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2020年,我國在聯(lián)合國大會上明確提出,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。這不只是環(huán)保領域的概念,還將重構整個能源產(chǎn)業(yè)。

在這樣的背景下,傳統(tǒng)高能耗、高碳排產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)如何轉(zhuǎn)型?以氫能、光伏和風電為代表的新能源和可再生能源將如何發(fā)展?10月中旬,由中國科協(xié)指導、中國石化集團公司主辦,上海市科協(xié)、上海石化等單位承辦的“碳達峰、碳中和背景下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展高端論壇”召開。來自業(yè)界的院士專家和企業(yè)家齊聚一堂,共同探討我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,凝聚共識、促進合作,打造氫能產(chǎn)業(yè)鏈和經(jīng)濟生態(tài)圈,助力國家“雙碳”目標早日實現(xiàn)。

從生產(chǎn)成品油向生產(chǎn)化工材料轉(zhuǎn)型

石化產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟的壓艙石和驅(qū)動器,是現(xiàn)代經(jīng)濟體系的重要組成部分。21世紀以來,我國石化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,已形成完整的產(chǎn)業(yè)體系,具有自主設計、建設和運營能力,生產(chǎn)規(guī)模和技術裝備水平大幅提升,總體步入世界先進行列。但是,石化產(chǎn)業(yè)又具有資源型和能源型產(chǎn)業(yè)的屬性,是高耗能、高排放的產(chǎn)業(yè)。如何助力中國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”,是石化產(chǎn)業(yè)的重大課題,也是影響深遠的課題。

中國工程院院士王基銘介紹,目前,我國原油加工量和成品油消費量位居世界第二,也是僅次于美國的世界第二大乙烯生產(chǎn)國,但我國煉油業(yè)和化工行業(yè)產(chǎn)能總體過剩,化工行業(yè)結構過剩更為突出。同時,在我國工業(yè)部門中,石化工業(yè)的能源消耗總量比較大,僅次于冶金,居第二位。

他指出,雖然我國石化行業(yè)產(chǎn)能過剩,但與發(fā)達國家相比,產(chǎn)業(yè)結構、產(chǎn)品結構、組織結構及布局結構等方面仍然存在著較大差距,尤其是產(chǎn)品結構的高端化方面差距更加明顯,低端產(chǎn)品過剩、高端產(chǎn)品缺乏,結構性的矛盾還比較突出。以乙烯為例,烯烴、芳烴是與工業(yè)生產(chǎn)和人民生活息息相關的重要基礎原料,但我國乙烯消費還有一半左右依賴進口。

“技術進步成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動力,創(chuàng)新是實現(xiàn)‘雙碳’目標的第一驅(qū)動力。”王基銘表示,綠色低碳的發(fā)展是必然趨勢。隨著氫能、生物基液體燃料、新能源汽車迅速發(fā)展,原油的需求明顯放緩,預計在2030~2035年達到需求峰值,但化工輕油的需求還有較高的增長。這意味著,我國石化行業(yè)消費格局發(fā)生了巨大變化,由生產(chǎn)成品油為主轉(zhuǎn)向生產(chǎn)化工材料為主。如今,我國進入了新發(fā)展階段,隨著城市化進程的不斷加快和居民收入水平的不斷提高,給石化工業(yè)增長提供了巨大的發(fā)展空間,也帶來了向產(chǎn)業(yè)鏈中高端升級的重大機遇。

王基銘建議,應該堅持深度煉化一體化,最大程度地實現(xiàn)化工原料、油品、能源的互供互用,上下游協(xié)同發(fā)展,將稀缺的石油資源“吃干榨凈”,重點保障我國日益增長的基礎化工原料需求,增強石化產(chǎn)業(yè)整體競爭力。

光伏、風電裝機容量將爆發(fā)式增長

工業(yè)革命以來,化石能源的大量使用極大地提高了勞動生產(chǎn)率,但對環(huán)境的影響也非常顯著:工業(yè)革命以來,人類向大氣環(huán)境排放二氧化碳2.2萬億噸,全球地表平均氣溫上升1.1攝氏度。按照此趨勢,到本世紀中葉,全球地表平均氣溫上升將超過2攝氏度。

