中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來(lái)，氫能成為決策層和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。如何認(rèn)識(shí)可再生能源與氫能發(fā)展的關(guān)系？如何應(yīng)用灰氫、藍(lán)氫和綠氫？電解水制氫技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？本刊日前采訪了中國(guó)科學(xué)院院士、廈門(mén)大學(xué)教授、嘉庚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室主任鄭南峰。他認(rèn)為，目前缺乏的是可支撐大規(guī)模離網(wǎng)及適應(yīng)波動(dòng)的電解水制氫技術(shù)，現(xiàn)階段比較可行的方案是打好技術(shù)路線的“組合拳”，開(kāi)發(fā)可適用于離網(wǎng)的混聯(lián)制氫技術(shù)，攻克波動(dòng)性綠電到綠氫系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，以支撐綠電制氫規(guī)?；a(chǎn)。
氫能：大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的最佳選擇
《能源評(píng)論》：您如何看待我國(guó)快速增長(zhǎng)的可再生能源與氫能發(fā)展的關(guān)系？
鄭南峰：發(fā)展可再生能源是我國(guó)能源安全的重要保障，也是氫能發(fā)展的機(jī)會(huì)所在。
從宏觀層面看，我國(guó)傳統(tǒng)能源高度依賴進(jìn)口，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。在建立改變能源利用方式的顛覆性技術(shù)和新賽道方面，我們絕不能落后，必須改變?cè)心茉锤窬?，?chuàng)建能源新賽道，爭(zhēng)取變被動(dòng)為主動(dòng)。
從政策層面看，《氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021～2035）》明確提出重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫。中央層面提出科學(xué)規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，促進(jìn)水風(fēng)光氫天然氣等多能互補(bǔ)發(fā)展，中央企業(yè)綠色氫能制儲(chǔ)運(yùn)創(chuàng)新聯(lián)合體也已成立。
從產(chǎn)業(yè)層面看，新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展給電網(wǎng)調(diào)節(jié)帶來(lái)了壓力，儲(chǔ)能需求的增加推動(dòng)了電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。更大規(guī)?？稍偕茉吹睦秘巾毾{、儲(chǔ)能技術(shù)的支撐，現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)的限制為氫能發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，可再生能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)將推動(dòng)綠氫的平價(jià)化，并逐漸延伸到各種應(yīng)用場(chǎng)景。
《能源評(píng)論》：截至2024年上半年，全國(guó)已建成投運(yùn)新型儲(chǔ)能累計(jì)規(guī)模達(dá)4444萬(wàn)千瓦/9906萬(wàn)千瓦時(shí)。從能源和化工的角度來(lái)看，您如何評(píng)價(jià)氫能的優(yōu)勢(shì)與不足？
鄭南峰：氫能具有能源和原料的雙重屬性，其能量密度高、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移，包括跨區(qū)域、長(zhǎng)距離、不定向轉(zhuǎn)移，并能轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學(xué)能等多種形式。
從儲(chǔ)能角度看，氫能可實(shí)現(xiàn)電能跨季節(jié)長(zhǎng)周期大規(guī)模存儲(chǔ)。電化學(xué)儲(chǔ)能，尤其是以鋰離子電池為代表的技術(shù)，在短周期分布式小規(guī)?？稍偕茉磧?chǔ)能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而氫能是集中式可再生新能源大規(guī)模長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的最佳選擇。
從質(zhì)量能量密度來(lái)看，氫能的熱值為143兆焦/千克，超出現(xiàn)有能源品類(lèi)。其不足在于電-氫-電轉(zhuǎn)化效率僅為30%～50%，具有較大提升空間。未來(lái)的提升策略包括余熱利用，提升整體能效，同時(shí)發(fā)揮其在可再生能源消納、季節(jié)性儲(chǔ)能方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。需要開(kāi)發(fā)穩(wěn)固的場(chǎng)景把余熱利用起來(lái)，比如，日本推廣的基于固體氧化物燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其能量利用效率已超過(guò)80%。
《能源評(píng)論》：您如何看待未來(lái)氫能的應(yīng)用場(chǎng)景和氫氣需求規(guī)模？
鄭南峰：目前，氫氣主要作為化工原料使用，涉及石油煉化、精細(xì)化工、合成氨醇等領(lǐng)域。作為能源應(yīng)用是氫能未來(lái)拓展方向，交通領(lǐng)域?qū)⑹菤淠芟M(fèi)的重要突破口，化工、建筑、供暖和電力儲(chǔ)能也將成為氫能的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
隨著可再生能源占比升高，氫氣的需求也會(huì)越來(lái)越大。將波動(dòng)性的能源進(jìn)行存儲(chǔ)并運(yùn)用到多種場(chǎng)景，給綠氫帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。從全球范圍來(lái)看，國(guó)際能源署預(yù)測(cè)顯示，到2030年全球氫氣需求將達(dá)到1.5億噸，其中電解水制氫5000萬(wàn)噸，電解槽總裝機(jī)容量可達(dá)590吉瓦；到2050年全球氫氣需求將達(dá)4.3億噸，其中電解水制氫3.3億噸，電解槽總裝機(jī)容量可達(dá)3.3太瓦。
“先吃飽，再吃好”，從灰氫逐步過(guò)渡到綠氫
《能源評(píng)論》：有分析認(rèn)為，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是安全和成本問(wèn)題，您怎么看?
