;藍氫指化石資源轉化過程副產的氫,或由化石資源制氫、將生成的CO2捕獲封存(CCS),但目前大規(guī)模封存CO2還存在諸多挑戰(zhàn);綠氫指用可再生能源分解水制氫,此過程不排放CO2。所以,在“雙碳”戰(zhàn)略下,我國應大力倡導綠氫,而逐步淘汰灰氫,一些特殊情況下可使用藍氫。但目前我國綠氫尚處于發(fā)展初期,占比還很低,尚沒有作為能源規(guī)?;褂?,化學、材料工業(yè)中大部分氫來自灰氫。
氫能的幾次研究熱潮主要因交通領域的發(fā)展而興盛起來,由于發(fā)展氫燃料電池而帶動了氫能的發(fā)展。但是在“雙碳”戰(zhàn)略的要求下,氫源只有利用綠氫,燃料電池技術才能起到碳中和的作用。
綠氫是電力轉化為化學能源和材料(power-to-x)的必經之路,也是實現碳中和的關鍵。綠氫的制造可通過光解水、電解水等技術實現,目前電解水技術已經可實現規(guī)?;茪洌▎坞娊獠郛a能1000方-氫/時的技術已經成熟,甚至單槽大于3000方-氫/時)的商業(yè)化生產。其中,電解堿水制氫技術的發(fā)展尤為迅速,其成本相對較低,在電解水制氫的成本中只占不到30%,而制氫的主要成本取決于可再生電力的價格。初步估計,當電力成本低于0.2元/(kW·h)時,其制氫成本可與天然氣制氫相當;當電力成本低于0.15元/(kW·h)時,其制氫成本可與煤制氫相當,甚至更低。

氫能發(fā)展技術及前景
氫能的發(fā)展要突破制、儲、運、用幾個環(huán)節(jié)的限制,除了制備外,儲、運和用也非常重要,因為氫氣體積密度很低,不易大規(guī)模存儲和運輸,傳統(tǒng)高壓氣瓶的方法儲放氫比較方便,但儲氫量很低,需要發(fā)展輕質、耐高壓、安全的儲氫容器。化合物儲氫正在興起,即將氫與化合物反應后儲存在化合物中,例如,甲苯加氫合成甲基環(huán)己烷,儲氫量可達6wt%以上,金屬氫化鎂儲氫理論上可獲得較高的儲氫量(>7wt%),合成氨可儲存17wt%以上氫,特別如合成甲醇可儲氫18wt%以上(包含水汽重整過程中從水中獲得的氫)。其中,甲醇和氨易于運輸和儲存,是值得關注的儲氫技術。
氫能發(fā)展的前景在于大規(guī)模應用。在我國提出“雙碳”戰(zhàn)略前,氫能應用的焦點集中在交通領域(主要是氫燃料電池),而為了解決碳排放問題,綠氫的應用面大大拓展,可以從各種剛性排放CO2工業(yè)過程的源頭上和終端利用綠氫解決問題。例如,冶金過程由于使用焦炭作為還原劑,排放大量CO2,而采用綠氫作為還原劑,則可從源頭上解決冶金領域CO2排放問題,水泥、電力等行業(yè)的終端排放可以通過綠氫還原CO2制取化學品而得到解決。
利用綠氫還原CO2制取的甲醇稱為“液態(tài)陽光甲醇”(也可稱為電-甲醇、綠甲醇),因為其氫能來自太陽能(風光電制氫),而甲醇在室溫、常壓下為液體,易于存儲和運輸,所以這種甲醇等效于將陽光存儲為液態(tài)燃料,稱為“液態(tài)陽光”(圖1)。“液態(tài)陽光”也可是由CO2還原制得的其他燃料,如乙醇、汽油、航空煤油等。
 
圖: “液態(tài)陽光甲醇”合成工業(yè)化中試技術路線圖

“液態(tài)陽光甲醇”之所以在氫能發(fā)展中受到越來越多的重視,主要原因在于以下3個方面:(1)它是一種儲氫技術,如前述在眾多化合物儲氫技術中,甲醇易于儲存和運輸,其通過與水汽重整易于把氫釋放出來,且儲氫量比大多數儲氫化合物的量都大;(2)它是一種高效儲能技術,可以將風光電經氫能儲存在甲醇中,可用于電網調峰,又可離網大規(guī)模消納可再生能源,每噸甲醇儲能約為6000kW·h,10萬噸“液態(tài)陽光甲醇”可消納600~700MW光伏風電;(3)直接資源化轉化CO2,每噸甲醇可轉化1.375噸CO2,生產10萬噸“液態(tài)陽光甲醇”則可轉化近14萬噸CO2。同樣,“液態(tài)陽光甲醇”的成本與綠氫成本相關聯,當可再生電力電價低于0.15元/(kW·h)時,“液態(tài)陽光甲醇”的成本與煤制甲醇相當,甚至更低(尚沒有考慮碳稅)。

我國氫能發(fā)展建議
1)大力發(fā)展綠氫,而逐步減少灰氫,在政策上鼓勵用綠氫代替灰氫,加強綠氫制造和儲運技術的研究。
2)理性布局氫能。氫能的發(fā)展首先要布局其下游應用場景,沒有規(guī)?;{氫能的工業(yè)應用出口,不可“一窩蜂”上馬制氫項目。
3)氫能的發(fā)展要契合“雙碳”戰(zhàn)略的實施,大部分剛性排放CO2工業(yè)(如冶金、石化、材料、交通)的碳中和目標可通過綠氫得以實現。
4)通過綠氫將CO2轉化為“液態(tài)陽光甲醇”是氫能發(fā)展的重要樞紐,由“液態(tài)陽光甲醇”可以拓展氫能的應用領域,形成綠色、低碳新質生產力。例如,通過“液態(tài)陽光甲醇”可實現基本化工原料、精細化學品及高端化學品的綠色、低碳化合成。

來源:科技導報

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