海水淡化工程，這個看起來離內(nèi)陸地區(qū)十分遙遠(yuǎn)的技術(shù)應(yīng)用手段，竟然能夠跨越千山，在西部地區(qū)，幫助那里的風(fēng)力發(fā)電機和光伏發(fā)電機解決一個重大的難題——儲能。這一構(gòu)思背后非比尋常的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟成本考量到底是怎樣的？它的可行性和痛點又有哪些？
跟隨著一滴來自東邊的海水，讓我們踏上這條西行之路，一探究竟。
療愈“棄能”之痛
在廣袤的西部地區(qū)，林立的風(fēng)力發(fā)電機和粼粼的光伏太陽能板傲然昭示著清潔能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、高速增長。然而，前些年，由于當(dāng)?shù)匦履茉吹拈_發(fā)和電力系統(tǒng)的消納能力不匹配、清潔能源消納問題存在較為明顯的地域和時段集中分布的特征，西部部分地區(qū)出現(xiàn)了被迫“棄風(fēng)棄光”的現(xiàn)象，一度成為熱點話題。
例如，2018年，新疆、甘肅和內(nèi)蒙古等地區(qū)“棄風(fēng)棄光”電量超過300億千瓦時，占全國總棄風(fēng)棄光電量比例超過90%。
“棄風(fēng)棄光”，究其根本，在于供需兩端在時間和空間上的不匹配。
從時間上來說，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源出力具有較大的波動性，在時段分布上與用電負(fù)荷存在較大差異。比如，風(fēng)電一般夜間出力較大，但此時用電負(fù)荷較??；光伏發(fā)電出力在傍晚快速減小，但此時實際用電負(fù)荷正迎來晚高峰。水電出力受來水情況影響，汛期出力較大而枯期出力有限。
從空間上來說，西部地區(qū)的“綠電”，幾乎無法完全在當(dāng)?shù)叵{完畢。例如，截至2019年4月底，新疆、甘肅、蒙東風(fēng)光發(fā)電裝機分別是本地最大用電負(fù)荷的1.1、1.4、2.0倍，本地消納能力嚴(yán)重不足。而若未及時配備有效的輸送設(shè)施將電力輸送出去，依然會導(dǎo)致嚴(yán)重的能源浪費，如“十三五”期間，青海海南州光伏發(fā)電裝機平均每年以47%的增速增加，但與此相對應(yīng)的能源消費增速僅有6%。寧夏通過兩條直流通道與華東、華北電網(wǎng)跨區(qū)互聯(lián)，但在實際運行中，受系統(tǒng)安全、受端省份接納能力等因素影響，寧夏電能外送潛力也未能充分發(fā)揮。
國家能源局電力司相關(guān)負(fù)責(zé)人在回應(yīng)相關(guān)問題時坦言，要推動新能源成為電力供應(yīng)主體，需要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，多措并舉保障新能源高水平的消納利用。其中，他提到了，要“加快儲能的規(guī)?；l(fā)展”和“通過源網(wǎng)荷儲一體化、多能互補等途徑，實現(xiàn)電源、電網(wǎng)、用戶、儲能各類市場主體共同承擔(dān)清潔能源消納責(zé)任的機制。”
儲能技術(shù)，成了解決和療愈“棄能”之痛的一劑良藥。
國務(wù)院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所副所長、研究員常紀(jì)文在接受本刊記者采訪時提出，“在華北和西北地區(qū)大規(guī)模發(fā)展風(fēng)光綠電，克服棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象，需對不穩(wěn)定的綠電尋找經(jīng)濟合理的消納途徑。除就地發(fā)展高耗電的產(chǎn)業(yè)外，就地制綠氫也是一種可行的方式。”
“綠氫”，是利用可再生能源（例如太陽能、風(fēng)能、核能等）發(fā)電后轉(zhuǎn)化為電能，將電能通過電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)化成氫能。因其制取過程中只產(chǎn)生水，碳排放可以達(dá)到凈零。有人將綠氫稱為“最純正的綠色新能源”，它在全球新能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色。
當(dāng)下，可再生能源電解水制氫技術(shù)成為業(yè)界關(guān)注的焦點——也就是以“綠電”制“綠氫”。我國能源結(jié)構(gòu)面臨著巨大調(diào)整，氫能來源體系也將會有巨大改變，而其中一個重要的方向就是綠氫替代化過程。
常紀(jì)文表示，綠氫具有大規(guī)模、長時間的儲能優(yōu)勢，將風(fēng)光基地每天發(fā)電高峰期間的不穩(wěn)定發(fā)電用于就地制氫，可大量減少“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象，促進(jìn)電網(wǎng)平穩(wěn)運行。利用儲存的氫發(fā)電還可為電網(wǎng)調(diào)峰，增加風(fēng)光發(fā)電的外輸量，助推能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型。
在這里，我們的那一滴海水，就要開始扮演重要的角色了。
