在1月12日舉行的百人會(huì)論壇上，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所研究員蔣亞雄圍繞可再生能源制氫發(fā)展的問(wèn)題與對(duì)策發(fā)表主題演講。針對(duì)大規(guī)模可再生能源制氫存在著一些技術(shù)和政策、經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)題，探討可再生能源存在的瓶頸和解決問(wèn)題的對(duì)策。
可再生能源制氫的必要性及存在的問(wèn)題
關(guān)于可再生能源制氫發(fā)展的背景，早在90年代初出來(lái)了概念。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家出現(xiàn)一些問(wèn)題，一是需要進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，在這個(gè)大的背景下，按照《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)，要控制全球溫升不超過(guò)2度，中國(guó)政府承諾2030年之后，碳排放不再增加。主要的手段就是要把化石燃料為主體的能源結(jié)構(gòu)變?yōu)楦咝Э稍偕茉大w系，來(lái)實(shí)現(xiàn)減排。
二是國(guó)家能源安全，這個(gè)問(wèn)題比較突出。從2018年開(kāi)始，我國(guó)石油的進(jìn)口量已經(jīng)超過(guò)了4億噸，對(duì)外依存度超過(guò)了70%，已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)了國(guó)家能源安全的警戒線，勢(shì)必要想辦法去減少能源的對(duì)外依存度。
可再生能源制氫有它的優(yōu)勢(shì)，采用了可再生能源，以風(fēng)光水等等可再生能源為載體，以氫氣作為一個(gè)二次能源的載體，在能源轉(zhuǎn)型中可以和電力互為補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)、建筑、電力、交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)互聯(lián)。
目前廣泛使用的氫源主來(lái)自化石燃料、電解水和化工副產(chǎn)氫。此外，生物質(zhì)制氫、核能制氫和光催化制氫正在研究，還沒(méi)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平?？稍偕茉粗茪渲荒苓x擇電解水制氫，化石燃料制氫和化工副產(chǎn)氫都是有碳排放的。
現(xiàn)在成熟的水電解制氫主要有兩種，一是堿性水電解制氫，二是純水電解制氫，如今固體氧化物電解水制氫技術(shù)現(xiàn)在也在研發(fā)的如火如荼，但是還沒(méi)有達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。堿性電解水制氫技術(shù)相對(duì)比較成熟，可以大規(guī)模應(yīng)用，工藝比較簡(jiǎn)單，成本比較低廉。純水電解制氫比堿性制氫有更高的電流密度，結(jié)構(gòu)更緊湊，更加安全可靠，更適用于小規(guī)模的制氫場(chǎng)合。
風(fēng)、光發(fā)電有很大不確定性，包括水電有枯水期和豐水期，主要的特點(diǎn)是間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性，尤其是風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性、波動(dòng)性更加厲害。很難為負(fù)載提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，我國(guó)風(fēng)光資源非常豐富，但是由于電網(wǎng)難以承受，風(fēng)光資源的開(kāi)發(fā)還受到一定影響。盡管我國(guó)風(fēng)、光發(fā)電是全世界發(fā)展最快的，可能規(guī)模也是最大的，但是還有很多資源有待于開(kāi)發(fā)。
