目前全球已有超過(guò)130個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了“碳中和”或“零碳”目標(biāo)且大部分計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)，如歐盟、英國(guó)、加拿大、日本等。

 

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2國(guó)已實(shí)現(xiàn)碳中和，6國(guó)已立法，處于立法階段的有歐盟地區(qū)和其他5國(guó)，另有20國(guó)（含歐盟國(guó)）發(fā)布了正式的政策宣示，提出目標(biāo)但尚處于討論過(guò)程中的國(guó)家和地區(qū)近100個(gè)。

 

中美這兩個(gè)排放大國(guó)也都做出了碳中和承諾。美國(guó)重返《巴黎協(xié)議》并承諾在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和；2020年9月習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，許多國(guó)家和地區(qū)制定減排路線圖，通過(guò)立法、投資及稅收等政策措施推動(dòng)減排行動(dòng)。這些政策和措施根據(jù)實(shí)際情況各有側(cè)重，主要包含六個(gè)方面：

 

一是支持和鼓勵(lì)能效技術(shù)創(chuàng)新，進(jìn)一步提升能源使用效率；

 

二是倡導(dǎo)進(jìn)一步減少化石能源使用，不斷降低對(duì)化石能源依賴；

 

三是鼓勵(lì)大力發(fā)展可再生能源，提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重；

 

四是支持和鼓勵(lì)清潔低碳、節(jié)能減排等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；

 

五是支持發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)和天然碳匯等循環(huán)經(jīng)濟(jì)；

 

六是推動(dòng)發(fā)展碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)，解決剩余排放問(wèn)題。

 

中國(guó)是最大的發(fā)展中國(guó)家，也是碳排放大國(guó)，要實(shí)現(xiàn)在2060年前碳中和的目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。為了履行對(duì)世界的莊嚴(yán)承諾，中國(guó)迅速行動(dòng)。

 

在2020年12月的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上，碳達(dá)峰和碳中和工作被確定為2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一；

 

12月21日國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書，清晰描繪了中國(guó)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“路線圖”；

 

2021年全國(guó)兩會(huì)，碳達(dá)峰和碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告；

 

2021年10月國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》。

 

一系列舉措充分表明中國(guó)推動(dòng)低碳發(fā)展的堅(jiān)定決心與積極行動(dòng)。

 

 

碳達(dá)峰與碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，需要全人類、全社會(huì)、全行業(yè)共同努力，大力推進(jìn)低碳發(fā)展。

 

低碳發(fā)展的重點(diǎn)是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，能源生產(chǎn)與利用加快向更清潔、低碳的方向轉(zhuǎn)變。在各國(guó)和地區(qū)碳達(dá)峰、碳中和政策的引導(dǎo)推動(dòng)下能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型有望加快推進(jìn)，化石能源生產(chǎn)與利用將面臨更嚴(yán)格的碳排放約束，非化石能源逐漸成為能源增量主力軍。

 

氫能資源豐富、熱值高、使用無(wú)污染，被視為理想的清潔能源，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，將在全球能源新格局中扮演重要角色。

 

氫能發(fā)展所帶來(lái)的巨大市場(chǎng)潛力和科技創(chuàng)新是提高綜合國(guó)力和新經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的有力支撐，因而其開(kāi)發(fā)與利用受到全球普遍關(guān)注。

 

許多國(guó)家都在加快推進(jìn)氫能源技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局，美國(guó)、歐盟、日本都出臺(tái)相應(yīng)的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，日本甚至提出了“氫能社會(huì)”的宏大構(gòu)想。

 

中國(guó)國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展也方興未艾，在交通、工業(yè)、建筑、電力等重點(diǎn)用能行業(yè)有望迎來(lái)較大發(fā)展空間，為這些碳排放重點(diǎn)領(lǐng)域減排脫碳發(fā)揮作用。

 

 

交通運(yùn)輸是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，也是能源消耗和溫室氣體排放大戶，占碳排放比重非常高。

 

