雷宪章：发展氢能产业，助力双碳目标

近日，在一次大会上，德国国家工程院院士、西南石油大学碳中和首席科学家、天府永兴实验室首席科学家、天府新能源研究院院长雷宪章，雷院士以视频的方式为来宾带来了题为《发展氢能产业、助力双碳目标》的演讲。

雷院士在演讲中指出，碳中和是一场深刻的能源革命，通过发展新能源和零碳能源，加快中国经济实现绿色发展，完成从工业文明到生态文明的转变，并打破以美国为首的西方国家对石油的垄断，为中国在未来核心产业赛道的竞争中抢占先机、抢夺话语权和主导权。

随后，雷院士介绍了欧洲的脱碳之路。

欧盟委员会于2019年12月11日发布的《欧洲绿色新政》指出，通过向清洁能源和循环经济转型，使欧洲到 2050 年成为全球首个碳中和大陆；新政草案将对欧盟的经济社会发展产生深远影响，也对我国制定本世纪中叶长期温室气体低排放战略和“十四五”规划具有重要借鉴作用

雷院士分析称，欧洲绿色新政有两个重要特点。

一是将欧盟2050年实现碳中和的目标纳入法律的框架,通过立法来保证碳中和目标的实现。

二是对能源、工业、建筑、交通、农业、生态环境7个重点领域，明确了实现目标的路径，提出了落实目标的相关政策，制定了路线图和发展规划。

欧洲以碳中和为目标的能源革命提出了依靠清洁能源、绿氢和节能增效三条路径。

路径一：以能效为核心、以节能为重点、以“循环经济”为抓手的循环能源体系，实现节能降碳和资源的高效利用。

雷院士提出，中国的单位GDP能耗目前是德国的2.9倍，德国在低能耗的情况下，仍然把节能降碳作为实现能源转型的主要任务，这一点值得借鉴。

路径二：以清洁能源为支撑，大力推进终端用能的电气化。通过大力开发风光资源，以提供充足的绿色电力，取代化石能源，实现终端用能的深度脱碳。

路径三：在工业、重型交通、铁路、航空航海、化工工业、冶金工业等难以实现电气化的领域，实施氢能替代，通过发展氢能，可以助力工业交通，以及建筑民生等用能终端实现脱碳。

如何发展氢能产业，助力双碳目标？

雷宪章院士表示，能源转型不是一蹴而就的，要先立后破，依托技术创新和技术突破，大力开发氢能源等清洁能源，通过电氢耦合协调，并借助储能技术，将氢能源建设成稳定的能源主体，逐步完成化石能源的零碳替代。

截止2021年底，我国风光发电的装机容量为6.3亿千瓦。到2030年，风光发电的总装机容量将达到12亿千瓦以上，是现有风光发电装机容量的3倍左右。现有的风光发电量已经难以依靠电网进行消纳，在此基础上增加3倍后，电网无法作为消纳光电能的唯一路径。

因此，在实践中除了依靠电网消纳，还必须拥有就地消纳富裕风电、光电的各种手段，并将就地消纳的风光电力有效的转换成其他形式的能量进行储存，比如风光电力就地电解水制氢等。

雷宪章院士分析称，新能源将逐渐成为发电装机和发电的主体，到2060年，预计新能源的占比将超过70%，新能源的就地转化储存将是消纳富裕新能源的重要手段，以电网为主，氢能为辅的电氢耦合协同清洁能源输送模式，将保证绿色能源安全供应和消费。

与化石能源发电不同，风光电力是间歇性、随机性的，无法满足电力系统的刚性供给需求。当前电网的稳定运行主要仍依靠火、水、 核电，根据电网的需求，动态调节电力平衡。

雷宪章院士表示，可以把氢能作为储能，通过燃料电池发电，补充电网的功率缺口，以支撑电网的电力输送，保证电网高比例清洁电力条件下的全时域的功率平衡和动态稳定，这是电网实现先立后破的前提。

从目前成熟的储能技术和方式来看，电池储能可以解决小时级的电力波动和频率稳定问题。而维护新能源为主体的新型电力系统全适应的功率平衡，还要求储能系统具备小时级的跨日、跨周，以及大容量、跨季节储能的能力。

抽水蓄能或者压缩空气储能、液态空气储能可以提供中功率的几百兆瓦甚至更大的电能，解决日间功率的不平衡的问题。当电网的功率缺口达到跨日、跨周以后，抽水蓄能和压缩空气储存的能力就会受到限制。

雷宪章院士表示，由于氢能和其他燃料气体具有可以长期储存的特点，SOFC将会成为中长期以及跨季节储存的重要的手段。而根据美国能源部白皮书发布的预测数据，当SOFC容量达到100kW的时候，成本将低于光伏、风电，甚至和可以和燃煤电站的成本相比。

预计到2060年，中国需要跨季节储能的电量可以达到6,000亿千瓦时，需要大力开发中长期的跨季储能技术。目前，氢能是实现大容量跨季储能的主要手段。在此前提下，氢能的需求量将达到1.35亿吨，其中绿氢的需求约1亿吨。氢能将占终端能源的15%到20%的左右的能源消费。其中的碳减排的贡献率可达整体能源消费约20%。

