□ 吳昊
近日，上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等六部門印發(fā)《上海市科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案》，提出“電力多元高效轉(zhuǎn)換”，研究將電力高效轉(zhuǎn)換成熱能、化學(xué)能等形態(tài)能量的相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可再生能源電力的轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存和多元化高效利用。
作為全球多個(gè)領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型的解決方案，電力多元化轉(zhuǎn)換（Power-to-X）近年來受關(guān)注度逐漸提升，其中，由可再生能源制取的綠氫將發(fā)揮重要的作用。清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系教授史翊翔日前接受采訪時(shí)指出，Power-to-X模式發(fā)展的一個(gè)重要邏輯是將可再生電力制取的綠氫轉(zhuǎn)化為烴、醇、氨等氫載體，這對(duì)于降低我國石油、天然氣的對(duì)外依存度、保障我國的能源安全具有極為重要的意義。
重構(gòu)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)
隨著綠電、綠氫等技術(shù)的發(fā)展，電力多元轉(zhuǎn)換已逐漸成為諸多領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型的重要方向。中國石油大學(xué)新能源與材料學(xué)院教授周紅軍表示，“Power-to-X起源于電轉(zhuǎn)氣（Power-to-Gas），主要包括氫和甲烷，后來Gas發(fā)展成‘X’，既有氣態(tài)，也有液態(tài)和固態(tài)，比如，甲醇、氨、尿素等。”
周紅軍認(rèn)為，未來，光伏、風(fēng)電技術(shù)將持續(xù)進(jìn)步，以煤油氣為一次能源、電為二次能源向以綠電為一次能源、綠氫為二次能源的能源革命進(jìn)程不斷加快，這一能源革命將重構(gòu)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是高碳產(chǎn)業(yè)。他介紹，氫能應(yīng)用主要有四個(gè)大方向：煉油化工、合成氨、甲醇、鋼鐵，其中，用電制氫生產(chǎn)合成氨、甲醇，以及煉鋼將成為未來的主流。
在史翊翔看來，隨著未來綠氫成本的持續(xù)降低，綠氫有望成為一些難以脫碳的工業(yè)領(lǐng)域共同的脫碳解決方案，用于煉油、化工、鋼鐵等行業(yè)的深度脫碳。他強(qiáng)調(diào)，氫作為一種重要的化工原料，可以用于加氫處理等化工過程，在化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠氫的全部或者部分替代，可以降低化工工藝過程中的碳排放。
與此同時(shí)，作為電力多元轉(zhuǎn)換的“主力”，綠氫的發(fā)展對(duì)于未來大規(guī)?？稍偕茉吹南{也十分重要。史翊翔指出，利用可再生能源制取氫氣可以將波動(dòng)性的可再生能源電力以氫的化學(xué)能形式存儲(chǔ)，可供后續(xù)發(fā)電使用，還可以存儲(chǔ)之后進(jìn)行運(yùn)輸和配送，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)能，進(jìn)而促進(jìn)可再生能源電力的大規(guī)模發(fā)展與能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。
“把電變成氫，相當(dāng)于打通了產(chǎn)業(yè)鏈，電力進(jìn)入了主流的基礎(chǔ)化工燃料領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、長周期的存儲(chǔ)和運(yùn)輸。”中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“氫促會(huì)”）相關(guān)專家表示，氫能具有能源及物質(zhì)雙屬性，可廣泛用于交通、能源、化工、電子等領(lǐng)域的清潔減碳路線，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電、熱、氣、冷等耦合，有力支撐可再生能源高比例、規(guī)模化發(fā)展。
加速多元探索
當(dāng)前，以綠氫為主的電力多元轉(zhuǎn)換的探索逐步加快。史翊翔表示，“在‘雙碳’目標(biāo)背景下，我國綠氫產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展，在交通、冶金、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。比如，去年11月，中石化宣布建設(shè)全球最大的光伏綠氫生產(chǎn)項(xiàng)目；今年2月，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司擬建設(shè)的二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)示范項(xiàng)目，有望同步實(shí)現(xiàn)可再生能源的存儲(chǔ)與二氧化碳的資源化利用。”