歐盟委員會(huì)稱運(yùn)輸業(yè)對(duì)歐盟GDP貢獻(xiàn)率僅約5%，但其二氧化碳排放量約占?xì)W盟溫室氣體排放總量的四分之一。

 

IEA報(bào)告指出，2020年一季度全球石油需求下降5%，對(duì)應(yīng)碳排放量下降4.5%；其中公路運(yùn)輸和航空活動(dòng)的減少貢獻(xiàn)了石油需求下降量的近 85%。2020 年下半年隨著交通運(yùn)輸逐步恢復(fù)，碳排放量也隨之開(kāi)始反彈。

 

近年來(lái)氫燃料電池商用車發(fā)展較快，中國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家加快燃料電池汽車加氫站的布局建設(shè)，有力推進(jìn)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化。

 

除了商用車，航空和海運(yùn)也在積極探索氫能應(yīng)用。氫能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展無(wú)疑將極大推動(dòng)該領(lǐng)域的廣泛、深度脫碳。

 

 

氫在工業(yè)上主要用于煉油、化工和鋼鐵行業(yè)。在煉油和化工行業(yè)氫氣除了作為燃料還是重要原料，主要用于加氫處理、加氫裂化和脫硫。如果煉油和化工業(yè)大量采用甚至全部使用綠氫，對(duì)于工藝過(guò)程脫碳有顯著影響。

 

中國(guó)石化第一個(gè)綠氫煉化項(xiàng)目——鄂爾多斯1萬(wàn)t/a綠電制氫項(xiàng)目計(jì)劃2022年建成投產(chǎn)，項(xiàng)目利用可再生電力電解制氫，所制氫氣供中天合創(chuàng)煤化工項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)于綠氫煉化有示范意義，大大有利煤化工降碳減排。

 

鋼鐵是工業(yè)碳排放大戶，當(dāng)前煉鋼多采用焦炭作為鐵礦石還原劑。為了解決碳排放問(wèn)題，鋼鐵行業(yè)開(kāi)始探索氫冶金技術(shù)，用氫代替焦炭和天然氣作為還原劑可基本消除煉鐵和煉鋼過(guò)程中的絕大部分碳排放。

 

如果隨著可再生能源成本下降，在軋鑄環(huán)節(jié)使用可再生能源發(fā)電，最后基本可實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的近零排放。

 

 

建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑就是打造綠色建筑，探索燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)，采用燃料電池發(fā)電技術(shù)，以氫能完全或部分替代市政電網(wǎng)、天然氣等傳統(tǒng)能源，滿足建筑對(duì)冷、熱、電、生活熱水等各種能源的需求。

 

這種燃料電池在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用不僅提高能源利用效率，而且能起到建筑用能和采暖降碳的作用，效果顯著。

 

早在2009年在東京燃?xì)夤九c松下集團(tuán)共同研發(fā)的家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)項(xiàng)目就已正式投入商業(yè)應(yīng)用，這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內(nèi)，可以不依賴電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

 

2020年歐委會(huì)發(fā)布了“革新浪潮”倡議，提出2030年所有建筑實(shí)現(xiàn)近零能耗；國(guó)內(nèi)近年來(lái)也興起這種綠色建筑理念，并有示范項(xiàng)目的報(bào)道。

 

 

電力行業(yè)是用能大戶也是碳排放大戶，碳排放約55%來(lái)自電力行業(yè)，而電力行業(yè)碳排放80%來(lái)自燃煤發(fā)電。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，全球多個(gè)國(guó)家均已采取措施降低煤電比重，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源發(fā)電。

 

近年來(lái)以光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電成本顯著下降，規(guī)模經(jīng)濟(jì)將發(fā)揮作用，成本有望進(jìn)一步下降，從而推動(dòng)該領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。

 

然而，可再生能源中風(fēng)電、光伏具有顯著的間接性和波動(dòng)性特點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)之后會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。

 

