发展氢能技术是实现碳中和目标的重要路径之一

碳达峰、碳中和是能源体系的一场深刻变革，也是“一场广泛而深刻的经济社会系统性变革”，更是实现中国快速发展换道超越的重大机遇。2021年将是中国启动终结近170年来人类依靠化石能源时代的元年。

（来源：微信公众号“中国电力企业管理” ID：zgdlqygl 作者：雷宪章）

氢能不仅是动力的重要来源，更重要的是其能源属性可以助力构建以新能源为主体的新型电力（能源）系统。发展氢能技术是实现碳中和的重要途径。固态氧化物电池（SOC）是实现氢能利用的关键途径，既可以电解水产生氢，又可以共解二氧化碳，还可以提供低碳（零碳）电力，实现跨季储能，美国和欧洲已有许多成功的案例。发展SOC及其相关技术，是未来新技术、新产业的重要选项。我国应以欧洲碳中和脱碳之路为鉴，超前布局“绿色氢”“绿色碳”“绿色电”等低碳技术，进而构建新能源为主体的新型电力（能源）系统，尽早实现碳达峰、碳中和，坚定不移推进能源革命与生态文明建设。

碳中和是全球大趋势

随着应对气候变化问题成为全球各国政府的共识，推进碳达峰、碳中和成为全球大趋势，也正式提上了各国政府工作的议程和时间表。

众所周知，控制好二氧化碳排放是实现碳达峰、碳中和（以下简称“双碳目标”）的核心。据研究发现，二氧化碳与全球气温升高存在明显的、线性的正相关关系。1880年第二次工业革命至2018年间，人类活动造成大气中温室气体浓度明显增加，远远超出工业化前几千年的平均水平，同一时间全球温升达到1.2摄氏度，而且在过去几十年内，二氧化碳排放上升速率快速增长。如果不加以控制，到本世纪末，气温上升将达到3摄氏度。研究结论指出，当全球温升超过2摄氏度时，海平面上升、冰川融化，整个自然生态系统都将遭受不可修复的破坏。这也是全球各国政府达成巴黎协定致力减少温室气体排放、将温度上升控制在2摄氏度之内，并力争控制在1.5摄氏度的重要原因。

2014年，据国际能源署（IEA）统计数据结果显示，全球主要经济体温室气体排放总量达480亿吨，其中美国66亿吨、欧盟43亿吨、中国125亿吨，而美、欧、中的非二氧化碳温室气体排放量分别为13亿吨、8.2亿吨、20亿吨，非二氧化碳温室气体排放量占比分别为20%、19%和16%。从数据上看，我国温室气体排放量占全世界四分之一左右，当然这与工业规模、人口等因素有关。

实际上，从世界范围来看，二氧化碳排放与工业、与能源密切相关，总体而言，能源消耗的增加也与二氧化碳的增加存在线性正相关关系。近年来，欧洲、美国和日本已经完成工业化，高耗能产业已经逐渐退出或转移，经济增长与能源需求基本脱钩，均已经碳达峰，达峰时间分别为1987年，2007年以及2008年。而中国目前仍处于工业化、城镇化进程中，一次能源消费仍处于增长趋势中，而且，与欧盟、美国、日本相比，中国从碳达峰到碳中和的时间要短得多，从碳达峰到碳中和的时间只有30年，因此，要付出更加艰苦的努力。

作为二氧化碳排放的主要来源之一，能源电力行业在我国实现“双碳”目标的过程中扮演着领军者、主力军的角色，我们必须探索打造属于未来的低碳（零碳）能源电力系统。

“双碳”目标：中国的使命与担当

“双碳”目标体现了中国的使命与担当，实现“双碳”目标具有政治、经济等层面的多重意义，但同时也面临着诸多困难与挑战。

在升温控制在2摄氏度目标下，中国2050年一次能源消费与构成的目标是：非化石能源占比大于70%，非化石电力占比大于90%，终端电力比重55%以上。这一目标极具挑战性，但任何事情都是相对的，这不仅仅是挑战，还是机遇。实现2摄氏度目标导向的转型路径，2020~2050年需要新增加投资约127万亿元，约占每年GDP1.5%~2%。因此，“双碳”目标也会带来经济增长点和新就业机会。

“双碳”目标具有三个重大意义：

首先，实现“双碳”目标是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，事关中华民族的伟大复兴。如今，中国的发展、中国的地位已经受到世界瞩目。以美国为首的西方世界，试图反对中国的一切理念和行动，但气候变化问题作为人类共同关心和支持的话题，没有人能够提出反对意见。习近平总书记正是敏锐地洞悉了气候变化这个话题的重要性，从而占据主动地位，提升了中国的国际地位和话语权。