鄭南峰：盡管氫氣有一定的危險(xiǎn)性，但其安全性可以通過(guò)科學(xué)管理得到保障，實(shí)際上在某些方面甚至比天然氣更安全。氫氣爆炸極限是體積濃度達(dá)到4.0%～75.6%，但氫氣很輕，在開(kāi)放空間可以快速向上擴(kuò)散，使?jié)舛冗h(yuǎn)低于可爆濃度下限。日本豐田汽車(chē)的研究顯示，在開(kāi)放空間的燃料電池汽車(chē)即使發(fā)生氫泄漏，也并不會(huì)發(fā)生爆炸。
《能源評(píng)論》：成本問(wèn)題會(huì)成為制約氫能發(fā)展的瓶頸嗎？
鄭南峰：現(xiàn)在氫能的發(fā)展階段，就像人類(lèi)歷史上大電網(wǎng)還沒(méi)有建立起來(lái)時(shí)的電力一樣，價(jià)格相對(duì)較高。相信技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；瘯?huì)帶來(lái)成本的下降。目前堿性電解水制氫技術(shù)是較經(jīng)濟(jì)的，電解槽招投標(biāo)價(jià)格已經(jīng)降到每千瓦不到1000元，綠氫制取成本開(kāi)始逼近灰氫。
我們應(yīng)有序推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快構(gòu)建安全、穩(wěn)定、高效的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，探索“可再生能源發(fā)電+氫制儲(chǔ)運(yùn)”一體化應(yīng)用新模式，構(gòu)建低成本、多元化的氫能儲(chǔ)運(yùn)體系。
氫能上接電能，下接眾多產(chǎn)業(yè)，綠氫被寄予厚望。實(shí)現(xiàn)綠氫產(chǎn)業(yè)落地需要建立起良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，解決綠氫廉價(jià)獲取、高效儲(chǔ)運(yùn)和低成本規(guī)模應(yīng)用的難題。
《能源評(píng)論》：對(duì)于尚存爭(zhēng)議的綠氫和灰氫的使用問(wèn)題，您怎么看？
鄭南峰：利用可再生能源直接電解水制氫，不僅能夠提高可再生能源的有效利用率，支撐電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性，還能顯著降低綠氫的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)綠氫制備全生命周期的零碳足跡。電氫協(xié)同解決可再生能源高比例消納的同時(shí)制備綠氫，理想的技術(shù)路徑是將風(fēng)/光波動(dòng)性電力轉(zhuǎn)換為可存儲(chǔ)的氫，再將不便運(yùn)輸?shù)臍錃廪D(zhuǎn)化為高能量密度的液態(tài)燃料。
目前，電解水制備綠氫的成本正逼近藍(lán)氫制備成本，但工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量大、分布廣、價(jià)格低，短期發(fā)展優(yōu)勢(shì)顯著。當(dāng)前以灰氫為主，綠氫發(fā)展空間巨大，我們應(yīng)堅(jiān)持“先吃飽，再吃好”的原則，可以先利用灰氫把基礎(chǔ)設(shè)施建起來(lái)、用起來(lái)，逐步過(guò)渡到綠氫。
《能源評(píng)論》：在氫能領(lǐng)域，未來(lái)是否有可能出現(xiàn)更具有顛覆性的技術(shù)？
鄭南峰：未來(lái)可探索的資源包括白氫（天然氫）——一種在地殼中天然生成或存在的氫氣。
尋找天然氫藏是一個(gè)全新前沿領(lǐng)域。據(jù)報(bào)道，2012年，西非國(guó)家馬里發(fā)現(xiàn)了一口噴涌氫氣的廢井。2022年，美國(guó)地質(zhì)勘探局修訂的地下氫氣儲(chǔ)量的估算模型顯示，地球巖層中可能蘊(yùn)藏著超萬(wàn)億噸氫氣?！犊茖W(xué)》雜志將“尋找天然氫源的熱潮”列為2023年度“十大科學(xué)突破”之一。
開(kāi)發(fā)適用于寬功率波動(dòng)的混聯(lián)制氫方案
《能源評(píng)論》：影響未來(lái)綠氫規(guī)?；絻r(jià)獲取的因素有哪些？
鄭南峰：傳統(tǒng)電解槽并非為新能源應(yīng)用而設(shè)計(jì)，而是為穩(wěn)定電源輸入而設(shè)計(jì)，基于穩(wěn)定功率運(yùn)行而不考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)氫經(jīng)濟(jì)性并非其首要考慮因素。比如，堿性電解水制氫（ALK）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電廠發(fā)電機(jī)的冷卻用氫，質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)應(yīng)用于航空航天供氧設(shè)備。