可再生電力制氫可實(shí)現(xiàn)清潔電力到氫能的大規(guī)模儲(chǔ)存，是解決可再生能源消納、平抑波動(dòng)性和間歇性的重要手段。可再生能源與儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)合不僅可以有效提升可再生能源發(fā)電可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)可以顯著降低電力系統(tǒng)的碳排放，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

 

 

 

根據(jù)制備過(guò)程中的二氧化碳排放情況，氫被分為“灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”。有大量二氧化碳排放的氫氣被稱為“灰氫”；將二氧化碳通過(guò)捕集、利用和封存（CCUS或CCS），大幅減少工藝過(guò)程碳排放的氫氣被稱為“藍(lán)氫”；幾乎不產(chǎn)生碳排放的氫氣即“綠氫”。

 

氫氣制取工藝按原料路線來(lái)分有化石燃料制氫（天然氣制氫、煤炭制氫等）、富氫氣體制氫（合成氨生產(chǎn)尾氣制氫、煉油廠回收富氫氣體制氫、焦?fàn)t煤氣中氫的回收利用等）、甲醇制氫、水電解制氫、生物制氫等。

 

目前世界上商業(yè)用氫絕大部分是從煤、石油和天然氣等化石燃料制取，過(guò)程中有大量碳排放，制得的氫氣為“灰氫”或“藍(lán)氫”；只有水電解制氫可以制得“綠氫”，具體過(guò)程是以水為原料，在催化劑作用下通過(guò)電能使水分解成氫氣和氧氣，制氫過(guò)程具有鮮明的低碳環(huán)保特點(diǎn)。如果使用的電能是由可再生能源（例如太陽(yáng)能或風(fēng)電）產(chǎn)生，整個(gè)制氫環(huán)節(jié)完全零排放，制得氫氣就是“綠氫”。

 

綠氫才能真正助力碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。氫能發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力是氫能利用終端零排放能助力交通運(yùn)輸、工業(yè)、動(dòng)力燃料和建筑等碳排放大戶實(shí)現(xiàn)大規(guī)模脫碳。既然氫能作為實(shí)現(xiàn)碳中和的重要抓手，那么氫氣全生命周期的碳排放，尤其是制取過(guò)程的碳排放應(yīng)受到關(guān)注。

 

在綠氫、藍(lán)氫和灰氫中，灰氫制取過(guò)程碳排放非常嚴(yán)重；藍(lán)氫是灰氫通過(guò)CCUS處理后的氫，雖然二氧化碳排放大幅下降但其前身是灰氫，制取過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳并沒(méi)有消失，只是通過(guò)CCUS封存；只有綠氫幾乎無(wú)碳排放，所以真正能高效助推碳中和的是綠氫。

 

2020年5月，歐洲10家行業(yè)領(lǐng)先公司與行業(yè)協(xié)會(huì)一起共同推出了“選擇可再生氫”倡議，呼吁歐盟為能源系統(tǒng)集成和氫戰(zhàn)略做出正確選擇，充分挖掘可再生電力潛力，使歐洲完全脫碳。

 

在推進(jìn)綠氫發(fā)展、助力碳中和實(shí)踐中，許多國(guó)家已邁出積極步伐。

 

2020年10月8日，全球首個(gè)千噸級(jí)液態(tài)太陽(yáng)燃料合成示范工程項(xiàng)目在蘭州新區(qū)綠色化工園區(qū)順利通過(guò)連續(xù)72小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)考核。

 

該項(xiàng)目也是我國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)示范工程，由中國(guó)科學(xué)院李燦院士團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資公司、蘇州高邁新能源科技、中科院大連化物所三方合作開(kāi)發(fā)建設(shè)。

 

該項(xiàng)目計(jì)劃年產(chǎn)1400噸甲醇，由太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電解水制氫及二氧化碳加氫合成甲醇三大系統(tǒng)單元組成，通過(guò)裝機(jī)規(guī)模為10MW的光伏發(fā)電單元向2臺(tái)1000m3/h的電解槽供電實(shí)現(xiàn)電解水制氫，所制取的氫氣與汽化后的二氧化碳在催化劑作用下反應(yīng)合成甲醇。

