2020年,我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這不只是環(huán)保領(lǐng)域的概念,還將重構(gòu)整個(gè)能源產(chǎn)業(yè)。
在這樣的背景下,傳統(tǒng)高能耗、高碳排產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)如何轉(zhuǎn)型?以氫能、光伏和風(fēng)電為代表的新能源和可再生能源將如何發(fā)展?10月中旬,由中國(guó)科協(xié)指導(dǎo)、中國(guó)石化集團(tuán)公司主辦,上海市科協(xié)、上海石化等單位承辦的“碳達(dá)峰、碳中和背景下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展高端論壇”召開(kāi)。來(lái)自業(yè)界的院士專家和企業(yè)家齊聚一堂,共同探討我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展,凝聚共識(shí)、促進(jìn)合作,打造氫能產(chǎn)業(yè)鏈和經(jīng)濟(jì)生態(tài)圈,助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。
從生產(chǎn)成品油向生產(chǎn)化工材料轉(zhuǎn)型
石化產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的壓艙石和驅(qū)動(dòng)器,是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系的重要組成部分。21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,已形成完整的產(chǎn)業(yè)體系,具有自主設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)能力,生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)裝備水平大幅提升,總體步入世界先進(jìn)行列。但是,石化產(chǎn)業(yè)又具有資源型和能源型產(chǎn)業(yè)的屬性,是高耗能、高排放的產(chǎn)業(yè)。如何助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”,是石化產(chǎn)業(yè)的重大課題,也是影響深遠(yuǎn)的課題。
中國(guó)工程院院士王基銘介紹,目前,我國(guó)原油加工量和成品油消費(fèi)量位居世界第二,也是僅次于美國(guó)的世界第二大乙烯生產(chǎn)國(guó),但我國(guó)煉油業(yè)和化工行業(yè)產(chǎn)能總體過(guò)剩,化工行業(yè)結(jié)構(gòu)過(guò)剩更為突出。同時(shí),在我國(guó)工業(yè)部門中,石化工業(yè)的能源消耗總量比較大,僅次于冶金,居第二位。
他指出,雖然我國(guó)石化行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩,但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)及布局結(jié)構(gòu)等方面仍然存在著較大差距,尤其是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的高端化方面差距更加明顯,低端產(chǎn)品過(guò)剩、高端產(chǎn)品缺乏,結(jié)構(gòu)性的矛盾還比較突出。以乙烯為例,烯烴、芳烴是與工業(yè)生產(chǎn)和人民生活息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)原料,但我國(guó)乙烯消費(fèi)還有一半左右依賴進(jìn)口。
“技術(shù)進(jìn)步成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力,創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的第一驅(qū)動(dòng)力。”王基銘表示,綠色低碳的發(fā)展是必然趨勢(shì)。隨著氫能、生物基液體燃料、新能源汽車迅速發(fā)展,原油的需求明顯放緩,預(yù)計(jì)在2030~2035年達(dá)到需求峰值,但化工輕油的需求還有較高的增長(zhǎng)。這意味著,我國(guó)石化行業(yè)消費(fèi)格局發(fā)生了巨大變化,由生產(chǎn)成品油為主轉(zhuǎn)向生產(chǎn)化工材料為主。如今,我國(guó)進(jìn)入了新發(fā)展階段,隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和居民收入水平的不斷提高,給石化工業(yè)增長(zhǎng)提供了巨大的發(fā)展空間,也帶來(lái)了向產(chǎn)業(yè)鏈中高端升級(jí)的重大機(jī)遇。
王基銘建議,應(yīng)該堅(jiān)持深度煉化一體化,最大程度地實(shí)現(xiàn)化工原料、油品、能源的互供互用,上下游協(xié)同發(fā)展,將稀缺的石油資源“吃干榨凈”,重點(diǎn)保障我國(guó)日益增長(zhǎng)的基礎(chǔ)化工原料需求,增強(qiáng)石化產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。
光伏、風(fēng)電裝機(jī)容量將爆發(fā)式增長(zhǎng)
工業(yè)革命以來(lái),化石能源的大量使用極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,但對(duì)環(huán)境的影響也非常顯著:工業(yè)革命以來(lái),人類向大氣環(huán)境排放二氧化碳2.2萬(wàn)億噸,全球地表平均氣溫上升1.1攝氏度。按照此趨勢(shì),到本世紀(jì)中葉,全球地表平均氣溫上升將超過(guò)2攝氏度。
