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中科院院士：氫能發(fā)展3大趨勢(shì)、4大前景、6大挑戰(zhàn)

來源：氫能日參

氫能4大應(yīng)用前景

氫能的開發(fā)利用是更快實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)、保障國家能源安全、實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。氫能目前主要應(yīng)用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領(lǐng)域，隨著頂層政策設(shè)計(jì)和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，氫能的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)多元化拓展，在儲(chǔ)能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領(lǐng)域應(yīng)用必將越來越廣泛。

①氫儲(chǔ)能

我國可再生能源資源豐富，應(yīng)大力開發(fā)風(fēng)能、太陽能光伏發(fā)電，實(shí)現(xiàn)可再生能源到氫能的轉(zhuǎn)化。但風(fēng)電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性，影響了其并網(wǎng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)也削弱了電力系統(tǒng)的調(diào)峰力度。

利用風(fēng)電和光伏發(fā)電制取綠氫，不僅可以有效利用棄風(fēng)、棄光，而且還可以降低制氫成本；既提高了電網(wǎng)靈活性，又促進(jìn)了可再生能源消納。此外，氫能亦可作為能源互聯(lián)網(wǎng)的樞紐，將可再生能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)連為一體，加速能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

②氫燃料

氫能可以作為終端能源應(yīng)用于電力行業(yè)，通過氫燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，或者通過燃?xì)廨啓C(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池兩大類。

質(zhì)子交換膜燃料電池

主要由膜電極、雙極板、電解質(zhì)和外部電路等組成，具有工作溫度低、啟動(dòng)快、功率范圍寬、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在汽車動(dòng)力電源領(lǐng)域發(fā)展迅速。

作為燃料電池和電解槽的關(guān)鍵組件，質(zhì)子交換膜需要具備質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小、電流密度大、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，此類膜的局限性在于其易發(fā)生化學(xué)降解，溫度升高使質(zhì)子傳導(dǎo)性能變差，成本也較高。

固體氧化物燃料電池

是全固態(tài)發(fā)電裝置，由陽極、陰極、電解質(zhì)、密封材料以及連結(jié)材料等組成。其中，電解質(zhì)決定了其工作溫度和功率，是核心部件。雖受限于600～1000 ℃的高工作溫度和低啟動(dòng)速度，但因其燃料選擇范圍廣、能量轉(zhuǎn)化效率高、無需催化劑等優(yōu)點(diǎn)擁有廣闊的發(fā)展前景。

氫燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的內(nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是發(fā)電和船艦領(lǐng)域的核心裝備。較之于燃煤發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)具有發(fā)電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前，燃?xì)廨啓C(jī)電站發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%。

在這方面我國與國外差距較大，需要加強(qiáng)政策扶持力度、深化科研攻關(guān)，盡早為氫能燃?xì)廨啓C(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程鋪平道路。

③氫化工原料

目前全球約55%的氫需求用于氨合成，25%用于煉油廠加氫生產(chǎn)，10%用于甲醇生產(chǎn)，10%用于其他行業(yè)。隨著我國科技、工業(yè)水平的不斷發(fā)展，在石油煉制等石化領(lǐng)域?qū)?huì)越來越多地用到加氫技術(shù)。

石油化工加氫

石油化工中用到的加氫技術(shù)主要包括重油加氫裂化生產(chǎn)芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產(chǎn)超低硫燃料、劣質(zhì)催化柴油及汽油加氫轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質(zhì)芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環(huán)己烷等。

合成化工產(chǎn)品

氫用作原料合成化工產(chǎn)品，例如氨、尿素等。氨主要是通過哈伯—博施法合成獲得，具有比氫更高的能量密度，可用于儲(chǔ)存能量和發(fā)電，并且完全不會(huì)排放二氧化碳。

氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲(chǔ)存，適合于運(yùn)輸。此外，還有完善的運(yùn)輸和處理液氨的基礎(chǔ)設(shè)施，便于氨的規(guī)模利用。氨還可以與CO2結(jié)合得到尿素，既是一種重要的氮肥也是一種可持續(xù)的氫載體，它穩(wěn)定、無毒、對(duì)環(huán)境無害且更易于儲(chǔ)存。

合成燃料

氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應(yīng)合成簡單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲(chǔ)、方便運(yùn)輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態(tài)燃料實(shí)質(zhì)上可以達(dá)成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲(chǔ)存和運(yùn)輸模式。

