推動(dòng)氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)目關(guān)
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推動(dòng)氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)助力能源低碳轉(zhuǎn)型
來(lái)源:《中國(guó)電力報(bào)》 2022-04-28
推動(dòng)氫能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)助力能源低碳轉(zhuǎn)型
一“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃解讀之
八
顧大釗
“十四五”是能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時(shí)期，也是推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略的重要窗口期。《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱
《規(guī)劃》》提出了2025年前能源科技創(chuàng)新的總
體目標(biāo)，圍繞先進(jìn)可再生能源、新型電力系統(tǒng)、綠色高效化石能源開發(fā)利用等方面制定了技術(shù)路線圖，部署了示范工程，與《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》等文件有機(jī)銜接，相互配合?！兑?guī)劃》就氫能制儲(chǔ)輸用全鏈條關(guān)鍵技術(shù)提供了創(chuàng)新指引，為氫能的示范應(yīng)用和安全發(fā)展提供了重要指導(dǎo)。
氫能的定位和作用
氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部
分，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略的重要抓手，開發(fā)氫能先進(jìn)技術(shù)和推動(dòng)氯能產(chǎn)業(yè)化，也正在成為深入推進(jìn)能源供給和消費(fèi)革命的重要方向，其發(fā)揮的作用可以歸納為以下幾點(diǎn):
支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)。氫能既可以作為
儲(chǔ)能側(cè)的“穩(wěn)定器”，也可以作為用電側(cè)
的“燃料源”，是未來(lái)新型能源系統(tǒng)的重要補(bǔ)
充。氣能可成為部分場(chǎng)景下相較于電力更優(yōu)的
脫碳選擇，為能源轉(zhuǎn)型提供更高的靈活轉(zhuǎn)換能力。燃料電池?zé)犭娐?lián)供綜合效率高，是發(fā)展綜合能源的重要技術(shù)手段。針對(duì)海島、邊防等偏遠(yuǎn)地區(qū)，可構(gòu)建分布式電一氫耦合清潔供能系統(tǒng)，利用分布式電源制取氫氣，利用燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)供，滿足用戶多種用能需求。此外，固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)可以直接使用碳基燃料，與現(xiàn)有能源供應(yīng)系統(tǒng)兼容，在大中小型固定及分布式發(fā)電領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景;以氫氣為能源、低溫運(yùn)行的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，在中重型交通、建筑脫碳領(lǐng)域則有廣闊的發(fā)展空間。
推動(dòng)難脫碳領(lǐng)域深度脫碳。在工業(yè)領(lǐng)域，鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產(chǎn)過程中需要大量的高位熱能，可利用綠色氫能燃燒熱值高的特性，作為工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳的重要抓手。在
建筑領(lǐng)域，綠色氫能供熱將成為未來(lái)天然氣供
熱的替代。在現(xiàn)有天然氣管道中摻雜氫氣，可滿足建筑領(lǐng)域供熱需求，同時(shí)減少碳排放量，是氫能連接電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)的重要途徑，也是氫氣大規(guī)模普及的重要渠道。在交通領(lǐng)域，主要包括道路、鐵路、航空和船運(yùn)這四種方式，在完善的電力基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)下，動(dòng)力電池在道路交通上得到大規(guī)模應(yīng)用，但動(dòng)力電池特性不適用于重型道路交通和船舶、航空等場(chǎng)景，上述交通方式需要更多依靠氫能等方式滿足脫碳需求。