今年8月28日，三峽集團(tuán)首個(gè)制氫項(xiàng)目——內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目正式開工建設(shè)。據(jù)東方江峽產(chǎn)投副總經(jīng)理李航介紹，項(xiàng)目包括光伏電站及制氫廠兩部分，光伏電站總裝機(jī)規(guī)模為400兆瓦。建成后，項(xiàng)目總發(fā)電量的20%將直接輸送至當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，剩余80%則全部用于電解水制氫，每年可生產(chǎn)氫氣約1萬噸，副產(chǎn)氧氣8.5萬噸。
據(jù)了解，該項(xiàng)目制出的高純氫氣大部分通過新建的2公里輸氫管道直接輸送至下游合成氨工廠，剩余部分增壓后裝車運(yùn)輸至附近加氫站；所產(chǎn)氧氣一部分經(jīng)加壓后運(yùn)送至當(dāng)?shù)鼗て髽I(yè)，另一部分液化后裝車外送，提供給其他有需求的單位。李航表示，作為清潔能源供應(yīng)商，三峽集團(tuán)積極推進(jìn)氫能參與構(gòu)建清潔二次能源網(wǎng)絡(luò)，將為能源產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展提供重要契機(jī)。
對(duì)于綠氫制綠氨，寧東的合成氨項(xiàng)目是一個(gè)重要的“標(biāo)桿”。在寧夏，中國石油大學(xué)與和寧化學(xué)有限公司在2020年啟動(dòng)合作，利用當(dāng)?shù)毓夥l(fā)電制氫，之后用綠氫合成氨，然后再生產(chǎn)尿素。周紅軍指出，在綠電與綠氫轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下，合成氨工業(yè)將由傳統(tǒng)的化肥應(yīng)用場(chǎng)景向更多場(chǎng)景拓展，除化肥生產(chǎn)外，綠氨還可用于船用燃料代重油，即未來的“綠色石油”，或者用于傳統(tǒng)煤電廠燃料代煤減碳調(diào)峰，擔(dān)當(dāng)儲(chǔ)能角色。
此外，綠氫在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用也被寄予厚望，并且已在多地加快布局。據(jù)周紅軍介紹，中國石油大學(xué)與中晉太行公司合作在山西左權(quán)已建設(shè)世界上第一個(gè)采用焦?fàn)t氣為原料的30萬噸/年氣基直接還原鐵示范廠，已于2020年底開車，正在消缺。其中的焦?fàn)t氣凈化和二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化采用該校開發(fā)的新工藝技術(shù)，解決了還原氣來源的瓶頸問題。
亟須技術(shù)突破
“未來，綠氫在我國的發(fā)展?jié)摿薮蟆?rdquo;史翊翔表示，隨著可再生能源電力成本的降低與電解槽能效的提升，綠氫將具備成本競(jìng)爭(zhēng)力，綠氫的應(yīng)用市場(chǎng)也會(huì)得到持續(xù)發(fā)展。但與此同時(shí)，綠氫發(fā)展也需要突破諸多瓶頸。例如，氫的高效儲(chǔ)存以及大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸運(yùn)問題是制約綠氫大規(guī)模發(fā)展的瓶頸。
在史翊翔看來，目前綠氫發(fā)展的主要痛點(diǎn)在于成本，反映在技術(shù)角度就是電解水制氫的能效和波動(dòng)電力的適應(yīng)性問題。他表示，目前我國電解制氫采用的多是技術(shù)成熟度比較高的堿水電解，單臺(tái)堿槽最大產(chǎn)氣量可達(dá)1000立方米/小時(shí)以上，規(guī)模指標(biāo)還在不斷提升，但電耗仍然居高不下，制取每標(biāo)方氫氣的電耗達(dá)到4.8千瓦時(shí)以上，且不易適應(yīng)可再生電力的強(qiáng)波動(dòng)特性，亟須著力技術(shù)創(chuàng)新。
對(duì)此，氫促會(huì)相關(guān)專家也表示，成本問題是綠氫發(fā)展目前的主要瓶頸，“從項(xiàng)目收益考慮，電價(jià)應(yīng)該在0.2元左右，但目前新能源成本仍然在0.25元以上”。同時(shí)，就綠氫制綠氨而言，他認(rèn)為，地域分布問題也是一大難題，“鄂爾多斯的制氫項(xiàng)目對(duì)面就是合成氨廠，如果制氫與合成氨廠址距離變長，項(xiàng)目就不能建；由于化工廠建設(shè)周期較長，審批程序也比風(fēng)光電站難，所以制氨廠與風(fēng)光項(xiàng)目同步建設(shè)也不太現(xiàn)實(shí)，需要新能源制氫項(xiàng)目建在制氨廠附近。”
同時(shí)，綠氨目前還存在規(guī)模匹配的問題，該專家指出，由于年產(chǎn)30萬噸以下的制氨廠已經(jīng)不予審批，目前多數(shù)制氨項(xiàng)目規(guī)模都是百萬噸級(jí)，“假設(shè)電站年發(fā)電8000小時(shí)，40萬千瓦的規(guī)模一年產(chǎn)氫量?jī)H1萬噸氫，如果是間歇性電力，比如光伏發(fā)電，年產(chǎn)1萬噸氫可能需要100萬千瓦以上的規(guī)模，而30萬噸氨對(duì)應(yīng)6萬噸氫，這樣的制氨規(guī)模至少需要600萬千瓦的光伏電站”。
為此，該專家認(rèn)為，合成氨技術(shù)需要進(jìn)步。“我們已經(jīng)找到了一些新的方法，比如，小型化合成氨，也就是撬裝式的合成氨廠，產(chǎn)能為3000噸~20,000噸，這樣只需要匹配10萬千瓦以上的發(fā)電規(guī)模。”上述專家表示
評(píng)論