要用可再生能源制氫來(lái)去解決這樣的問(wèn)題，主要還是要解決幾方面的問(wèn)題：一是寬功率的調(diào)整范圍，根據(jù)它的波動(dòng)性和不確定性，整個(gè)制氫系統(tǒng)需要有一個(gè)比較寬的功率調(diào)整范圍；二是從電力上來(lái)講，電力耦合，想辦法把波動(dòng)降到最小，適應(yīng)制氫系統(tǒng)的需要。整個(gè)系統(tǒng)需要有一個(gè)大的控制系統(tǒng)，如果大規(guī)模制氫的話，大規(guī)模制氫工廠有一個(gè)大的控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與測(cè)量、數(shù)據(jù)通訊和傳輸，還有控制策略的實(shí)現(xiàn)等等。最主要的是制氫設(shè)備，制氫設(shè)備需要能夠適應(yīng)寬功率波動(dòng)的高效低成本的制氫系統(tǒng)，才能有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制氫。
中船重工718所制氫技術(shù)
中船重工718所主要是做水電解制氫的研究和生產(chǎn)單位，從2011年開(kāi)始，陸續(xù)參加了很多國(guó)家863計(jì)劃，中央財(cái)政支持的一些重點(diǎn)高校的學(xué)科建設(shè)，政府間的一些合作項(xiàng)目，已經(jīng)一些省級(jí)的科技重大專項(xiàng)等等。針對(duì)風(fēng)電光伏的制氫怎么樣適應(yīng)寬功率的波動(dòng)，怎么適合不同場(chǎng)合下的應(yīng)用，開(kāi)展了一些研究，也取得了一些成果。
堿性電解水技術(shù)相對(duì)成熟，壽命比較長(zhǎng)，使用壽命可以達(dá)到20年，操作范圍負(fù)荷的變化從10%-110%，可能需要多模塊的控制策略才能實(shí)現(xiàn)。與其他技術(shù)相比，堿性電解水沒(méi)有使用貴金屬材料，成本相對(duì)比較低，適合于大規(guī)模的制氫場(chǎng)合。但是傳統(tǒng)的堿性水電解技術(shù)有一定的局限性，主要發(fā)展瓶頸在工作電流密度比較低，能源效率還有待于提高。傳統(tǒng)堿性電解槽早期使用的時(shí)候是石棉布和膜，后面使用的是有機(jī)材料編織的隔膜，這種隔膜的性能也造成了它整個(gè)系統(tǒng)難以比較快速的啟動(dòng)或者關(guān)閉，啟動(dòng)和關(guān)閉需要一定的時(shí)間。
下一步的工作，718所主要做一些高活性的模塊化的電解制氫設(shè)備制造，里面主要是包括了一些用高活性的電極來(lái)替代傳統(tǒng)的電極，用新型的無(wú)機(jī)有機(jī)的復(fù)合材料隔膜來(lái)替代原來(lái)編織的隔膜，能夠提高整個(gè)電解槽的電解效率，也減少它的體積和重量。對(duì)可再生能源無(wú)規(guī)律的波動(dòng)性也會(huì)有更好的適用性。
另外，要做寬功率波動(dòng)下的模塊化和組合式電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，要做可再生能源制氫，目標(biāo)是做大規(guī)模的可再生能源制氫，一個(gè)工廠可能會(huì)有幾百臺(tái)的制氫設(shè)備，需要有一個(gè)合理的控制軟件，制定好合理的控制策略。這可能會(huì)減少單體電解槽對(duì)波動(dòng)的適用性的要求。
近幾年718所做了很多工作，做了一些新的電極和隔膜，新的電極和隔膜的組合可以使堿性電解槽的電流密度達(dá)到6000安培以上。在額定的4000安培的工況下，直流電耗可以降到4.3以下，這個(gè)就比傳統(tǒng)的電解槽功效要提高2-3倍。跟純水相比，有一個(gè)很大的進(jìn)步，也對(duì)功率的波動(dòng)影響能夠降到比較小，提高氣體的純度。
純水電解的優(yōu)點(diǎn)，在裝置中運(yùn)行的靈活性和反應(yīng)性都比較好。PEM電解系統(tǒng)可以在最低功率保持待機(jī)模式，能在短時(shí)間內(nèi)按高于額定負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，它可以適應(yīng)比較快速、范圍比較大的變化，更容易跟可再生能源風(fēng)、光資源去配合。但是它的缺點(diǎn)是設(shè)備成本比較高，使用貴金屬催化劑，國(guó)內(nèi)系統(tǒng)大多使用的是進(jìn)口的質(zhì)子交換膜，膜的國(guó)產(chǎn)化還有一些問(wèn)題。它的優(yōu)點(diǎn)在于適合小規(guī)模的分布式制氫的場(chǎng)所，目前國(guó)內(nèi)最大產(chǎn)量只能做到單臺(tái)100立方米的氫氣，堿性可以做到1000立方米的氫氣，還有一個(gè)量級(jí)的差別。