其次，“双碳”目标意味着能源领域的深层次革命，而历史上能源领域的数次革命都推动了工业革命，实现社会的完整进步。未来，清洁能源将彻底取代化石能源作为基础性能源的地位，这意味着传统的能源电力行业要发生颠覆式的革命。中国将通过对国民经济的基础命脉发起一次根本转变，从而去倒逼中国经济实现绿色发展。

最后，众所周知，我国70%的石油依赖进口，长期受美国压制。前述能源电力的深层次革命就是要通过清洁能源的替代，彻底摆脱对石油的依赖，进而打破西方社会利用石油能源对我国的封锁，改变全球以石油为主导的地缘政治格局。170年来人类依靠化石能源的历史即将迎来终止符，我国将用未来四十年的时间迅速完成从化石能源到清洁能源的过渡。

同样也要认识到，“双碳”目标的时间紧、难度大、任务重，我们会遇到许多挑战，其中有三点挑战是最困难、也是最核心的。

第一大挑战是消纳问题。2030年我国风、光发电装机总容量至少将达12亿千瓦，换言之至少是现有装机容量的2~3倍，能否有效消纳风光电能将成为重大挑战：我国风光资源主要集中在三北地区，然而三北地区负荷水平普遍偏低，自身消纳能力弱；特高压输送容量还有待大幅提升；同时，按现有技术，特高压输送必须配套稳定电源，而现阶段大部分地区配套了一定比例的煤电，到2030年后，大规模建设煤电站来配套新能源输送，显然不大可能了。因此，我们必须探索新的风光电能的消纳之道。

第二大挑战是由中国的能源禀赋带来的。中国主要是化石能源并以煤炭为主，除了大力发展新能源和低碳产业以外，如何有效实现二氧化碳的中和将是一个重大挑战。据预测，2030年二氧化碳排放约为105亿吨，2060年约为20~30亿吨，自然平衡二氧化碳远不足以中和工业排放，现有处理大规模二氧化碳的手段主要是回注和填埋（CCUS），尚未出现大规模绿色利用二氧化碳的技术手段。且根据最新的研究发现，回注和填埋二氧化碳的办法并非一劳永逸，存在二氧化碳外溢的可能，同时这类装置运行成本较高。因此，我们必须探索二氧化碳大规模绿色化利用的手段和方法。

第三大挑战是电力系统将面临“空心化”的挑战。大规模新能源条件下构建“以新能源为主体的新型电力系统”，传统燃煤电站将成为辅助电源，若未来调峰能力、转动惯量不足，将严重威胁电力系统安全稳定运行。除此之外，还有特高压大功率汇入区域电力网，如何解决区域电网“头重脚轻”现象；高比例分布式新能源并网，如何解决电力波动、以及静态和动态稳定问题；重大自然灾害情况下如何应对电网的供电可靠性挑战：如美国德州大停电事件。因此，我们必须探索建设能保障新型电力系统稳定可靠运行的支撑体系。

未来的电力系统以新能源为主，而新能源的核心主要是风和光。水电是有限的，而风光电能最大的特点是不确定性。现今的电力系统是基于负荷安排发电，这在电力充足的情况下不存在问题。但如果未来90%的电力来源于可再生能源，这样的间歇性电力系统存在区域或一定时间段缺电的风险和隐患。解决上述问题的办法有两种：一种是全球能源互联网，即在全球范围内去调整电力、平衡电力，中国没有太阳或者风，世界上肯定有其它地方有风、有太阳。二是我国横跨三个时区，一定程度上也可实现电力互济，但局部地区的自然能量（风、光）有可能出现以天为单位、或者以周为单位的无太阳或者无风的气候情况，这时就需要建立中长期和跨季储能，以对电力系统进行赋能，满足系统负荷平衡要求。

欧洲碳中和的脱碳之路

“夫以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。”欧洲走向碳中和的脱碳之路，可给予中国建设性意见与思路，从而少走许多弯路。

2019年12月11日，欧洲议会通过了《欧洲绿色新政》，其核心内容是在2050年实现气候中和。气候中和是碳中和的延伸，它把除二氧化碳外其它的温室气体也涵盖在内。欧洲首先通过立法的方式把2050年气候中和目标入法，通过法律来确保2050年实现气候中和。除了立法，还制定了8个气候中和目标，涉及能源、工业、建筑、交通、农业、生态和环境这8个方面。欧洲还有煤炭脱碳计划，欧洲所有国家对“脱煤”都有明确的时间表，2040年前煤炭必须被全部替代，现在也正在讨论2050年前“脱气”的各种方案。

