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被譽(yù)為“21世紀(jì)終極能源”的氫能，與時(shí)下受熱捧的“風(fēng)、光、水、核”等新能源之間，有著怎樣的關(guān)系？

新能源“遠(yuǎn)慮”

今年的夏天似乎又比往年熱了一些，山東、上海、浙江、福建、河南、重慶......半個(gè)中國(guó)都出現(xiàn)了多日破40度的極端高溫天氣，戶外煎雞蛋也已算不得新鮮事。

不僅僅是國(guó)內(nèi)，歐洲、美洲、澳洲等世界各地，均出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的熱浪，北極氣溫甚至一度突破30度，熱到穿短袖。

種種跡象，均在提醒著人們氣候變化問(wèn)題的存在，以及節(jié)能減排的重要性。

為此，在“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的引導(dǎo)下，大力推動(dòng)以風(fēng)電、光電、水電以及核電新能源發(fā)展已經(jīng)成為世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的共識(shí)（部分國(guó)家對(duì)核電發(fā)展持謹(jǐn)慎態(tài)度）。

過(guò)去五年，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量從2016年底的0.77千瓦，提升至2021年底的3.06億千瓦，增長(zhǎng)約四倍；風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量從1.64億千瓦，提升至3.28億千瓦，實(shí)現(xiàn)翻倍；水力發(fā)電裝機(jī)容量從3.44億千瓦，提升至3.91億千瓦；核電裝機(jī)容量從0.33億千瓦，提升至0.53億千瓦。


另從實(shí)際發(fā)電量來(lái)看，2021年，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電5667億千瓦時(shí)，占比6.99%；核能發(fā)電4075.2億千瓦時(shí)，占比5.02%；火力發(fā)電57702.7億千瓦時(shí)，占比71.13%；水力發(fā)電11840.2億千瓦時(shí)，占比14.60%；光伏發(fā)電1836.6億千瓦時(shí)，占比2.26%。

可以看到，清潔能源已然成為我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，并呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

不過(guò)，以更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的視角觀察，環(huán)保、可再生等優(yōu)勢(shì)背面，清潔能源還存在一些可能被掣肘之處。

一方面是時(shí)間、空間的限制。

例如光伏，不僅只能在白天使用，而且對(duì)太陽(yáng)照射量有著較高要求，遇到雨天、陰天、多云天氣便會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電效率；風(fēng)力發(fā)電機(jī)則需要安放在草原、海洋等多風(fēng)地區(qū)，且需要達(dá)到四、五級(jí)風(fēng)才能充分發(fā)揮作用。

8月5日，由雁棲湖研究院主辦的第四屆雁棲湖論壇上，中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林介紹，我國(guó)光伏發(fā)電每年平均可利用時(shí)間約為800小時(shí)，風(fēng)力發(fā)電約為1200小時(shí)，受“時(shí)、空”限制較大。這一數(shù)據(jù)亦與前文“發(fā)電量/裝機(jī)容量”比值接近。

至于水力發(fā)電，隨著多年的開(kāi)發(fā)建設(shè)，我國(guó)河流適宜建設(shè)水力發(fā)電站的區(qū)域已經(jīng)不多，未來(lái)增量有限。王中林同時(shí)分析，海洋能量巨大，理論上海洋每年能夠提供的能量，是全世界總耗能的四倍半，但由于海洋屬于動(dòng)作慢、頻次低的低強(qiáng)度能源，在現(xiàn)有主流技術(shù)條件下，收集困難。

相比風(fēng)、光，水力發(fā)電已經(jīng)接近階段性天花板，近年增速明顯降低。

另一方面是隨機(jī)性、不穩(wěn)定性較強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)提出了更嚴(yán)苛的要求。

受天氣條件限制，風(fēng)能、太陽(yáng)能容易出現(xiàn)間歇性發(fā)電的狀況，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)實(shí)際使用效率降低、供電電壓與頻率不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生浪涌電流，破壞電力設(shè)備。雁棲湖論壇上，中能融合智慧科技有限公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)王海即表示，“新能源的消納，將成為未來(lái)新型電力系統(tǒng)的主要矛盾”。

除此之外，光伏硅片、風(fēng)機(jī)葉片等設(shè)備，還存在生產(chǎn)成本偏高、維護(hù)難度較大等問(wèn)題。

為什么是“氫”？

新能源優(yōu)勢(shì)明顯，劣勢(shì)同樣存在，為了解決這些問(wèn)題，各方參與者都在積極尋求辦法，如鈉電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、建設(shè)新型智慧電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)光水火”多能互補(bǔ)。

這其中，氫能是受關(guān)注度最高的方向之一，甚至被譽(yù)為“21世紀(jì)的終極能源”。

之所以能獲得如此美譽(yù)，原因在于“氫”的三大主要優(yōu)勢(shì)。

一是同樣環(huán)保。

在今年初落幕的北京冬奧會(huì)，投入使用的氫能源汽車(chē)超過(guò)1000輛。而氫燃料電池的排放物基本只有水。

二是適用性強(qiáng)，“用武之地”眾多。

據(jù)中國(guó)工程院院士、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授、“雁棲湖論壇·鴻雁獎(jiǎng)”獲得者彭蘇萍介紹，2015年之前，我們僅僅孤立地看到“氫”作為“能源”使用這一單一用途。但實(shí)際上，氫既是原料（制氨，生產(chǎn)化肥），又是能源，還可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)，它在作為清潔能源使用的同時(shí)，還能夠與電能耦合，增加電力系統(tǒng)的靈活性，彌補(bǔ)電力不可存儲(chǔ)的問(wèn)題，進(jìn)而彌補(bǔ)“風(fēng)、光、水”點(diǎn)穩(wěn)定性差的狀況，實(shí)現(xiàn)不同能源網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同優(yōu)化。