 

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）近年來(lái)一直在進(jìn)行太陽(yáng)能合成燃料和太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)的研發(fā)。繼2019年成功開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和空氣合成液態(tài)燃料后，近來(lái)成功開(kāi)發(fā)高溫儲(chǔ)能技術(shù)，這種技術(shù)將首次實(shí)現(xiàn)1000℃以上的高溫太陽(yáng)能熱量的經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)展存儲(chǔ)。

 

旗下Synhelion公司正與伍德（Wood）公司合作開(kāi)發(fā)綠氫生產(chǎn)，利用Synhelion公司的太陽(yáng)熱儲(chǔ)能技術(shù)和伍德公司甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化制氫工藝優(yōu)勢(shì)，采用太陽(yáng)熱提供熱量，以甲烷為原料生產(chǎn)氫氣。當(dāng)原料使用生物來(lái)源的甲烷時(shí)，整個(gè)工藝過(guò)程完全無(wú)碳排放。如果合作研發(fā)成功，將實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能氫氣工業(yè)化，為經(jīng)濟(jì)地制取綠氫創(chuàng)出一條新路。

 

 

綠氫要在碳中和路徑中充分發(fā)揮作用，必須要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)地商業(yè)化應(yīng)用。

 

目前，綠氫的大規(guī)模發(fā)展有許多影響因素，如各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡、能源資源稟賦差異、政策鼓勵(lì)力度不一等，從技術(shù)角度主要面臨以下三方面挑戰(zhàn)：

 

一是電解水制氫經(jīng)濟(jì)性不高。綠氫應(yīng)用在技術(shù)上可行只是必要條件，在經(jīng)濟(jì)上可行才是氫能大規(guī)模利用的充分條件，而電解水制氫成本較高是制約瓶頸。

 

目前電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、固體氧化物水電解（SOE）和堿性陰離子交換膜電解（AEM）等，其中堿性電解槽技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模化產(chǎn)氫，是技術(shù)最為成熟生產(chǎn)成本相對(duì)較低的路線。堿性水電解也是國(guó)內(nèi)商業(yè)化電解水制氫主要技術(shù)，歐美則對(duì)PEM技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)較快。

 

PEM制得的氫氣純度高流程簡(jiǎn)單，能效高于堿性水電解，裝置運(yùn)行靈活性更高，而且對(duì)電力變化反應(yīng)更快，更適合與可再生能源發(fā)電配合，但因使用貴金屬催化劑等材料成本較高。總體上電解水制氫由于電解效率不高耗電量大等原因，與其他制氫方式相比成本較高，在工業(yè)應(yīng)用中占比較小。

 

近年來(lái)，圍繞提高電解效率和降低成本目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外電解水制氫技術(shù)在工藝、設(shè)備、催化劑、電能等方面開(kāi)展了許多研究并取得了卓有成效的進(jìn)展。未來(lái)只有技術(shù)不斷進(jìn)步并取得突破性進(jìn)展，大幅降低電解水制氫成本，才能提高其經(jīng)濟(jì)性，從而提升綠氫大規(guī)模應(yīng)用的可能性。

 

二是氫氣存儲(chǔ)難度大。氫氣由于重量輕、原子半徑小、性能活潑、穩(wěn)定性差（泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸），存儲(chǔ)和運(yùn)輸難度較大。

 

按氫氣狀態(tài)可以分為氣態(tài)、液態(tài)和固體三種儲(chǔ)存方式；目前工業(yè)上最可行的規(guī)模化儲(chǔ)存和運(yùn)輸方法只有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫。

 

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低；但單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度低，運(yùn)輸成本高，有泄漏和爆炸的安全隱患。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)存容積小等優(yōu)勢(shì)；但液化過(guò)程耗能大且儲(chǔ)存容器需絕熱性能良好，成本高昂。

 

近年來(lái)固態(tài)合金儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)也備受關(guān)注，其中固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的一種氫氣儲(chǔ)存方式。