據(jù)統(tǒng)計,我國消耗了全球近1/2的煤炭,二氧化碳排放量占全球1/3、能源消費占全球1/4,是目前世界上最大的二氧化碳排放國和能源消費國。其中,我國48%的碳排放來自電力行業(yè)。

“電力行業(yè)脫碳和零碳,是我國能源變革的核心,也是實現(xiàn)碳中和目標的關鍵。”上海交通大學副校長、中國工程院院士黃震建議,在能源供給側,需建立以新能源為主體的全新電力系統(tǒng)。

目前,我國可再生能源的開發(fā)規(guī)模已成為世界第一。以光伏和風電為例,截至2020年底,我國光伏和風電裝機容量已達到5.3億千瓦,未來還會繼續(xù)爆發(fā)式增長。黃震預測,到2030年預計達到18億千瓦。

和火電相比,光伏和風電作為清潔能源的優(yōu)勢無可比擬,但一直以來,價格是最敏感的問題之一,用得起才是決定能否推廣的關鍵因素。據(jù)黃震介紹,近年來光伏和風電的成本都已大幅下降。20年前,光伏發(fā)電成本是5元/千瓦時,而根據(jù)國家電投四川地區(qū)的最新數(shù)據(jù),減去生態(tài)費用補貼,電的上網(wǎng)價已經(jīng)低于0.15元/千瓦時。

成本雖然有所下降,但以新能源為主的電力系統(tǒng)仍有很多關鍵技術難關亟待進一步攻克。黃震說,和穩(wěn)定供應的火電不同,光伏、風能等新能源具有不確定性、隨機性、波動性的問題,需進一步提升電力系統(tǒng)韌性,構建互信交易機制,深化電力體制改革,打造“源網(wǎng)荷儲”深度協(xié)同的電力系統(tǒng)。

在能源供給側方面,除了電力零碳化,還需要實現(xiàn)燃料零碳化。黃震表示,可以在電力零碳化的基礎上,用零碳電力制氫、制氨,以及制備合成燃料,用于車船等的動力系統(tǒng),這些都是未來轉(zhuǎn)型升級的方向。

他舉例說,在冰島有一座以諾貝爾獎獲得者喬治奧拉命名的能源示范工廠,利用地熱制備氫氣,再用氫氣合成甲醇等化工原料。目前,國內(nèi)的技術人員也在積極進行利用可再生能源制備燃料的研究。

未來必不可少,安全可控是關鍵

要實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”,氫能源的利用勢不可當。

中國工程院院士曹湘洪介紹,氫能是未來間隙性、隨機性可再生能源系統(tǒng)中必不可少的能源載體,利用棄風棄光的電力制成并儲存氫氣,或?qū)錃廪D(zhuǎn)化為能源類產(chǎn)品,更易實現(xiàn)大規(guī)模、長期儲存,有利于提高可再生能源利用效率。

他指出,利用先進流程的天然氣制氫能效超過80%,燃料電池能效可達到90%、綜合能效達到72%,明顯高于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)60%的熱效率。使用燃料電池的新能源汽車百公里氫耗明顯低于同等質(zhì)量的汽油車的油耗。

“通過太陽能、風能或水電能等可持續(xù)清潔能源電解水,將產(chǎn)生的氫氣儲存起來,或作為燃料電池燃料以驅(qū)動汽車,這是未來長久的能源使用策略。”加拿大皇家科學院、工程院、工程研究院院士張久俊引用報告數(shù)據(jù)稱,預測到2025年氫能源的需求是目前的10倍,2030年全世界氫能源燃料電池汽車在1000萬~1500萬輛,市場總額能達到萬億元級別。在他看來,世界各國都在力圖通過發(fā)展氫能來解決未來能源安全問題,占領國際能源領域的制高點。

“缺少核心技術、關鍵材料和裝備,制約了我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。”曹湘洪分析表示,燃料電池在我國已呈現(xiàn)快速啟動的態(tài)勢,氫燃料電池輕型電車、家用社區(qū)用電池等各種氫的應用場景也在積極探索和實踐中。但從綠電制氫、氫氣儲存、運輸?shù)郊託湔镜雀黝愑脷湓O施建設,以及各種燃料電池技術,我國與國際先進水平都存在比較大的差距,應加大科技投入,盡快扭轉(zhuǎn)缺少核心技術、關鍵材料的局面。