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)消耗了全球近1/2的煤炭,二氧化碳排放量占全球1/3、能源消費(fèi)占全球1/4,是目前世界上最大的二氧化碳排放國(guó)和能源消費(fèi)國(guó)。其中,我國(guó)48%的碳排放來(lái)自電力行業(yè)。
“電力行業(yè)脫碳和零碳,是我國(guó)能源變革的核心,也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。”上海交通大學(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士黃震建議,在能源供給側(cè),需建立以新能源為主體的全新電力系統(tǒng)。
目前,我國(guó)可再生能源的開(kāi)發(fā)規(guī)模已成為世界第一。以光伏和風(fēng)電為例,截至2020年底,我國(guó)光伏和風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到5.3億千瓦,未來(lái)還會(huì)繼續(xù)爆發(fā)式增長(zhǎng)。黃震預(yù)測(cè),到2030年預(yù)計(jì)達(dá)到18億千瓦。
和火電相比,光伏和風(fēng)電作為清潔能源的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬,但一直以來(lái),價(jià)格是最敏感的問(wèn)題之一,用得起才是決定能否推廣的關(guān)鍵因素。據(jù)黃震介紹,近年來(lái)光伏和風(fēng)電的成本都已大幅下降。20年前,光伏發(fā)電成本是5元/千瓦時(shí),而根據(jù)國(guó)家電投四川地區(qū)的最新數(shù)據(jù),減去生態(tài)費(fèi)用補(bǔ)貼,電的上網(wǎng)價(jià)已經(jīng)低于0.15元/千瓦時(shí)。
成本雖然有所下降,但以新能源為主的電力系統(tǒng)仍有很多關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)亟待進(jìn)一步攻克。黃震說(shuō),和穩(wěn)定供應(yīng)的火電不同,光伏、風(fēng)能等新能源具有不確定性、隨機(jī)性、波動(dòng)性的問(wèn)題,需進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)韌性,構(gòu)建互信交易機(jī)制,深化電力體制改革,打造“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”深度協(xié)同的電力系統(tǒng)。
在能源供給側(cè)方面,除了電力零碳化,還需要實(shí)現(xiàn)燃料零碳化。黃震表示,可以在電力零碳化的基礎(chǔ)上,用零碳電力制氫、制氨,以及制備合成燃料,用于車船等的動(dòng)力系統(tǒng),這些都是未來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向。
他舉例說(shuō),在冰島有一座以諾貝爾獎(jiǎng)獲得者喬治奧拉命名的能源示范工廠,利用地?zé)嶂苽錃錃?再用氫氣合成甲醇等化工原料。目前,國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員也在積極進(jìn)行利用可再生能源制備燃料的研究。
未來(lái)必不可少,安全可控是關(guān)鍵
要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”,氫能源的利用勢(shì)不可當(dāng)。
中國(guó)工程院院士曹湘洪介紹,氫能是未來(lái)間隙性、隨機(jī)性可再生能源系統(tǒng)中必不可少的能源載體,利用棄風(fēng)棄光的電力制成并儲(chǔ)存氫氣,或?qū)錃廪D(zhuǎn)化為能源類產(chǎn)品,更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)期儲(chǔ)存,有利于提高可再生能源利用效率。
他指出,利用先進(jìn)流程的天然氣制氫能效超過(guò)80%,燃料電池能效可達(dá)到90%、綜合能效達(dá)到72%,明顯高于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)60%的熱效率。使用燃料電池的新能源汽車百公里氫耗明顯低于同等質(zhì)量的汽油車的油耗。
“通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能或水電能等可持續(xù)清潔能源電解水,將產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存起來(lái),或作為燃料電池燃料以驅(qū)動(dòng)汽車,這是未來(lái)長(zhǎng)久的能源使用策略。”加拿大皇家科學(xué)院、工程院、工程研究院院士張久俊引用報(bào)告數(shù)據(jù)稱,預(yù)測(cè)到2025年氫能源的需求是目前的10倍,2030年全世界氫能源燃料電池汽車在1000萬(wàn)~1500萬(wàn)輛,市場(chǎng)總額能達(dá)到萬(wàn)億元級(jí)別。在他看來(lái),世界各國(guó)都在力圖通過(guò)發(fā)展氫能來(lái)解決未來(lái)能源安全問(wèn)題,占領(lǐng)國(guó)際能源領(lǐng)域的制高點(diǎn)。
