碳達峰、碳中和是能源體系的一場深刻變革，也是“一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革”，更是實現(xiàn)中國快速發(fā)展換道超越的重大機遇。2021年將是中國啟動終結近170年來人類依靠化石能源時代的元年。
氫能不僅是動力的重要來源，更重要的是其能源屬性可以助力構建以新能源為主體的新型電力（能源）系統(tǒng)。發(fā)展氫能技術是實現(xiàn)碳中和的重要途徑。固態(tài)氧化物電池（SOC）是實現(xiàn)氫能利用的關鍵途徑，既可以電解水產(chǎn)生氫，又可以共解二氧化碳，還可以提供低碳（零碳）電力，實現(xiàn)跨季儲能，美國和歐洲已有許多成功的案例。發(fā)展SOC及其相關技術，是未來新技術、新產(chǎn)業(yè)的重要選項。我國應以歐洲碳中和脫碳之路為鑒，超前布局“綠色氫”“綠色碳”“綠色電”等低碳技術，進而構建新能源為主體的新型電力（能源）系統(tǒng)，盡早實現(xiàn)碳達峰、碳中和，堅定不移推進能源革命與生態(tài)文明建設。
碳中和是全球大趨勢
隨著應對氣候變化問題成為全球各國政府的共識，推進碳達峰、碳中和成為全球大趨勢，也正式提上了各國政府工作的議程和時間表。
眾所周知，控制好二氧化碳排放是實現(xiàn)碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳目標”）的核心。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳與全球氣溫升高存在明顯的、線性的正相關關系。1880年第二次工業(yè)革命至2018年間，人類活動造成大氣中溫室氣體濃度明顯增加，遠遠超出工業(yè)化前幾千年的平均水平，同一時間全球溫升達到1.2攝氏度，而且在過去幾十年內(nèi)，二氧化碳排放上升速率快速增長。如果不加以控制，到本世紀末，氣溫上升將達到3攝氏度。研究結論指出，當全球溫升超過2攝氏度時，海平面上升、冰川融化，整個自然生態(tài)系統(tǒng)都將遭受不可修復的破壞。這也是全球各國政府達成巴黎協(xié)定致力減少溫室氣體排放、將溫度上升控制在2攝氏度之內(nèi)，并力爭控制在1.5攝氏度的重要原因。
2014年，據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果顯示，全球主要經(jīng)濟體溫室氣體排放總量達480億噸，其中美國66億噸、歐盟43億噸、中國125億噸，而美、歐、中的非二氧化碳溫室氣體排放量分別為13億噸、8.2億噸、20億噸，非二氧化碳溫室氣體排放量占比分別為20%、19%和16%。從數(shù)據(jù)上看，我國溫室氣體排放量占全世界四分之一左右，當然這與工業(yè)規(guī)模、人口等因素有關。
實際上，從世界范圍來看，二氧化碳排放與工業(yè)、與能源密切相關，總體而言，能源消耗的增加也與二氧化碳的增加存在線性正相關關系。近年來，歐洲、美國和日本已經(jīng)完成工業(yè)化，高耗能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸退出或轉(zhuǎn)移，經(jīng)濟增長與能源需求基本脫鉤，均已經(jīng)碳達峰，達峰時間分別為1987年，2007年以及2008年。而中國目前仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程中，一次能源消費仍處于增長趨勢中，而且，與歐盟、美國、日本相比，中國從碳達峰到碳中和的時間要短得多，從碳達峰到碳中和的時間只有30年，因此，要付出更加艱苦的努力。
作為二氧化碳排放的主要來源之一，能源電力行業(yè)在我國實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中扮演著領軍者、主力軍的角色，我們必須探索打造屬于未來的低碳（零碳）能源電力系統(tǒng)。
“雙碳”目標：中國的使命與擔當