曹湘洪認為,以氫燃料電池汽車為主,結合綠氫制甲醇、綠氫冶金、綠氫供電供熱等多種應用場景,積極發(fā)展氫能,是我國實現(xiàn)雙碳目標的重要戰(zhàn)略措施,也是逐步改變我國能源結構的社會系統(tǒng)工程。

但氫能源想要“飛入尋常百姓家”,首先要解決的問題是安全。

“氫氣使用中的安全風險要可防可控。”中國工程院院士涂善東認為,氫能利用未來可期,但安全技術應該先行,然后是法規(guī)體系的完善,這是推動其安全應用的關鍵。

氫的危險性主要有易泄漏、極寬的燃燒范圍、易燃易爆等。涂善東表示,氫能的本質(zhì)安全利用問題需要關注本質(zhì)安全儲運工藝和裝備技術。保障氫能本質(zhì)安全的基礎是材料,當前行業(yè)迫切需要抗氫損傷的高強材料。其研究方向的第一個方法是用涂層覆蓋,第二個方法是阻止氫在材料內(nèi)部擴散,第三個方法是在微結構調(diào)控引入抗氫的成本。

儲氫技術各有優(yōu)劣,均無法兼顧安全、效率和成本。目前應用較為廣泛、普遍看好的高壓儲氫技術,仍然無法徹底消除泄漏、火災、爆炸等風險。儲氫壓力容器、氫燃機等相關裝備的研制也無法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,尤其加氫站建設嚴重滯后,是制約氫能發(fā)展的主要障礙。

他表示,希望在氫能制造裝備中,形成一種新的制造模式:一代材料、一代可靠性技術和一代先進的裝備共同發(fā)展。

“氫氣的安全防控風險并不比汽油和天然氣更大。”曹湘洪介紹,氫氣爆炸濃度范圍為18.3%~59%,爆炸能量相當于汽油的1/22。在日本,大阪市城東區(qū)加氫站液氫儲罐與居民區(qū)的距離僅18米,而且他們還在進行氫能示范社區(qū)試點,利用燃料電池機組自發(fā)供電,同時產(chǎn)生熱水。他指出,為提升加氫站安全性,地下儲氫技術、地下儲氫加氫站和地下儲氫油氫合建站標準的制定,同樣是當前需要研究和突破的問題。

“氫氣安全性能比汽油高,證明氫燃料電池汽車還是很安全的。”張久俊也表示,氫能的普及,一方面需要技術上的安全保障,另一方面要提高大眾對氫能的認識。

數(shù)說“氫”事

當前全世界氫氣制造有96%來自化石能源,僅有4%來自電解氫或者化工、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氫。

截至2020年底,全球氫燃料汽車保有量3.25萬輛,其中

亞洲占59%

北美占32%

歐洲占9%

2020年,我國燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為1199輛和1177輛;燃料電池汽車總量為7352輛,僅次于美國的8039輛,居全球第二位。預計2025年,我國燃料電池汽車保有量可達到10萬輛,加氫站將超過600座。

截至2020年底,全球已有33個國家進行加氫站布局,共建成584座加氫站,其中日本以近150座加氫站領跑。我國則是加氫站增長最快的國家,目前已有超過100座加氫站投入運營。

我國氫能發(fā)展的特點

●政府推動快速起步;

●煤炭目前是制氫的主要原料;

●儲運分銷成本較高;

●缺少核心技術和裝備;

●法規(guī)與標準,制度有待于完善。

未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)六大趨勢

●替代柴油車的燃料電池汽車為主用戶;

●液氫、氫氣管道運輸將得到發(fā)展;

●燃料電池工業(yè)發(fā)電將得到重視;

●氫儲能將成為主要儲能方法;

●近期以灰氫為主,中遠期向藍氫、綠氫方向發(fā)展;

●難以減排領域氫能逐漸開發(fā)利用。

原標題：碳中和背景下，能源變革成為“必考題”