“缺少核心技術(shù)、關(guān)鍵材料和裝備,制約了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。”曹湘洪分析表示,燃料電池在我國(guó)已呈現(xiàn)快速啟動(dòng)的態(tài)勢(shì),氫燃料電池輕型電車、家用社區(qū)用電池等各種氫的應(yīng)用場(chǎng)景也在積極探索和實(shí)踐中。但從綠電制氫、氫氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)郊託湔镜雀黝愑脷湓O(shè)施建設(shè),以及各種燃料電池技術(shù),我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平都存在比較大的差距,應(yīng)加大科技投入,盡快扭轉(zhuǎn)缺少核心技術(shù)、關(guān)鍵材料的局面。
曹湘洪認(rèn)為,以氫燃料電池汽車為主,結(jié)合綠氫制甲醇、綠氫冶金、綠氫供電供熱等多種應(yīng)用場(chǎng)景,積極發(fā)展氫能,是我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要戰(zhàn)略措施,也是逐步改變我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的社會(huì)系統(tǒng)工程。
但氫能源想要“飛入尋常百姓家”,首先要解決的問(wèn)題是安全。
“氫氣使用中的安全風(fēng)險(xiǎn)要可防可控。”中國(guó)工程院院士涂善東認(rèn)為,氫能利用未來(lái)可期,但安全技術(shù)應(yīng)該先行,然后是法規(guī)體系的完善,這是推動(dòng)其安全應(yīng)用的關(guān)鍵。
氫的危險(xiǎn)性主要有易泄漏、極寬的燃燒范圍、易燃易爆等。涂善東表示,氫能的本質(zhì)安全利用問(wèn)題需要關(guān)注本質(zhì)安全儲(chǔ)運(yùn)工藝和裝備技術(shù)。保障氫能本質(zhì)安全的基礎(chǔ)是材料,當(dāng)前行業(yè)迫切需要抗氫損傷的高強(qiáng)材料。其研究方向的第一個(gè)方法是用涂層覆蓋,第二個(gè)方法是阻止氫在材料內(nèi)部擴(kuò)散,第三個(gè)方法是在微結(jié)構(gòu)調(diào)控引入抗氫的成本。
儲(chǔ)氫技術(shù)各有優(yōu)劣,均無(wú)法兼顧安全、效率和成本。目前應(yīng)用較為廣泛、普遍看好的高壓儲(chǔ)氫技術(shù),仍然無(wú)法徹底消除泄漏、火災(zāi)、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)氫壓力容器、氫燃機(jī)等相關(guān)裝備的研制也無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,尤其加氫站建設(shè)嚴(yán)重滯后,是制約氫能發(fā)展的主要障礙。
他表示,希望在氫能制造裝備中,形成一種新的制造模式:一代材料、一代可靠性技術(shù)和一代先進(jìn)的裝備共同發(fā)展。
“氫氣的安全防控風(fēng)險(xiǎn)并不比汽油和天然氣更大。”曹湘洪介紹,氫氣爆炸濃度范圍為18.3%~59%,爆炸能量相當(dāng)于汽油的1/22。在日本,大阪市城東區(qū)加氫站液氫儲(chǔ)罐與居民區(qū)的距離僅18米,而且他們還在進(jìn)行氫能示范社區(qū)試點(diǎn),利用燃料電池機(jī)組自發(fā)供電,同時(shí)產(chǎn)生熱水。他指出,為提升加氫站安全性,地下儲(chǔ)氫技術(shù)、地下儲(chǔ)氫加氫站和地下儲(chǔ)氫油氫合建站標(biāo)準(zhǔn)的制定,同樣是當(dāng)前需要研究和突破的問(wèn)題。
“氫氣安全性能比汽油高,證明氫燃料電池汽車還是很安全的。”張久俊也表示,氫能的普及,一方面需要技術(shù)上的安全保障,另一方面要提高大眾對(duì)氫能的認(rèn)識(shí)。
數(shù)說(shuō)“氫”事
當(dāng)前全世界氫氣制造有96%來(lái)自化石能源,僅有4%來(lái)自電解氫或者化工、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氫。
截至2020年底,全球氫燃料汽車保有量3.25萬(wàn)輛,其中
亞洲占59%
北美占32%
歐洲占9%
2020年,我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為1199輛和1177輛;燃料電池汽車總量為7352輛,僅次于美國(guó)的8039輛,居全球第二位。預(yù)計(jì)2025年,我國(guó)燃料電池汽車保有量可達(dá)到10萬(wàn)輛,加氫站將超過(guò)600座。
截至2020年底,全球已有33個(gè)國(guó)家進(jìn)行加氫站布局,共建成584座加氫站,其中日本以近150座加氫站領(lǐng)跑。我國(guó)則是加氫站增長(zhǎng)最快的國(guó)家,目前已有超過(guò)100座加氫站投入運(yùn)營(yíng)。
我國(guó)氫能發(fā)展的特點(diǎn)
●政府推動(dòng)快速起步;
●煤炭目前是制氫的主要原料;
●儲(chǔ)運(yùn)分銷成本較高;
●缺少核心技術(shù)和裝備;
●法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn),制度有待于完善。
未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)六大趨勢(shì)
●替代柴油車的燃料電池汽車為主用戶;
●液氫、氫氣管道運(yùn)輸將得到發(fā)展;
●燃料電池工業(yè)發(fā)電將得到重視;
●氫儲(chǔ)能將成為主要儲(chǔ)能方法;
●近期以灰氫為主,中遠(yuǎn)期向藍(lán)氫、綠氫方向發(fā)展;
●難以減排領(lǐng)域氫能逐漸開(kāi)發(fā)利用。
原標(biāo)題：碳中和背景下，能源變革成為“必考題”
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