“雙碳”目標體現(xiàn)了中國的使命與擔當，實現(xiàn)“雙碳”目標具有政治、經(jīng)濟等層面的多重意義，但同時也面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)。
在升溫控制在2攝氏度目標下，中國2050年一次能源消費與構成的目標是：非化石能源占比大于70%，非化石電力占比大于90%，終端電力比重55%以上。這一目標極具挑戰(zhàn)性，但任何事情都是相對的，這不僅僅是挑戰(zhàn)，還是機遇。實現(xiàn)2攝氏度目標導向的轉(zhuǎn)型路徑，2020~2050年需要新增加投資約127萬億元，約占每年GDP1.5%~2%。因此，“雙碳”目標也會帶來經(jīng)濟增長點和新就業(yè)機會。
“雙碳”目標具有三個重大意義：
首先，實現(xiàn)“雙碳”目標是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，事關中華民族的偉大復興。如今，中國的發(fā)展、中國的地位已經(jīng)受到世界矚目。以美國為首的西方世界，試圖反對中國的一切理念和行動，但氣候變化問題作為人類共同關心和支持的話題，沒有人能夠提出反對意見。習近平總書記正是敏銳地洞悉了氣候變化這個話題的重要性，從而占據(jù)主動地位，提升了中國的國際地位和話語權。
其次，“雙碳”目標意味著能源領域的深層次革命，而歷史上能源領域的數(shù)次革命都推動了工業(yè)革命，實現(xiàn)社會的完整進步。未來，清潔能源將徹底取代化石能源作為基礎性能源的地位，這意味著傳統(tǒng)的能源電力行業(yè)要發(fā)生顛覆式的革命。中國將通過對國民經(jīng)濟的基礎命脈發(fā)起一次根本轉(zhuǎn)變，從而去倒逼中國經(jīng)濟實現(xiàn)綠色發(fā)展。
最后，眾所周知，我國70%的石油依賴進口，長期受美國壓制。前述能源電力的深層次革命就是要通過清潔能源的替代，徹底擺脫對石油的依賴，進而打破西方社會利用石油能源對我國的封鎖，改變?nèi)蛞允蜑橹鲗У牡鼐壵胃窬帧?70年來人類依靠化石能源的歷史即將迎來終止符，我國將用未來四十年的時間迅速完成從化石能源到清潔能源的過渡。
同樣也要認識到，“雙碳”目標的時間緊、難度大、任務重，我們會遇到許多挑戰(zhàn)，其中有三點挑戰(zhàn)是最困難、也是最核心的。
第一大挑戰(zhàn)是消納問題。2030年我國風、光發(fā)電裝機總?cè)萘恐辽賹⑦_12億千瓦，換言之至少是現(xiàn)有裝機容量的2~3倍，能否有效消納風光電能將成為重大挑戰(zhàn)：我國風光資源主要集中在三北地區(qū)，然而三北地區(qū)負荷水平普遍偏低，自身消納能力弱；特高壓輸送容量還有待大幅提升；同時，按現(xiàn)有技術，特高壓輸送必須配套穩(wěn)定電源，而現(xiàn)階段大部分地區(qū)配套了一定比例的煤電，到2030年后，大規(guī)模建設煤電站來配套新能源輸送，顯然不大可能了。因此，我們必須探索新的風光電能的消納之道。
第二大挑戰(zhàn)是由中國的能源稟賦帶來的。中國主要是化石能源并以煤炭為主，除了大力發(fā)展新能源和低碳產(chǎn)業(yè)以外，如何有效實現(xiàn)二氧化碳的中和將是一個重大挑戰(zhàn)。據(jù)預測，2030年二氧化碳排放約為105億噸，2060年約為20~30億噸，自然平衡二氧化碳遠不足以中和工業(yè)排放，現(xiàn)有處理大規(guī)模二氧化碳的手段主要是回注和填埋（CCUS），尚未出現(xiàn)大規(guī)模綠色利用二氧化碳的技術手段。且根據(jù)最新的研究發(fā)現(xiàn)，回注和填埋二氧化碳的辦法并非一勞永逸，存在二氧化碳外溢的可能，同時這類裝置運行成本較高。因此，我們必須探索二氧化碳大規(guī)模綠色化利用的手段和方法。