谈到绿氢，雷院士特别指出：“要实现绿色氢能替代，必须走电解水制氢这一绿色氢能道路。要实现绿氢大规模的应用，必须要解决电解水制氢成本高的问题。如果光伏电解水制氢的电价为每度电0.1元，那么它的制氢的成本将会在每公斤10元左右。在这个成本下，电解水制氢就具备了经济性。”

成熟的电解水制氢技术主要分为以下三类：

1.碱性制氢：技术成熟，成本较低，同时不需要贵金属的催化剂，使用寿命较长。但该技术需要稳定的制氢电源，因此不适合风光等间歇性电源的制氢场景。

2.质子交换膜制氢：需要硅金属作为催化剂，因此价格昂贵，但是该技术能良好适应风光间歇性电源制氢的场景。

3. 高温固体氧化物电解制氢：使用固态陶瓷作为电解质，从长远来看，成本将会持续降低，相对于碱性制氢和质子交换膜制氢的技术，固体氧化物燃料电池制氢技术还有能耗低的优点，有良好的发展前景，但当前的技术尚不成熟。

在演讲中，雷院士还提出，现有的工业、交通以及建筑、民生的能源消费，基本上是依靠化石能源。清洁电力不具备完全替代化石能源的燃烧属性和提供以往大型动力的能力。以氢代煤、以氢代油，实现低碳、零碳能源替代是未来能源格局的必然选择。

石油、化工、冶金及建材是工业脱碳的主战场，绿氢是实现工业脱碳的重要手段。

氢化工：化石化工目前的排碳量大概是每年14亿吨，实现绿氢替代后，可以减少二氧化碳每年超过4亿吨。

氢冶金：钢铁行业目前的每年的二氧化氮的排放量在18亿吨左右，采用氢作为环氧剂后，每年可以减少二氧化碳的排放超过2亿吨。

氢建材：水泥、玻璃、陶瓷等建材在生产过程中，必须要采用窑炉烧制的工艺，采用氢氧炉以后，每年可减少二氧化氮的排放超过1亿吨。

预计到2060年，化工冶金以及建材的绿氢的用量将超过每年5,000万吨，与当前全世界氢气的产量相当。

除了工业领域，交通领域也是实现脱碳的重要战场。

乘用交通和重型交通采用了不同类型的零碳动力，一类是动力电池，另外一类采用的是清洁能源。两类交通工具可互补发展。

我国以电池为动力的乘用车从产量上看，已经达到规模化发展，目前已经占全世界的市场的50%左右，未来还有很大的发展空间。随着应用规模的不断扩大，电动乘用车的运行成本快速下降，有些已下降到燃油车的10%到20%。电动乘用车低碳、低成本的特点，决定了其在短时期内很难被其他方式所替代。

而氢能的乘用车由于成本和安全问题，在可预见的时间内还不具备与电动乘用车进行竞争的能力。但是氢能非常合适为重卡或重型交通，比如海运、航空等提供离网的动力。到2060年，公路、重型交通对于绿氢的需求量将超过3,500万吨/年，实现4亿吨的二氧化碳减排，海运、航空深度脱碳带来的绿氢需求将超过每年500万吨以上。

由此可见，通过采用其他形式的清洁能源，可以与燃料电池动力系统形成复位支撑，以此实现交通的深度脱碳。

此外，建筑民生领域也是实现脱碳的重要途径。

在深入分析建筑民生领域脱碳途径时，雷院士提到了“热能转型”的重要概念。

雷院士分析称，欧洲从用能端体系上来看，电能只占中端用能的30%，而热能贯穿整个能源体系。合理地利用工业过程产生的废热，以及自然界存在的地热等形式的热能，可以为夏天为城市提供空调、冬天为城市供暖。

这个模式的核心，是构建光伏热泵储能，以及其他清洁能源为主体的能源自循环系统。光伏发电可以实现自供能和并网卖电，还可以驱动热泵取能供暖，富余的电可以储存到储能设备中，预备缺电时的供能。通过这种方式，可以实现低碳或者零碳的供热、供能以及供电。负碳的供能方式还可以结合各地的能源禀赋的特点，考虑与光伏发电和自产沼气发电互为配合，形成稳定的供能系统。

雷院士提出，在建筑和民生的脱碳方面，可以借鉴德国的低碳(零碳)或者负碳建筑模式，构建光伏、热泵、储能以及清洁电力的自循环系统，实现低碳零碳排放、改造高能效和高资源效率建筑，提高能源效率。通过建立光伏发电、热泵，储能一体化的负碳建筑的标准和示范，形成稳定的供能系统推广大型热泵加储能技术，试点跨季储热技术，充分利用地热资源和废热循环利用实现清洁热的转型。

雷院士在演讲中表示，电氢耦合协调是实现双碳目标的重要抓手，并强调以电网为主，氢能为辅的电氢耦合协同的清洁能源输送模式，可以保障绿色能源安全供应和消费。氢能替代，更是实现工业、交通和建筑民生领域脱碳的重要手段。

最后，雷院士表示：“绿色转型是一个过程，不是一蹴而就的事情，要先立后破，而不能未立先破。在大力建设清洁能源的同时，依托技术创新和技术突破，实现氢能和经济能源等零碳能源的产业化和规模化，逐步完成化石能源的零碳替代，最终实现双碳目标。”