從技術(shù)層面來(lái)看，電解水制氫降本增效的途徑主要包括兩方面，一是降低用電成本（電耗和電價(jià)），二是降低折舊成本（延長(zhǎng)電解槽使用壽命、降低造價(jià)、增加設(shè)備利用率）。未來(lái)電堆成本占比將逐漸減小，外圍輔機(jī)系統(tǒng)成本占比將逐漸擴(kuò)大。彭博新能源預(yù)測(cè)，歐美電解槽價(jià)格將逐步下降，預(yù)計(jì)到2036年與中國(guó)持平。
《能源評(píng)論》：綠電的波動(dòng)性會(huì)給制氫過(guò)程帶來(lái)哪些影響？
鄭南峰：電解水技術(shù)本身不復(fù)雜，但是電有波動(dòng)就麻煩了。目前尚缺乏可支撐大規(guī)模離網(wǎng)及適應(yīng)波動(dòng)的電解水制氫技術(shù)，急需多領(lǐng)域密切合作，突破適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性的大規(guī)模電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)，降低材料與裝備成本，為可再生能源離網(wǎng)制氫提供高經(jīng)濟(jì)性的成套解決方案。
短期內(nèi)，ALK技術(shù)較為成熟，可通過(guò)提升電解槽的運(yùn)行功率波動(dòng)范圍，降低配儲(chǔ)容量；中期看，PEM技術(shù)需要降低貴金屬催化劑用量、質(zhì)子交換膜成本等，來(lái)降低整體裝備成本；長(zhǎng)期看，陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)（AEM）兼具上述二者的優(yōu)勢(shì)，不使用貴金屬，可進(jìn)一步降低裝備成本。
《能源評(píng)論》：您認(rèn)為，基于當(dāng)前技術(shù)應(yīng)如何解決新能源消納和綠氫制備難題？
鄭南峰：在未來(lái)能源體系里，電解水制氫路線的選擇是多元化的?，F(xiàn)階段比較可行的方案是打好技術(shù)路線“組合拳”，開(kāi)發(fā)適用于離網(wǎng)寬功率波動(dòng)的混聯(lián)制氫方案（ALK-PEM），攻克波動(dòng)性綠電到綠氫系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)，支撐綠電可離網(wǎng)混聯(lián)制氫規(guī)?；a(chǎn)，助力我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
具體而言，鑒于PEM系統(tǒng)的響應(yīng)速度快、效率高，應(yīng)由其盡量吸收波動(dòng)功率；鑒于ALK系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，應(yīng)由其吸收穩(wěn)定功率。這意味著需要ALK系統(tǒng)消納穩(wěn)態(tài)電流，PEM系統(tǒng)消納波動(dòng)電流。
廈門(mén)大學(xué)嘉庚實(shí)驗(yàn)室基于上述兩種技術(shù)路線的研究基礎(chǔ)，聯(lián)合國(guó)家能源集團(tuán)等10家單位合力攻關(guān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“30兆瓦混聯(lián)制氫系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用”，目標(biāo)是突破大規(guī)?？稍偕茉粗茪湎到y(tǒng)的長(zhǎng)效經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行技術(shù)瓶頸，開(kāi)發(fā)ALK-PEM混聯(lián)制氫系統(tǒng)耦聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大容量混聯(lián)制氫系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用，推動(dòng)氫能綠色制取產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。期待產(chǎn)業(yè)鏈上各方共同努力推動(dòng)“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應(yīng)用，加快發(fā)展以能源科技創(chuàng)新引領(lǐng)新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