從海水到燃料
在風(fēng)電、光電產(chǎn)能相對過剩的西部，將多余的電力就地轉(zhuǎn)化為氫，儲存以備后續(xù)使用，似乎正是一個完美的解決方案。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》（2020版），在2030年碳達(dá)峰情境下，氫氣年需求量將達(dá)到3500萬噸，在終端能源體系中占比約為5%；在2060年碳中和情境下，氫氣年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源體系中占比達(dá)到20%，其中綠氫規(guī)模有望達(dá)到1億噸。
目前主要的制氫方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫等。雖然現(xiàn)在化石燃料制氫仍是主流，但普遍認(rèn)為電解水制氫是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能生產(chǎn)方式。電解水制氫是在直流電下將水分子分解為氫氣和氧氣，分別在陰、陽極析出，所產(chǎn)生的氫氣純度高（>99%）。利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫，是目前眾多氫氣來源方案中碳排放最低的工藝，與全球低碳減排的能源發(fā)展趨勢最為一致。
然而，常紀(jì)文認(rèn)為，規(guī)模化綠電制綠氫，總體面臨著水資源有效供給不足的瓶頸問題。如光電和風(fēng)電制氫，每千克氫平均需消耗淡水分別為32千克和22千克左右。按照綠氫制備規(guī)劃，到2060年綠氫生產(chǎn)年需淡水量約27億噸。由于沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)風(fēng)光資源與水資源的空間分布不太匹配，規(guī)?；G電制綠氫的用水時間與可取用水資源的時間分布不太匹配，把不穩(wěn)定的綠電輸送至有水的地方制氫難以保障電網(wǎng)安全，且規(guī)?；G電制綠氫對水質(zhì)要求比較高，就近可利用的高品質(zhì)水資源本就稀缺，長期、規(guī)?；木G電制綠氫產(chǎn)生的新增用水需求勢必加劇現(xiàn)有工業(yè)、城市、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水的水資源供需矛盾。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院的預(yù)測，到2030年，華北-西北沿線風(fēng)光大基地綠氫產(chǎn)量將達(dá)到全國綠氫總產(chǎn)量的50%。常紀(jì)文表示，在這些地區(qū)，水資源緊缺成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。
也就是說，西部有電，但沒有淡水可供電解制氫——巧婦難為無米之炊，資源掣肘難道就無法解決了嗎？
科學(xué)家們把眼光轉(zhuǎn)向了那片藍(lán)色的海洋。
海水優(yōu)勢在于儲量無比龐大。然而，海水成分非常復(fù)雜，包含了約92種化學(xué)元素，這暗藏著許多危險的“變化”。任何微小的“變化”都可能會對電解系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，假如直接用海水來制取氫氣的話，海水中高濃度的氯離子會腐蝕電極，在長時間運轉(zhuǎn)之下，電極腐蝕后的制氫裝置就將無法使用。
要想制取氫氣，就必須先解決海水脫鹽淡化的問題。
好在，這方面我國已經(jīng)走在了前頭：“十二五”時期，我國海水淡化行業(yè)尚處于初步發(fā)展階段，國家政策從基礎(chǔ)規(guī)劃入手，先后出臺了《關(guān)于加快發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)的意見》《海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》《海水淡化科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》等文件，指導(dǎo)海水淡化技術(shù)創(chuàng)新體系的建立。“十三五”時期，為推動海水淡化產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；⒓苫较虬l(fā)展，國家發(fā)展改革委和國家海洋局共同印發(fā)了《全國海水利用“十三五”規(guī)劃》，海水淡化成為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。“十四五”以來，國家政策更加側(cè)重應(yīng)用，國家發(fā)展改革委和自然資源部聯(lián)合印發(fā)了《海水淡化利用發(fā)展行動計劃（2021-2025年）》，以推動海水淡化的規(guī)?；?。