第三大挑戰(zhàn)是電力系統(tǒng)將面臨“空心化”的挑戰(zhàn)。大規(guī)模新能源條件下構建“以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”，傳統(tǒng)燃煤電站將成為輔助電源，若未來調(diào)峰能力、轉(zhuǎn)動慣量不足，將嚴重威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。除此之外，還有特高壓大功率匯入?yún)^(qū)域電力網(wǎng)，如何解決區(qū)域電網(wǎng)“頭重腳輕”現(xiàn)象；高比例分布式新能源并網(wǎng)，如何解決電力波動、以及靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定問題；重大自然災害情況下如何應對電網(wǎng)的供電可靠性挑戰(zhàn)：如美國德州大停電事件。因此，我們必須探索建設能保障新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的支撐體系。
未來的電力系統(tǒng)以新能源為主，而新能源的核心主要是風和光。水電是有限的，而風光電能最大的特點是不確定性?，F(xiàn)今的電力系統(tǒng)是基于負荷安排發(fā)電，這在電力充足的情況下不存在問題。但如果未來90%的電力來源于可再生能源，這樣的間歇性電力系統(tǒng)存在區(qū)域或一定時間段缺電的風險和隱患。解決上述問題的辦法有兩種：一種是全球能源互聯(lián)網(wǎng)，即在全球范圍內(nèi)去調(diào)整電力、平衡電力，中國沒有太陽或者風，世界上肯定有其它地方有風、有太陽。二是我國橫跨三個時區(qū)，一定程度上也可實現(xiàn)電力互濟，但局部地區(qū)的自然能量（風、光）有可能出現(xiàn)以天為單位、或者以周為單位的無太陽或者無風的氣候情況，這時就需要建立中長期和跨季儲能，以對電力系統(tǒng)進行賦能，滿足系統(tǒng)負荷平衡要求。
歐洲碳中和的脫碳之路
“夫以銅為鏡，可以正衣冠；以古為鏡，可以知興替；以人為鏡，可以明得失。”歐洲走向碳中和的脫碳之路，可給予中國建設性意見與思路，從而少走許多彎路。
2019年12月11日，歐洲議會通過了《歐洲綠色新政》，其核心內(nèi)容是在2050年實現(xiàn)氣候中和。氣候中和是碳中和的延伸，它把除二氧化碳外其它的溫室氣體也涵蓋在內(nèi)。歐洲首先通過立法的方式把2050年氣候中和目標入法，通過法律來確保2050年實現(xiàn)氣候中和。除了立法，還制定了8個氣候中和目標，涉及能源、工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)、生態(tài)和環(huán)境這8個方面。歐洲還有煤炭脫碳計劃，歐洲所有國家對“脫煤”都有明確的時間表，2040年前煤炭必須被全部替代，現(xiàn)在也正在討論2050年前“脫氣”的各種方案。
實際上，歐洲在脫碳之路上也遇到了很多瓶頸、彷徨、困惑與挑戰(zhàn)——歐洲計劃在2050年實現(xiàn)新能源占比達到90%，但新能源的發(fā)展與土地、電價、電網(wǎng)都存在眾多難以調(diào)和的矛盾與困局。
以歐洲北海區(qū)域出現(xiàn)的“負電價”困局為例，歐洲北海海上風電資源豐富，北海附近的國家包括英國、荷蘭、德國、丹麥和挪威，當?shù)仫L資源平均可利用小時達4000小時以上，部分區(qū)域能達到5000小時，可謂資源優(yōu)異。風電企業(yè)經(jīng)營執(zhí)照有效期為20年，電價約為10~15歐分每千瓦時，其盈利空間巨大。豐厚的利潤吸引了大量資金與企業(yè)涌入市場。歐洲的電力市場主要以國家為單位，國與國之間的電力交易較少，僅占10%，因此電主要是各個國家自發(fā)自用。由于電力市場調(diào)節(jié)能力有限，“負電價”問題暴發(fā)，即發(fā)了電之后政府掏錢給用戶補貼用電，隨后還衍生出一系列問題。從結果來看，歐洲能源結構被重新定義。其一，由于電力就地消納，與電網(wǎng)輸送互為補充，因此，可再生能源的消納部分與電網(wǎng)輸送解耦；其二，歐洲實施沙漠計劃，數(shù)個國家聯(lián)合開發(fā)撒哈拉沙漠，試圖將撒哈拉沙漠生產(chǎn)的風光電能輸送到歐洲使用。根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織的研究，撒哈拉沙漠7%的風光資源就可支撐起整個歐洲的電能需求。但數(shù)年后，上述計劃宣告失敗、相關組織也大幅萎縮。其失敗原因在于，送電必須經(jīng)過地中海，歐洲沒有特高壓，只能通過一般輸電線路，使用一般電纜從撒哈拉到歐洲的輸電費用為特高壓的5~8倍。
