綠氫正在成為“明星”的道路上越走越遠(yuǎn)。
近年來(lái),綠氫這一名號(hào)逐漸“出圈”,愈來(lái)愈“知名”,追根究底,來(lái)源于愈演愈烈的“氫能熱”。
氫能是一種清潔、可持續(xù)的新能源,其能靈活高效地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的能源之一。然而,氫不以原子形式自然存在,需要用其他能源從化合物中提取氫氣。
由于制氫方法的不同,氫氣按照生產(chǎn)來(lái)源分為綠氫、藍(lán)氫和灰氫三類(lèi)。
當(dāng)今,占全球氫氣產(chǎn)量比例最大的是灰氫,其通過(guò)煤炭、石油等化石燃料制取。然而,制取灰氫的過(guò)程中會(huì)造成碳排放,根據(jù)化石燃料種類(lèi)的不同,每生產(chǎn)1kg的氫,就會(huì)導(dǎo)致5.5-10kg不等的二氧化碳產(chǎn)生。
對(duì)化石燃料制氫過(guò)程中排放的二氧化碳使用碳捕捉、封存(CCS)技術(shù)降低其碳排放水平,由此而生產(chǎn)的氫氣則是藍(lán)氫。
綠氫是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源通過(guò)電解水方式獲取的氫氣,這種制氫方法可以達(dá)到碳排放凈零。但值得注意的是,使用化石燃料轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行水電解工序并非是在生產(chǎn)綠氫,而是一種本末倒置。
綠氫:大勢(shì)所趨
制氫的方式多種多樣,但嚴(yán)格來(lái)說(shuō),只有綠氫符合利用氫能作為能源的初衷。現(xiàn)有的努力方向是推動(dòng)灰氫變藍(lán)氫,繼而向綠氫方向轉(zhuǎn)化,綠氫的生產(chǎn)已然是大勢(shì)所趨。
氣候變化是當(dāng)今全球面臨的重大挑戰(zhàn)。人類(lèi)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的大量二氧化碳造成全球氣候變暖,將導(dǎo)致自然災(zāi)害及生物鏈的斷裂,危及人類(lèi)生存。自1992年《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》起,全球都致力于應(yīng)對(duì)全球氣候變化的活動(dòng)。2016年4月22號(hào),《巴黎協(xié)定》由175個(gè)國(guó)家正式簽署,并于2020年11月正式生效,其中包括盡快實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體排放達(dá)到峰值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體凈零排放的目標(biāo)。
化石燃料的燃燒是碳排放的主要來(lái)源之一,也是現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分?;覛涫亲畛R?guī)的制氫技術(shù),普遍應(yīng)用于化工行業(yè),以化石燃料制氫為主,同樣會(huì)排放大量的二氧化碳,不符合減少碳排放的戰(zhàn)略方向。
與之相對(duì),綠氫的制取使用可再生的清潔能源,且最終的燃燒產(chǎn)物是水,對(duì)環(huán)境友好。這一優(yōu)勢(shì)使綠氫相較于化石能源和灰氫等更加適合應(yīng)對(duì)全球氣候變化的現(xiàn)狀,是更為理想的能源載體。
因此,展望未來(lái),綠氫將是大勢(shì)所趨。
綠氫:任重道遠(yuǎn)
作為一種理想的能源載體,綠氫產(chǎn)生的氫能應(yīng)用廣泛,覆蓋交通運(yùn)輸、太空、供電等領(lǐng)域的多個(gè)方面。
目前,陸地、水域、航空交通運(yùn)輸系統(tǒng)仍舊主要依賴于化石能源,交通運(yùn)輸領(lǐng)域產(chǎn)生的大量碳排放仍是全球氣候變化的重要影響因素之一。綠氫清潔、可持續(xù)的特點(diǎn)可以回避這一問(wèn)題,以氫能作為能源的交通工具能夠有效減少碳排放。除此之外,在諸如潛艇、航空渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域,氫能也有續(xù)航能力及效率等方面的優(yōu)勢(shì)。
在太空發(fā)射推進(jìn)劑方面的應(yīng)用是氫能常見(jiàn)的用途之一,相較于傳統(tǒng)煤油燃料具有更快的噴射速度及一定條件下更高的有效荷載量。清潔的綠氫將有效減少在太空領(lǐng)域液氫制取過(guò)程中存在的問(wèn)題。
在供電領(lǐng)域,氫能在手機(jī)、筆記本電腦等便攜式設(shè)備供電、應(yīng)急電源、獨(dú)立微型電網(wǎng)等方面都是理想的選擇??稍偕鍧嵕G氫將為氫能在上述方面應(yīng)用進(jìn)程的推進(jìn)以及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的全球戰(zhàn)略布局添磚加瓦。
正如所述,綠氫在多種應(yīng)用領(lǐng)域都有著一定的優(yōu)勢(shì),其二氧化碳零排放的特點(diǎn)更是順應(yīng)了全球能源戰(zhàn)略和中國(guó)“2030碳達(dá)峰,2060碳中和”目標(biāo)的需要。2020年12月29日,由中國(guó)氫能聯(lián)盟提出的《低碳?xì)?、清潔氫與可再生能源氫的標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)》正式發(fā)布實(shí)施,正式建立了綠氫標(biāo)準(zhǔn)。此外,為推動(dòng)綠氫的發(fā)展,全球各國(guó)都制定了相應(yīng)的氫能政策,如日本《能源基本計(jì)劃》、美國(guó)《國(guó)家氫能發(fā)展路線圖》等,中國(guó)也不例外。
目前,氫能已經(jīng)納入我國(guó)能源戰(zhàn)略,以一系列相關(guān)政策支持綠氫的發(fā)展,政策內(nèi)容涉及戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)規(guī)劃、財(cái)政補(bǔ)貼等方面。
整體戰(zhàn)略上,《政府工作報(bào)告》及“十三五”、“十四五”規(guī)劃均指出氫能的與燃料電池產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性地位,將發(fā)展氫能列為重點(diǎn)任務(wù),為氫能產(chǎn)業(yè)政策的制定奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí),為氫能產(chǎn)業(yè)制定了發(fā)展規(guī)劃,《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》、《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了方向性引導(dǎo)。