 

固態(tài)儲(chǔ)氫是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或物理吸附將氫氣儲(chǔ)存于固態(tài)材料中，優(yōu)點(diǎn)突出：儲(chǔ)氫工作壓力不高安全性強(qiáng)使用壽命長(zhǎng)；放氫純度高有利于提高燃料電池的工作效率和使用壽命；系統(tǒng)體積小儲(chǔ)氫密度大，結(jié)構(gòu)緊湊；再充氫壓力低充氫方便。

 

目前固態(tài)合金儲(chǔ)氫已經(jīng)有示范報(bào)道，但也存在著儲(chǔ)存材料價(jià)格高昂、儲(chǔ)存釋放條件苛刻的問(wèn)題。

 

三是氫能運(yùn)輸制約。運(yùn)輸是氫氣從制氫廠到終端使用的重要環(huán)節(jié)，也是成本的重要組成部分。氫氣可以以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸。我國(guó)主要以氣態(tài)運(yùn)輸為主，可選擇長(zhǎng)管拖車和管道運(yùn)輸兩種方式。

 

其中長(zhǎng)管拖運(yùn)技術(shù)成熟，通常在近距離時(shí)采用；管道運(yùn)輸則適合大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)輸效率高，能耗較小，但一次性建設(shè)投入較高，國(guó)內(nèi)目前輸氫管道較少。

 

液態(tài)采用槽車運(yùn)輸，適合中遠(yuǎn)距離和較大量運(yùn)輸，該運(yùn)輸方式在液化過(guò)程中能耗較大，設(shè)備要求也較高，國(guó)內(nèi)主要用于航天及軍事，在日、美等國(guó)應(yīng)用較為廣泛。

 

固態(tài)氫氣通過(guò)輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料可以實(shí)現(xiàn)高密度高安全運(yùn)輸，提高單車運(yùn)輸量和運(yùn)輸安全性，目前仍處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段。

 

經(jīng)測(cè)算，在0——1000km范圍管道運(yùn)輸?shù)某杀咀畹停贿\(yùn)輸距離在250km內(nèi)，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本低于液氫槽車；超過(guò)250km則后者更具成本優(yōu)勢(shì)。要降低氫的運(yùn)輸成本、提高氫能經(jīng)濟(jì)性，還有待相關(guān)科技創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)進(jìn)一步突破。

 

 

日益嚴(yán)峻的氣候變化問(wèn)題是世界各國(guó)共同面對(duì)的挑戰(zhàn)，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展已成為應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題的重要舉措。越來(lái)越多的國(guó)家提出碳中和目標(biāo)并研究制定碳中和背景下的產(chǎn)業(yè)政策，支持減排目標(biāo)。

 

鑒于全球溫室氣體排放量的73%源于能源消耗，在各國(guó)家和地區(qū)采取的減排措施中，鼓勵(lì)可再生能源發(fā)展成為普遍選擇。

 

氫能以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到普遍關(guān)注并成為發(fā)展重點(diǎn)，有望在碳中和路徑中發(fā)揮重要作用，助力電力、交通、工業(yè)、建筑等用能大戶減排脫碳。

 

氫能要在碳中和中發(fā)揮作用要重點(diǎn)發(fā)展綠氫，而綠氫要真正充分發(fā)揮作用必須要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用。

 

目前，從技術(shù)層面還面臨一些挑戰(zhàn)——

 

首先是電解水制氫技術(shù)要實(shí)現(xiàn)突破，要大幅降低制氫成本；

 

其次是氫氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)還要進(jìn)一步發(fā)展，要提高氫能響應(yīng)速度、安全性及電—氫—電能源轉(zhuǎn)化效率；

 

另外還要大力降低儲(chǔ)運(yùn)成本，因?yàn)榧词怪茪涑杀灸軌虼蠓档停诮?jīng)過(guò)儲(chǔ)存、運(yùn)輸多個(gè)環(huán)節(jié)層層疊加后會(huì)大大抬高終端氫氣成本。