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皮书观点

氢能是实现“双碳”目标的突破性解决方案
——气候变化绿皮书《应对气候变化报告(2022):落实“双碳”目标的政策和实践》指出
来源:气候变化绿皮书  作者:张雯鑫   发布时间:2022-12-22

  2022年12月21日,中国社会科学院-中国气象局气候变化经济学模拟联合实验室及社会科学文献出版社发布了第14部气候变化绿皮书----《应对气候变化报告(2022):落实“双碳”目标的政策和实践》。《报告》指出,

  氢能是能源低碳转型的关键方向。氢能是不含碳元素且能量密度高的清洁能源,而且与化石能源具有良好的互换性,以氢气为燃料替代煤、石油、天然气可从根本上减少人为能源活动(燃料燃烧和逃逸排放)的二氧化碳排放,并可通过电化学反应形式实现电力输出时的净零排放。

  氢能是开再生能源的灵活储能体。氢能是二次能源,可作为高效、灵活储能载体对水电、风电、光电等可再生能源提供储能、运输、调峰等多方面的作用,解决可再生能源电力因地域性、季节性、随机性、波动性、不稳定性等特性所造成的各种应用问题,并可显著提升可再生能源就地消纳能力。

  氢能是提高能源利用效率的有效手段。以燃烧作为能源转换途径时,内燃机燃烧氢气时的指示热效率已突破55%,采用氢氧燃气轮机并结合布雷顿循环和朗肯循环的发电效率可达68%;以电化学为能源转换途径时,氢气燃料电池理论效率可达94.5%。在各种能源转换途径中,氢的能源总利用效率均具有突出优势。

  氢能推动电力行业减碳有三条应用途径:以氢为燃料对火力电厂有序减碳,以氢为媒介对火电机组精准调峰,在燃料电池中进行氢电一步式转换实现电力清洁转型。氢能在电力行业进行高渗透应用时仍面临以下障碍:第一,核心技术不强,缺少关键设备,氢电商业应用进程缓慢;第二,安全链条较长,缺少标准规范;第三,产业配套不足,缺少市场机制,企业缺乏氢能应用主动性。

  氢能推动钢铁行业脱碳时,以氢气为燃料替代烧结工序的煤炭,作为还原剂替代高炉工序的煤粉/焦炭,作为反应料将铁矿石还原为海绵铁以替代废钢,作为可回收燃料进行电气化供能,在多环节取得减碳/脱碳成效。在当前应用中,面临以下障碍:第一,氢冶金技术的核心技术国产化水平不高,工艺及装备技术对外依存度较高;第二,工业废氢纯度不高,使用中杂质逸散不利于环境整治;第三,相关企业发展氢产业意愿不高。

  氢能推动交通部门脱碳主要在于以氢能替代化石能源为载运工具提供动力。以氢气为燃料的内燃机,工作过程不产生碳排放且可减少90%的氮氧化物排放,能在现有内燃机产业基础上快速实现降碳,但面临车载泄漏安全性问题的障碍。采用质子交换膜燃料电池为电动汽车动力源可实现运载过程的净零排放,但燃料电池核心材料(催化剂和质子膜)自主化水平、受制于铂催化剂和流产板加工技术的产能和产效、苛刻的氢气纯度要求都制约了氢燃料电池作的当前应用规模。

  我国氢能产业发展尚处在萌芽期,在成为能源领域低碳转型发展关键推动力过程中面临三大挑战:

  第一,氢能的绿色化发展水平亟待提升。我国目前氢源结构中棕氢、灰氢、白氢、黄氢的占比为62%、19%、18%和1%,棕氢、灰氢和黄氢的碳排强度分别约11、9~10、21~46。如果氢源结构不变,我国2030年的3715万吨的氢气需求预期将因制氢造成超3亿吨的碳排放,加剧碳排放压力。

  第二,氢储运安全及成本问题仍待解决。受限于我国可再生能源资源的分布状况,制氢端与用氢端之间存在较大的时间和空间错位,氢储运成为我国氢能产业链体系的关键性短板,下游大规模储运的保障能力亟待提高。

  第三,产业发展缺乏部门及区域统筹。各地区发布的氢能产业发展规划目标和相关政策同质性高,关注方向过于集中,产业链条部署不完整,系统性配套政策和产业发展路线不明确。跨区域、跨行业的地域互补、产业互补相关规划不足。战略路线中细分产业、在地独有特点、多元消纳需求角度考虑不充分。

  为切实推进“双碳”目标下氢能产业发展,提出了三条政策建议:

  第一,强化顶层设计,推进氢能产业均衡协调发展。省市范围,应结合实际、因地制宜,承接优势产业,科学有序地制定氢能产业发展战略与路线图、时间表,防止盲目扩张,避免未来出现产能过剩问题。区域及全国范围,建立跨部门、跨领域、跨区域协调机制,实现氢能产业的规模化、商业化健康发展。各行业根据产业细分、企业区域特点、在地消纳能力等个性特征,合纵规划,灵活地发挥行业内各产业、各企业的优势,推进氢能向具有行业特色的方向良性发展。

  第二,突破关键技术,构建氢能产业自主创新体系。围绕氢能高质量发展重大需求,把握氢能产业创新发展方向,聚焦短板弱项,持续加强基础研究、关键技术和颠覆性技术创新,构建氢能产业自主创新体系。上游端着力提升绿氢制取效率、降低制氢成本。中游端着力提升运氢效率、减少泄漏隐患。下游端着力拓展氢气应用场景,构建消费体系,形成自主知识产权体系,摆脱设备的对外依赖。

  第三,完善产业标准,推动氢能产业安全有序发展。制氢、储运、应用端建立对应的行业规范与国家标准,以绿氢为导向推动上游制氢规模的有序扩大,以智慧能源网络为导向推动储运网络的安全发展,推动下游用氢规模的全面扩大。针对全产业链,建立技术、管理、评价、服务等领域的相关规范与标准,健全国家和行业标准体系,通过制度规范保障氢能产业市场健康发展。

  (参见气候变化绿皮书《应对气候变化报告(2022):落实“双碳”目标的政策和实践》p216-229,社会科学文献出版社2022年12月)