实际上，欧洲在脱碳之路上也遇到了很多瓶颈、彷徨、困惑与挑战——欧洲计划在2050年实现新能源占比达到90%，但新能源的发展与土地、电价、电网都存在众多难以调和的矛盾与困局。

以欧洲北海区域出现的“负电价”困局为例，欧洲北海海上风电资源丰富，北海附近的国家包括英国、荷兰、德国、丹麦和挪威，当地风资源平均可利用小时达4000小时以上，部分区域能达到5000小时，可谓资源优异。风电企业经营执照有效期为20年，电价约为10~15欧分每千瓦时，其盈利空间巨大。丰厚的利润吸引了大量资金与企业涌入市场。欧洲的电力市场主要以国家为单位，国与国之间的电力交易较少，仅占10%，因此电主要是各个国家自发自用。由于电力市场调节能力有限，“负电价”问题暴发，即发了电之后政府掏钱给用户补贴用电，随后还衍生出一系列问题。从结果来看，欧洲能源结构被重新定义。其一，由于电力就地消纳，与电网输送互为补充，因此，可再生能源的消纳部分与电网输送解耦；其二，欧洲实施沙漠计划，数个国家联合开发撒哈拉沙漠，试图将撒哈拉沙漠生产的风光电能输送到欧洲使用。根据全球能源互联网发展合作组织的研究，撒哈拉沙漠7%的风光资源就可支撑起整个欧洲的电能需求。但数年后，上述计划宣告失败、相关组织也大幅萎缩。其失败原因在于，送电必须经过地中海，欧洲没有特高压，只能通过一般输电线路，使用一般电缆从撒哈拉到欧洲的输电费用为特高压的5~8倍。

近几年该组织又有了重新启动的趋势，还是在撒哈拉沙漠大规模建风电和光伏电场，就地制氢，采用管道通过地中海向欧洲输氢，而管道输氢的成本比建设特高压要低得多。这样，可再生能源的动能就可以得到充分的释放。通过氢能以及液态空气储能，不仅可以就地消纳电力，实现跨季储能，还可逐渐取代部分燃煤电厂，对电网负荷平衡进行赋能。德国正是最早提出跨季储能概念并付诸实践的国家之一，他们从跨季储能到实施国家战略计划“电到气”（Power to X），通过发展绿氢，最终实现电氢耦合以及电氢热耦合，从而释放新能源发展动能。

目前， 欧洲实现碳中和主要是依靠清洁能源、绿氢和节能三大支柱。

一是节能增效，发展绿色循环经济，欧洲能效水平比中国要高一档，但他们依然非常重视节能工作。他们以能效为核心，构建循环能源系统，充分再利用废热、废水等能源。节约下来的能源是最清洁、最有价值的绿色能源。

二是实施以清洁能源为支撑的终端用能电气化，以实现化石能源的替代，强调基于清洁能源的电能，在终端领域推进电气化，加大电力替代。

三是对无法实现电气化的领域，实施绿色氢能替代。比如在冶金工业、化工业等，以及重型卡车、铁路、航空和海上运输等等。

欧洲目前有许多氢能示范项目，如德国Get H2项目，德国提出氢能发展的目标是占全部能源的24%、欧盟整体目标达到30%。氢能在欧洲实现碳中和过程中发挥着非常重要的作用。

氢能技术助力碳中和发展之路

氢具有能源属性，是最清洁的二次能源，能源系统应实现“宜电则电，宜氢则氢”。氢来源广泛，氢作为能源，能源密度高，可实现完全零排放、可循环，是除可再生电力之外最清洁的能源利用方式。同时，氢能利用是能够与化石燃料清洁低碳利用、可再生能源规模化利用互相并行的一种可持续能源利用路径。氢不像电、不需要每分每秒都实现平衡。总而言之，绿氢和绿电像是天生一对的“好兄弟”，能解决未来我们对能源各方面的需求。

目前，氢的来源主要还是化石能源：全球年产氢5000万吨，其中96%来源于传统能源的化学重整，4%来自于电解水（真正的绿色制氢）。据澳大利亚能源研究院成果显示，当可再生能源制氢成本达到1美分的时候，它就比其它所有的常规制氢方式都要有竞争力。