三是來(lái)源廣泛，制備“性價(jià)比”高。


氫能的制備有化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫和電解水制氫等主要路徑，我國(guó)目前以化石燃料制氫中的煤制氫，以及工業(yè)副產(chǎn)品中的氯堿副產(chǎn)品制氫為主。

我國(guó)一直是一個(gè)“富煤、少油、缺氣”的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)，以煤炭為原料的火力發(fā)電占據(jù)著電力系統(tǒng)的主流，煤化工亦蓬勃發(fā)展。這就為煤制氫提供了充足的原料以及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，能夠以較低成本大規(guī)模制氫，同時(shí)，煤制氫還能夠幫助消納產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整下煤化工的剩余產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)雙向互補(bǔ)的效果。

但值得注意的是，化石燃料制氫過(guò)程中，還是會(huì)產(chǎn)生較多的二氧化碳排放，且含有硫等雜質(zhì)，提純成本大，此類氫氣又被稱為“灰氫”。當(dāng)然，這一問(wèn)題可以通過(guò)提高能源效率、二氧化碳再利用的方式進(jìn)行緩解，因此其依舊是氫能利用探索發(fā)展的重要方向之一，如中海油近年裝備運(yùn)行的E-Gas煤制氫聯(lián)合裝置，在碳轉(zhuǎn)化率、熱利用效率、耗氧等指標(biāo)方面均有突破，較傳統(tǒng)工藝成本可降低20%至25%。

氯堿副產(chǎn)制氫具有氫氣提純難度較小、耗能低、自動(dòng)化程度高以及無(wú)污染的特點(diǎn)，由此制取的氫氣被稱為藍(lán)氫，鴻達(dá)興業(yè)、濱化股份、嘉化能源等公司均具備氯堿制氫能力。

不過(guò)，顧名思義，工業(yè)副產(chǎn)品制氫在生產(chǎn)規(guī)模上會(huì)受“主產(chǎn)品”產(chǎn)量限制，難以滿足日益增長(zhǎng)的氫能需求，這還是以氫能為主的燃料電池尚未出現(xiàn)突破式發(fā)展的情況下。

相比之下，通過(guò)電解水等手段制取的氫氣被稱為綠氫，制氫工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，過(guò)程不會(huì)排放溫室氣體，而且得到的氫氣純度高，但目前由于耗電量大，推高了成本，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

傳統(tǒng)和未來(lái)的“粘合劑”

三種主要制氫方式各有難點(diǎn)，似乎只能苦等技術(shù)突破，如此背景下，彭蘇萍提出的氫能電能耦合理念，打開(kāi)了一條全新的思路。

第一部分提及，風(fēng)、光等分布式新能源發(fā)電方式，存在時(shí)空受限明顯，間歇性強(qiáng)、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，而如果將此類電能用以制氫，便可以達(dá)到儲(chǔ)能調(diào)峰的效果，化解上述劣勢(shì)，特別是近年在德國(guó)、新加坡出現(xiàn)并慢慢成熟固體氧化物電解池技術(shù)，可以將傳統(tǒng)集中制氫模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际街茪?，更加便于光伏等發(fā)電模式的使用。

彭蘇萍同時(shí)指出，之所以現(xiàn)階段業(yè)內(nèi)對(duì)“灰氫”、“綠氫”差別以待，認(rèn)為后者優(yōu)于前者，一個(gè)很重要的原因在于燃料電池技術(shù)（而非制氫技術(shù)）的落后，如果能夠提升燃料電池工作溫度（到130度，目前約90度），“灰氫”問(wèn)題便迎刃而解。

除了氫能，“雙碳”目標(biāo)指引下，還有更多可行性正在被探索。

例如王中林舍棄了主流電磁發(fā)電機(jī)方向，將目光直接投向自然界中廣泛存在但卻難以收集的分布式、碎片化能量，致力于摩擦納米發(fā)電機(jī)的研發(fā)。

該發(fā)電機(jī)是一種基于麥克斯韋位移電流原理，能夠?qū)h(huán)境中的低頻次、低振幅的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。通俗來(lái)講，即利用微小的震動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，能夠填補(bǔ)電磁發(fā)電機(jī)適用場(chǎng)景的空缺，并有著更高的使用效率。

該技術(shù)目前在微納能源、智能紡織與傳感等部分領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，例如“自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器”，無(wú)需額外電源，僅借助人體自身“呼吸”等動(dòng)作即可維持運(yùn)轉(zhuǎn)，已進(jìn)入小試階段。

王中林介紹，該技術(shù)還可以應(yīng)用于海洋能源的收集，即通過(guò)將摩擦納米發(fā)電機(jī)制作成球形，通過(guò)球中套球等手法，利用海浪帶來(lái)的動(dòng)力形成摩擦，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

當(dāng)然，考慮到工藝難度與制造成本，這或許是一個(gè)比氫能更加“未來(lái)”的技術(shù)。

原標(biāo)題：下一站，氫能