技術(shù)方面,制定了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》、《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新及企業(yè)參與,并將“可再生能源與氫能技術(shù)”列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,提供對(duì)氫能技術(shù)研發(fā)的支持。
國(guó)家對(duì)氫能一直提供了大力的財(cái)政補(bǔ)貼支持,包括且不限于2018年《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》、2020年《關(guān)于完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》。
可以看出,對(duì)于綠氫的發(fā)展,國(guó)家給予了相當(dāng)程度的重視與支持。然而放眼望去,綠氫前進(jìn)的路途依舊多舛。
擋在綠氫發(fā)展道路上的“障礙”之一是行業(yè)政策的不完善。綠氫交易的發(fā)展是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路,然而這一方面尚需政策的完備和發(fā)展 。
綠氫交易指碳排放權(quán)交易,主要利用市場(chǎng)機(jī)制控制和減少碳排放,在控制碳排放總量的同時(shí)通過(guò)交易促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型。1997年,《京都議定書(shū)》規(guī)定了三種碳交易機(jī)制來(lái)規(guī)范國(guó)際碳交易市場(chǎng),2005年《京都議定書(shū)》正式生效后,全球碳交易市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了大幅的增長(zhǎng)。2011年,我國(guó)北京、上海、天津等七個(gè)省市宣布實(shí)施碳排放試點(diǎn)交易,并從中得到了碳市場(chǎng)交易的寶貴經(jīng)驗(yàn)。直至2021年1月,《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》的公布邁出了綠氫交易政策完善的第一步。
另一個(gè)“障礙”來(lái)自綠氫自身。國(guó)際可再生能源署、中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布《綠氫政策制定指南》指出:綠氫的生產(chǎn)成本較灰氫更高,可達(dá)灰氫價(jià)格的兩到三倍,其成本的降低有賴于技術(shù)的進(jìn)步。而在其制取的過(guò)程中,還會(huì)有30%-35%的能量損失,轉(zhuǎn)化為其他載體的過(guò)程中也會(huì)造成13%-25%的能量損失,耗損率大。
在綠氫與灰氫的成本差異問(wèn)題上,沈威、楊煒櫻發(fā)表的《考慮碳排放在內(nèi)的化石能和電解水制氫成本研究》進(jìn)行了不同制氫方法所需的成本分析,結(jié)果如下[1]:
可以看出,低谷電(居民生活用電峰谷電,即低谷時(shí)段的居民用電)及大工業(yè)用電(大規(guī)模工業(yè)用電)的制氫成本基本達(dá)到了化石能源制氫的兩到三倍。相對(duì)而言,利用可再生能源棄電,即“棄風(fēng)、棄光、棄水”問(wèn)題產(chǎn)生的棄電,制氫成本最低,約為10元/kg。
但是,由于“棄風(fēng)、棄光、棄水”問(wèn)題多發(fā)生在地廣人稀的偏遠(yuǎn)地區(qū),當(dāng)?shù)叵{能力不足,外送能力有限,用棄電制取的氫氣需要輸送到用氣需求大的東南部。因此,仍存在氫氣儲(chǔ)運(yùn)方面的問(wèn)題,同時(shí)增加棄電制氫的成本。
綠氫依然具有氫氣的特性,其儲(chǔ)存較為困難?,F(xiàn)有的儲(chǔ)存方式包括高壓儲(chǔ)氫罐、物理吸附、化學(xué)氫化物及液化等,其儲(chǔ)存技術(shù)復(fù)雜且昂貴,且由于氫氣本身密度低、體積大,存儲(chǔ)效率較低。
不止在儲(chǔ)存方面,氫氣的運(yùn)輸及配送也面臨著難題。由于儲(chǔ)存效率低,利用交通進(jìn)行綠氫運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中需要的能源消耗較大。相比之下,通過(guò)氫氣輸送管道進(jìn)行運(yùn)輸效率會(huì)更高。然而,基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏導(dǎo)致管道運(yùn)輸依然無(wú)法解決氫氣運(yùn)輸?shù)碾y題。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2020年底,全球僅有584座加氫站、5000公里氫氣輸送管道,而天然氣的輸送管道超過(guò)300萬(wàn)公里。
注釋:
[1]沈威,楊煒櫻.考慮碳排放在內(nèi)的化石能和電解水制氫成本研究[C].中國(guó)燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)與安全研討會(huì) (第十屆)暨中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì)2019年學(xué)術(shù)年會(huì) 論文集.天津:《煤氣與熱力》雜志社有限公司,2020.516-522.
由于廣泛且便利的應(yīng)用途徑以及清潔、可持續(xù)的優(yōu)勢(shì),在當(dāng)今全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中,綠氫備受矚目。在全球能源戰(zhàn)略的引導(dǎo)和相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范下,綠氫有望提速發(fā)展。然而,綠氫面臨的行業(yè)政策不完善、成本高、能量損失大、儲(chǔ)運(yùn)困難等難題仍需解決,綠氫的發(fā)展尚且有賴于技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)行業(yè)政策體系的健全。
綠氫發(fā)展之路任重道遠(yuǎn)。
(文中數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))
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