④氫還原劑

鋼鐵冶煉過程中，采用焦炭作為鐵礦的還原劑，會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來源，亟待發(fā)展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑，反應(yīng)產(chǎn)物為水，可以大幅度降低碳排放量，促進(jìn)清潔型冶金轉(zhuǎn)型。

目前國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規(guī)劃，建設(shè)示范工程并投產(chǎn)，在“雙碳”目標(biāo)的背景下，發(fā)展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實(shí)際生產(chǎn)中，最適合煉鋼的是綠氫，若綠氫生產(chǎn)成本得以降低，則可加快綠色冶金的推進(jìn)，最終所獲得的環(huán)保效益會(huì)覆蓋其額外成本。利用氫能進(jìn)行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳目標(biāo)的必行之路。

氫能發(fā)展面臨的6大挑戰(zhàn)

目前全球氫能行業(yè)總體處于發(fā)展初期，在終端能源消費(fèi)量中占比仍然很低。盡管目前開展氫能行業(yè)布局國家的合計(jì)經(jīng)濟(jì)總量已占據(jù)全球的75%，但受限于多方面的制約因素，氫能行業(yè)尚未形成全產(chǎn)業(yè)鏈與合力，未能全面推動(dòng)生產(chǎn)生活進(jìn)步，其原因主要如下：

①氫能關(guān)鍵材料及設(shè)備零部件要求苛刻、工藝復(fù)雜、成本高昂，并且不同國家、不同部門之間的技術(shù)差距明顯。尤其對(duì)于我國來說，一些關(guān)鍵技術(shù)仍然被國外所壟斷。

②電解水制氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠氫大規(guī)模生產(chǎn)的最有希望的途徑，但其成本過高，主要由電價(jià)導(dǎo)致，短期仍無法完全替代碳排放量較高的化石燃料制氫。

③受限于我國可再生能源資源的分布狀況，制氫端與用氫端往往存在著較大的時(shí)間和空間錯(cuò)位性，尚未形成完善的氫氣存儲(chǔ)和輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)渠道。

④較之于石化能源產(chǎn)業(yè)，氫能屬于新興能源，目前缺乏相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施整體布局。因此，目前氫能全產(chǎn)業(yè)鏈體系上下游難以形成有效聯(lián)動(dòng)，尚未健全。

⑤當(dāng)前用氫端需求關(guān)注方向過于單一，主要集中在氫燃料電池及其交通載具方面，目前成熟度偏低、規(guī)模不大，需求尚未得到全面開發(fā)。

⑥氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善，涉及氫品質(zhì)、儲(chǔ)運(yùn)、加氫站和安全等內(nèi)容的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較少，急需一套健全的國際、國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以此來規(guī)范氫能行業(yè)市場(chǎng)健康發(fā)展。

氫能未來3大發(fā)展趨勢(shì)

與當(dāng)前構(gòu)建天然氣工業(yè)一樣，我國正在構(gòu)建制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫、用氫等氫氣能源工業(yè)體系。針對(duì)氫能行業(yè)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性及布局規(guī)劃上的挑戰(zhàn)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，氫能未來發(fā)展主要有以下3大趨勢(shì)：

①在制取氫方面，通過電力成本與設(shè)備成本的協(xié)同降低，方可體現(xiàn)綠氫的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。較之于日本、韓國等國家，我國幅員遼闊，具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源，可以提供豐富的太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源資源，在發(fā)展綠氫方面具有先天優(yōu)勢(shì)，可以加快實(shí)現(xiàn)“氫能中國”戰(zhàn)略。

②在儲(chǔ)運(yùn)氫方面，氫的長距離儲(chǔ)運(yùn)將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，中短距離要以如氨等多種儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)結(jié)合，并因地制宜地發(fā)展。隨著制氫端的技術(shù)突破，通過輸氫網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，在氫能的下游如工業(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模普及，綠色“氫經(jīng)濟(jì)”的概念將轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

③在應(yīng)用氫方面，隨著行業(yè)聚焦與技術(shù)發(fā)展，期待很高的是氫燃料電池，帶動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的變革。在各類需要用氫的化工領(lǐng)域，如煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)以及煉鋼行業(yè)，綠氫將逐步取代灰氫。在其他諸多傳統(tǒng)能源密集型產(chǎn)業(yè)，氫能也將代替化石能源作為能量載體進(jìn)行供能。在建筑領(lǐng)域，采用綠色氫能的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，也是節(jié)能減排的重要方式。同時(shí)，更多的氫能應(yīng)用場(chǎng)景將得以逐漸開發(fā)。

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