制氢有三大技术路线：

第一个是高温固体氧化物电池（SOEC），该技术最核心的优势是便宜、效率高，效率大于90%，3~3.5千瓦时电可生产1公升的氢，缺点是必须高温运行。目前，欧洲正逐渐在形成推广SOEC的趋势。

第二个是碱性制氢（AEC），这个技术是最成熟、发展历史最悠久的。40年前挪威就开始产业化制氢，这一技术方案造价便宜，生命周期较长。而AEC最核心的特点是要求电力稳定可靠，最适合使用水电，不适合风光等间歇性电能。该技术优缺点明显，运行简单，占用场地大，副产物存在一定的污染。

第三个是质子交换膜制氢（PEM），该技术适合使用风光电等间歇性电源，原因在于启动温度在100摄氏度以下，灵活性强。但也有两个致命性缺点：第一个是运行寿命短（2~3年），第二个是材料昂贵（金属铂），对材料性质要求高。

绿氢的未来，取决于电价是否便宜、设备和技术是否成熟以及政府政策支持的力度是否足够。水电、海上风电、陆上风电、光伏制氢成本目前都比煤制氢要高，但它们都呈下降趋势，未来迟早会低于煤制氢。

除此之外，氢能发展还要考虑一个问题——氢的运输。欧洲使用了管道输送的方式，因为他们有庞大的天然气管道网络有关，经过一定改造，欧洲的管道就可以用于输氢。但中国的燃气管道由于管道材质的原因，还需要经过专门的研究和改造。

氢能输送还可以实施氢化工，即将绿氢就地转换为氨或甲醇等，在常温常压下进行运输。氨或甲醇不仅是高附加值的化工产品，而且更是高效的清洁能源。

国际能源署IEA推荐的大规模氢能输送方式是液体有机氢载体输氢（LOHC），简单地说就是把氢融在油里，油罐车、油轮不需任何改造，就可以实现常温常压大规模长距离运送。这项技术在我国已经有相关的研究和试点。

除了绿色氢，还有绿色碳。在“双碳”目标下，如何高效转化利用二氧化碳，将其变废为宝，成为能源化工领域的研究热点和难点。大规模处理二氧化碳的手段，其中一个就是SOEC，通过固体氧化物电池用水蒸气混合二氧化碳共解制合成气。合成气是一种清洁燃料，同时也是附加值很高的化工产品。欧洲目前有几个示范项目。这个技术值得我们深入研究并进一步推广。

最后一个是绿色电，这也是我们未来电力行业巨大的发展机遇。以燃料电池为例，输入是氢，输出的是电和水。反过来，它还可以通过消纳清洁能源电解水，输入是清洁电和水，输出是氢和氧。从能效的角度来讲，燃料电池能效能达到90%。

另一方面，“双碳”目标是否能够顺利实现，关键是能否建成以新能源为主体的新型电力系统。到2060年，90%的电力将来自清洁能源，即主要来自风、光。由于风、光电能的间歇性和波动性，确保电力系统的全时域功率平衡将是新型电力系统必须要面对和要解决的主要问题，同时，以清洁能源为主体的电力系统具有弱转动惯量的问题，如何确保系统的动态稳定，将是一个必须解决的重大课题。

固体氧化物燃料电池发电系统将会为未来新型电力系统提供一个重要和有效的解决方案。一是可以逐步替代燃煤电站，为系统提供高效能的全时域储能，填补风、光电能间歇性造成的系统功率缺额，支撑电力系统稳定运行，二是利用其700摄氏度以上工作温度的特点，可以与汽轮机组成联合循环机组，为电力系统提供转动惯量，三是其输入不仅可以是氢能，还可以是天然气、煤气和沼气等燃料气，通过固体氧化物燃料电池前置的重整装置可以将氢能和二氧化碳分离，实现二氧化碳回收和零碳发电。由于其电堆主要设备由陶瓷片组成，生产成本相对于其他形式的储能将会有很强的竞争力。

综上所述，氢能技术是实现碳中和的重要途径之一。氢能是最清洁的绿色能源，发展绿氢是中国氢能产业的重要选项。氢能不仅是动力重要来源，更重要的是其能源属性，可以助力以新能源为主体的新型电力系统。固体氧化物电池SOEC是实现氢能利用的重要途径，既可以电解水产生氢，又可以共解二氧化碳，还可以提供低碳（零碳）电力，实现跨季储能，因此，发展SOEC及其相关技术，是未来新技术新产业的重要选项。