近幾年該組織又有了重新啟動的趨勢，還是在撒哈拉沙漠大規(guī)模建風電和光伏電場，就地制氫，采用管道通過地中海向歐洲輸氫，而管道輸氫的成本比建設特高壓要低得多。這樣，可再生能源的動能就可以得到充分的釋放。通過氫能以及液態(tài)空氣儲能，不僅可以就地消納電力，實現(xiàn)跨季儲能，還可逐漸取代部分燃煤電廠，對電網(wǎng)負荷平衡進行賦能。德國正是最早提出跨季儲能概念并付諸實踐的國家之一，他們從跨季儲能到實施國家戰(zhàn)略計劃“電到氣”（Power to X），通過發(fā)展綠氫，最終實現(xiàn)電氫耦合以及電氫熱耦合，從而釋放新能源發(fā)展動能。
目前， 歐洲實現(xiàn)碳中和主要是依靠清潔能源、綠氫和節(jié)能三大支柱。
一是節(jié)能增效，發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟，歐洲能效水平比中國要高一檔，但他們依然非常重視節(jié)能工作。他們以能效為核心，構建循環(huán)能源系統(tǒng)，充分再利用廢熱、廢水等能源。節(jié)約下來的能源是最清潔、最有價值的綠色能源。
二是實施以清潔能源為支撐的終端用能電氣化，以實現(xiàn)化石能源的替代，強調(diào)基于清潔能源的電能，在終端領域推進電氣化，加大電力替代。
三是對無法實現(xiàn)電氣化的領域，實施綠色氫能替代。比如在冶金工業(yè)、化工業(yè)等，以及重型卡車、鐵路、航空和海上運輸?shù)鹊取?
歐洲目前有許多氫能示范項目，如德國Get H2項目，德國提出氫能發(fā)展的目標是占全部能源的24%、歐盟整體目標達到30%。氫能在歐洲實現(xiàn)碳中和過程中發(fā)揮著非常重要的作用。
氫能技術助力碳中和發(fā)展之路
氫具有能源屬性，是最清潔的二次能源，能源系統(tǒng)應實現(xiàn)“宜電則電，宜氫則氫”。氫來源廣泛，氫作為能源，能源密度高，可實現(xiàn)完全零排放、可循環(huán)，是除可再生電力之外最清潔的能源利用方式。同時，氫能利用是能夠與化石燃料清潔低碳利用、可再生能源規(guī)?；没ハ嗖⑿械囊环N可持續(xù)能源利用路徑。氫不像電、不需要每分每秒都實現(xiàn)平衡。總而言之，綠氫和綠電像是天生一對的“好兄弟”，能解決未來我們對能源各方面的需求。
目前，氫的來源主要還是化石能源：全球年產(chǎn)氫5000萬噸，其中96%來源于傳統(tǒng)能源的化學重整，4%來自于電解水（真正的綠色制氫）。據(jù)澳大利亞能源研究院成果顯示，當可再生能源制氫成本達到1美分的時候，它就比其它所有的常規(guī)制氫方式都要有競爭力。
制氫有三大技術路線：
第一個是高溫固體氧化物電池（SOEC），該技術最核心的優(yōu)勢是便宜、效率高，效率大于90%，3~3.5千瓦時電可生產(chǎn)1公升的氫，缺點是必須高溫運行。目前，歐洲正逐漸在形成推廣SOEC的趨勢。
第二個是堿性制氫（AEC），這個技術是最成熟、發(fā)展歷史最悠久的。40年前挪威就開始產(chǎn)業(yè)化制氫，這一技術方案造價便宜，生命周期較長。而AEC最核心的特點是要求電力穩(wěn)定可靠，最適合使用水電，不適合風光等間歇性電能。該技術優(yōu)缺點明顯，運行簡單，占用場地大，副產(chǎn)物存在一定的污染。
第三個是質(zhì)子交換膜制氫（PEM），該技術適合使用風光電等間歇性電源，原因在于啟動溫度在100攝氏度以下，靈活性強。但也有兩個致命性缺點：第一個是運行壽命短（2~3年），第二個是材料昂貴（金屬鉑），對材料性質(zhì)要求高。
綠氫的未來，取決于電價是否便宜、設備和技術是否成熟以及政府政策支持的力度是否足夠。水電、海上風電、陸上風電、光伏制氫成本目前都比煤制氫要高，但它們都呈下降趨勢，未來遲早會低于煤制氫。