氫基合成綠色燃料和材料。氫氣可合成綠色燃料和材料，構(gòu)建零碳工業(yè)產(chǎn)品體系。隨著氫的能量屬性逐漸被重視，作為替代高碳燃料應(yīng)用于高熱值場(chǎng)景的氯基能源，綠氧合成氨、甲醇、甲烷、煤油等載能燃料進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)或綜合利用成為產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)，帶動(dòng)了傳統(tǒng)火電、航運(yùn)、航空等多個(gè)行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施再利用和深度脫碳。此外，綠氫與二氧化碳合成制取化工產(chǎn)品，提供大規(guī)模二氧化碳利用的機(jī)遇，有望成為重大顛覆性技術(shù)，對(duì)石油化工、煤化工體系產(chǎn)生革命性影響。
氫能的發(fā)展現(xiàn)狀及建議
從產(chǎn)業(yè)層面來(lái)看，我國(guó)氫能及燃料電池已
具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展基礎(chǔ)。產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)超過1000家，已初步形成京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角等氧能及燃料電池產(chǎn)業(yè)集群，以分布式能源領(lǐng)城、移動(dòng)通信基站以及城市客運(yùn)、物流等商用車型為先導(dǎo)開展了規(guī)?；痉哆\(yùn)行。從技術(shù)層面來(lái)
石，經(jīng)過4個(gè)五年國(guó)家科技計(jì)劃的組織實(shí)施，我
國(guó)燃料電池從電堆、系統(tǒng)到關(guān)鍵部件技術(shù)研發(fā)均取得一系列關(guān)鍵突破，形成了涵蓋制氫、儲(chǔ)
氮、氨安全、燃料電池及整車應(yīng)用等技術(shù)的產(chǎn)
學(xué)研用研發(fā)體系。同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，地方政府培育氫能產(chǎn)業(yè)鏈的積極性愈發(fā)高漲，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展同質(zhì)化苗頭有所顯現(xiàn)。另一方面，氫能產(chǎn)業(yè)處于產(chǎn)業(yè)化前
夜，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控是推動(dòng)我國(guó)氫
能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、走向全球產(chǎn)業(yè)鏈中高端的必行之舉?；谀壳爱a(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)提出如下建議:
“先立后破”，逐步推動(dòng)氫源結(jié)構(gòu)低碳化。與化石燃料制氫相比，可再生能源制氫成本近期較高，考慮氫能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，“煤制氫
+CCUS”、工業(yè)副產(chǎn)氫提純將有效發(fā)揮過渡支
撐作用，與可再生能源制氯技術(shù)將共同構(gòu)成未來(lái)清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系。在多元化的供應(yīng)格局中，技術(shù)發(fā)展程度取決于不同發(fā)展階段的適用性、經(jīng)濟(jì)性、能源效率和環(huán)境效益。對(duì)于可再生能源制氫而言,重點(diǎn)是提升現(xiàn)有制氫裝備技術(shù)水平以及規(guī)?；当?對(duì)
于化石能源制氫而言，重點(diǎn)足研發(fā)CCUS技術(shù)
來(lái)控制碳排放:工業(yè)到產(chǎn)氯則應(yīng)聚焦提純技術(shù)，在近期應(yīng)得到優(yōu)先利用。從中長(zhǎng)期看，加速推動(dòng)可再生能源制氫規(guī)模化發(fā)展，降低可再生氫成本，逐步替代化石燃料制氫，是實(shí)現(xiàn)氫能可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)有之義。
加速推進(jìn)核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備自主化。在核心技術(shù)、關(guān)鍵裝備自主化過程中應(yīng)堅(jiān)持重點(diǎn)突破與協(xié)同推進(jìn)相結(jié)合的原則，對(duì)于產(chǎn)業(yè)需求迫切、“卡脖子”現(xiàn)象嚴(yán)重、降本效益顯著的技術(shù)與裝備應(yīng)予以重點(diǎn)突破，對(duì)于前瞻性技術(shù)、儲(chǔ)備性技術(shù)、配套技術(shù)則協(xié)同推進(jìn)。結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與需求，制氫領(lǐng)域應(yīng)以可再生能源制氬為重點(diǎn)突破，攻關(guān)與可再生能源耦合負(fù)荷波動(dòng)下電解水系統(tǒng)，探索多能互補(bǔ)可再生能源電解水最優(yōu)容量配置，同時(shí)提升堿水制氫設(shè)