《海水淡化利用發(fā)展行動計劃（2021-2025年）》具體提出的目標(biāo)是，到2025年，全國海水淡化總規(guī)模達(dá)到290萬噸/日以上，新增海水淡化規(guī)模125萬噸/日以上，其中沿海城市新增海水淡化規(guī)模105萬噸/日以上，海島地區(qū)新增海水淡化規(guī)模20萬噸/日以上。海水淡化關(guān)鍵核心技術(shù)裝備自主可控，產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈現(xiàn)代化水平進(jìn)一步提高，海水淡化利用發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系基本健全，政策機制更加完善。
常紀(jì)文告訴記者，大規(guī)模的海水淡化水西輸可以降低海水淡化和淡化水傳輸成本，不僅可滿足華北和西北地區(qū)綠電綠氫產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的用水需求，在必要時還可用于沿線工業(yè)園區(qū)、農(nóng)業(yè)、生活乃至生態(tài)，有助于全方位緩解缺水問題。
就此，海水淡化水西輸工程的思路已經(jīng)基本成型。
跨越1500公里的宏大設(shè)想
5月8日，一項題為《海水淡化水西輸至華北和西北地區(qū)的初步研究》的調(diào)查研究報告摘要公開發(fā)布。這項研究，正是由常紀(jì)文牽頭，中國水利水電科學(xué)研究院高級工程師王蕾、中國國際工程咨詢有限公司張建紅、劉堃等人共同參與的課題。
報告的摘要中提出，我國華北和西北地區(qū)水資源緊缺，但利用綠電發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)前景廣闊。目前流域調(diào)水難以滿足該產(chǎn)業(yè)用水需求。如在渤海灣建設(shè)一批海水淡化基地，3億噸/年規(guī)模的淡化水通過管道經(jīng)河北、山西、內(nèi)蒙古、寧夏西輸至騰格里沙漠，工程上具有可行性。
常紀(jì)文告訴記者，海水淡化水西輸?shù)木唧w路線須與沿途氫能產(chǎn)業(yè)、工業(yè)園區(qū)、生活用水和生態(tài)用水的需水規(guī)劃布局相協(xié)調(diào)，加強用水管理，保障海水淡化水持續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)利用和水量分配合理高效。研究團隊提出了從天津、唐山等地取水，途經(jīng)北京、張家口、大同、鄂爾多斯，最終輸水至騰格里沙漠的線路圖，這條線路從東至西涉及多個省市，干線總里程超過1500公里。此外，由于取水地與用水地海拔落差高達(dá)近1500米，常紀(jì)文的團隊提出，可利用綠電予以分級加壓提升。
這項宏大的設(shè)想，光在工程上可行還不夠，經(jīng)濟上的可行性也極為重要。為此，常紀(jì)文團隊進(jìn)行了精細(xì)的成本核算。
海水淡化水西輸工程規(guī)模為3億噸/年、電價為0.25元/千瓦時時，靜態(tài)投資回收期為49.7年；當(dāng)海水淡化水西輸工程規(guī)模為10億噸/年、電價降為0.25元/千瓦時，靜態(tài)投資回收期為24.8年。常紀(jì)文告訴記者，對比可以發(fā)現(xiàn)，該成本與煤制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)品制氫的成本接近，具有市場競爭力。
常紀(jì)文認(rèn)為，海水淡化水西輸項目運營期用電量較大，特別是提升環(huán)節(jié)，由于揚程高、電耗大，電力成本在制水和輸水成本中占比較大，因此，需要按照綠電上網(wǎng)電價或新基建予以政策支持。此外，考慮到沿線現(xiàn)有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)用水缺口較大，有必要時可加大海水淡化和西輸工程規(guī)模。
“從工程技術(shù)角度看，單路10億噸/年對于長距離鋼管輸水是比較經(jīng)濟的，規(guī)模如再擴大，施工難度會驟升。”常紀(jì)文說，“10億噸/年的供水規(guī)模除了能滿足沿線綠電制綠氫和相關(guān)氫化工領(lǐng)域用水需求，還可用于部分滿足沿線現(xiàn)有用水缺口，置換超采區(qū)地下水，將顯著改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，防止沙漠入侵，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。如果這樣，胡煥庸線可能發(fā)生一定的時代改變。”
一滴海水，在這個工程構(gòu)想中將產(chǎn)生脫胎換骨的變化——脫去鹽分、成為淡水，跨越1500公里的距離，爬升1500米的落差，最終來到狂風(fēng)肆虐、陽光直射的西部，在綠電的電解下轉(zhuǎn)化成氫氣，并順手解決掉“棄風(fēng)棄光”的產(chǎn)能過剩問題、沿途城市的淡水缺乏問題和制氫過程中的減碳問題。常紀(jì)文認(rèn)為，這一項目如在工程和經(jīng)濟上可行，對于促進(jìn)碳達(dá)峰碳中和、西部大開發(fā)和海洋強國戰(zhàn)略，乃至改善西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境，都具有重要的戰(zhàn)略意義。
原標(biāo)題：學(xué)者建議：“東水西輸”制綠氫
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