除此之外，氫能發(fā)展還要考慮一個問題——氫的運輸。歐洲使用了管道輸送的方式，因為他們有龐大的天然氣管道網(wǎng)絡有關，經(jīng)過一定改造，歐洲的管道就可以用于輸氫。但中國的燃氣管道由于管道材質(zhì)的原因，還需要經(jīng)過專門的研究和改造。
氫能輸送還可以實施氫化工，即將綠氫就地轉(zhuǎn)換為氨或甲醇等，在常溫常壓下進行運輸。氨或甲醇不僅是高附加值的化工產(chǎn)品，而且更是高效的清潔能源。
國際能源署IEA推薦的大規(guī)模氫能輸送方式是液體有機氫載體輸氫（LOHC），簡單地說就是把氫融在油里，油罐車、油輪不需任何改造，就可以實現(xiàn)常溫常壓大規(guī)模長距離運送。這項技術在我國已經(jīng)有相關的研究和試點。
除了綠色氫，還有綠色碳。在“雙碳”目標下，如何高效轉(zhuǎn)化利用二氧化碳，將其變廢為寶，成為能源化工領域的研究熱點和難點。大規(guī)模處理二氧化碳的手段，其中一個就是SOEC，通過固體氧化物電池用水蒸氣混合二氧化碳共解制合成氣。合成氣是一種清潔燃料，同時也是附加值很高的化工產(chǎn)品。歐洲目前有幾個示范項目。這個技術值得我們深入研究并進一步推廣。
最后一個是綠色電，這也是我們未來電力行業(yè)巨大的發(fā)展機遇。以燃料電池為例，輸入是氫，輸出的是電和水。反過來，它還可以通過消納清潔能源電解水，輸入是清潔電和水，輸出是氫和氧。從能效的角度來講，燃料電池能效能達到90%。
另一方面，“雙碳”目標是否能夠順利實現(xiàn)，關鍵是能否建成以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。到2060年，90%的電力將來自清潔能源，即主要來自風、光。由于風、光電能的間歇性和波動性，確保電力系統(tǒng)的全時域功率平衡將是新型電力系統(tǒng)必須要面對和要解決的主要問題，同時，以清潔能源為主體的電力系統(tǒng)具有弱轉(zhuǎn)動慣量的問題，如何確保系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定，將是一個必須解決的重大課題。
固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)將會為未來新型電力系統(tǒng)提供一個重要和有效的解決方案。一是可以逐步替代燃煤電站，為系統(tǒng)提供高效能的全時域儲能，填補風、光電能間歇性造成的系統(tǒng)功率缺額，支撐電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，二是利用其700攝氏度以上工作溫度的特點，可以與汽輪機組成聯(lián)合循環(huán)機組，為電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量，三是其輸入不僅可以是氫能，還可以是天然氣、煤氣和沼氣等燃料氣，通過固體氧化物燃料電池前置的重整裝置可以將氫能和二氧化碳分離，實現(xiàn)二氧化碳回收和零碳發(fā)電。由于其電堆主要設備由陶瓷片組成，生產(chǎn)成本相對于其他形式的儲能將會有很強的競爭力。
綜上所述，氫能技術是實現(xiàn)碳中和的重要途徑之一。氫能是最清潔的綠色能源，發(fā)展綠氫是中國氫能產(chǎn)業(yè)的重要選項。氫能不僅是動力重要來源，更重要的是其能源屬性，可以助力以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。固體氧化物電池SOEC是實現(xiàn)氫能利用的重要途徑，既可以電解水產(chǎn)生氫，又可以共解二氧化碳，還可以提供低碳（零碳）電力，實現(xiàn)跨季儲能，因此，發(fā)展SOEC及其相關技術，是未來新技術新產(chǎn)業(yè)的重要選項。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2021年06期，作者系德國國家工程院院士