備電流密度，綜合提高和優(yōu)化PEM制氫電耗
設(shè)備成本與壽命性能，協(xié)同推進(jìn)副產(chǎn)氫提純技
術(shù)以及SOEC、光解水制氫、熱化學(xué)循環(huán)制氫
等前瞻性技術(shù)。儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域近期需聚焦氫能短途
運(yùn)輸密集、液氯民用開啟與天然氣摻氬示范三大發(fā)展趨勢(shì)，攻克50兆帕壓力等級(jí)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸;降低氫氣液化能耗、氫氣液化成本和液氫制備與儲(chǔ)運(yùn)裝置自主化以及管道運(yùn)氫核心技術(shù)，協(xié)同推進(jìn)輕質(zhì)化固體材料、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等技術(shù)。加注領(lǐng)域以降低加注成本為核心目標(biāo)，重點(diǎn)攻關(guān)氫氣壓縮機(jī)、70兆帕加氫機(jī)、傳感器、流量計(jì)等核心零部件及整機(jī)的自主化，協(xié)同推進(jìn)液氫儲(chǔ)氨加氨站、制氧加氫一體站技術(shù)研發(fā)。燃料電池領(lǐng)域考慮多應(yīng)用場(chǎng)景兼顧低溫與高溫燃料電池，長(zhǎng)壽命PEM系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件自主化、低載鉑量催化劑開發(fā);高耐久性 SOFC電極材料、低成本量產(chǎn)技術(shù)，性能提升、集成優(yōu)化設(shè)計(jì);MCFC堆疊技術(shù)優(yōu)化，百于瓦級(jí)功率放大足主要攻關(guān)目標(biāo)。氯安全領(lǐng)域關(guān)鍵在于要著力加強(qiáng)氣能安全的基礎(chǔ)理論研究，例如氫能設(shè)施與設(shè)備的材料適用性與相容性研究、氫泄漏的預(yù)防與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究、應(yīng)急處置裝備等。
完善頂層設(shè)計(jì)體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)
展。氣能納入能源管理范疇，以推進(jìn)氣能服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)加強(qiáng)安全監(jiān)管。安全是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的命脈，從氫能使用的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)行和維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有足夠高的可靠性，包括人員的可靠
性。
強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)手段，準(zhǔn)確把握氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，充分吸取國(guó)內(nèi)風(fēng)電、光伏以及新能源汽車發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。一是宜氫則氫、準(zhǔn)確定位，確立清潔低碳和靈活高效的氫能技術(shù)發(fā)展布局?；跉淠茉谀茉崔D(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)下的發(fā)展定位以及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須緊緊圍繞上述氯能的核心優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，年點(diǎn)布局氣能與可再生能源協(xié)同發(fā)展、工業(yè)清潔化生產(chǎn)以及基于燃料電池技術(shù)的交通運(yùn)輸動(dòng)力系統(tǒng)。二是把技術(shù)水平作為制定氫能發(fā)展路徑的依據(jù)。在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期階段，堅(jiān)持“示范先行”原則，在基于技術(shù)自主可控的前提下推動(dòng)燃料電池汽車示范應(yīng)用上，探索開展制氯示范、裝備技術(shù)研發(fā)示范，并結(jié)合各地資源稟賦設(shè)立綜合發(fā)展示范區(qū)，逐步在制氫、儲(chǔ)能、氫冶金、綠色化工等其他應(yīng)用領(lǐng)域開展示范，按照成熟一個(gè)、推進(jìn)一個(gè)的原則以點(diǎn)帶面地推動(dòng)多領(lǐng)域示范推廣應(yīng)用，帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展，以避免產(chǎn)業(yè)鏈重復(fù)建設(shè)和無(wú)序發(fā)展。(作者系中國(guó)工程院院士)
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