它的主要解決對(duì)策，還是要做低載量高性能膜電極組件，減少膜電極組件里面貴金屬的使用量。這方面是跟燃料電池的膜電極組件有非常高的相似性。一是要做國(guó)產(chǎn)的膜，一是要降低電極的貴金屬的使用量。通過(guò)研制高活性、高穩(wěn)定性、低成本的陰極和陽(yáng)極的催化劑，有效降低膜組件的成本，使整個(gè)電解系統(tǒng)成本下降。
此外，因?yàn)榧兯娊獾膯误w容量比較小，勢(shì)必就要開(kāi)發(fā)大容量的、集成式的電解制氫設(shè)備，用多臺(tái)電解槽配合一臺(tái)氣體設(shè)備來(lái)做，純水電解是一個(gè)發(fā)展方向。在這方面，718所做了很多電極隔膜的研制工作，現(xiàn)在做的高活性吸氫吸氧的催化劑，膜電極尺寸最大可以做到1米×1米，可以滿足單臺(tái)100立方米產(chǎn)氫量制氫設(shè)備的需要。
如何解決可再生能源儲(chǔ)運(yùn)難題、成本難題？
另外，可再生能源制氫的技術(shù)瓶頸，儲(chǔ)運(yùn)和大規(guī)模的儲(chǔ)存運(yùn)輸也存在一定的問(wèn)題。大部分的風(fēng)光電往往建設(shè)在遠(yuǎn)離氫能應(yīng)用終端比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，像我國(guó)的三北地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)，離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)有一定的距離，離終端的用戶可能比較遠(yuǎn)。
今后的發(fā)展方向，一是要發(fā)展低溫液氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，二是如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的使用的話，天然氣摻氫的技術(shù)也是下一步應(yīng)該做的一個(gè)方向。另外，在將來(lái)有很大規(guī)模的氫能應(yīng)用的時(shí)候，氫能能夠代替天然氣來(lái)做居民的燃?xì)獾臅r(shí)候，也需要做長(zhǎng)距離的氫氣管道的輸送技術(shù)。這些技術(shù)可能現(xiàn)在更多的還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系也需要完善。
在整個(gè)大規(guī)模制氫的成本方面，現(xiàn)在可再生能源制氫的成本主要有三個(gè)比較大的瓶頸：一是整體來(lái)說(shuō)，各個(gè)地方的電價(jià)還不夠低，因?yàn)橐盟娊獾脑O(shè)備，水電解制氫的設(shè)備主要成本就是電，電價(jià)不夠低是它的瓶頸之一；二是應(yīng)用的場(chǎng)景還不夠多；三是使用的規(guī)模還不夠大，規(guī)模小，也一定程度上導(dǎo)致了電價(jià)很難下降。
張家口市政府給可再生能源制氫制定了一些特殊的政策，也有了比較低的電價(jià)。但這只是示范，在整個(gè)國(guó)家層面上，電價(jià)還是相對(duì)比較高。應(yīng)該從以下這幾個(gè)方面來(lái)解決這些問(wèn)題，主要解決場(chǎng)景和規(guī)模的問(wèn)題。要鼓勵(lì)發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)通過(guò)研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步，降低綠色氫氣的供應(yīng)成本，這個(gè)主要是通過(guò)大規(guī)模的風(fēng)電光伏資源的開(kāi)發(fā)，帶動(dòng)發(fā)電成本進(jìn)一步降低。
二是應(yīng)該將氫能用于低碳密集型行業(yè)，可再生能源制氫的應(yīng)用，現(xiàn)在大部分還限于燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景。在其他的工業(yè)領(lǐng)域，包括石化領(lǐng)域，包括以前的傳統(tǒng)用氫的領(lǐng)域，也應(yīng)該想辦法用可再生能源氫氣來(lái)替代原來(lái)用化石能源制取的氫氣，來(lái)實(shí)現(xiàn)減排，這能夠使氫氣的規(guī)模能夠得到有效的擴(kuò)大。另外就是開(kāi)發(fā)一些用氫氣和二氧化碳合成的產(chǎn)品，包括一些化工產(chǎn)品，也能擴(kuò)大氫氣的使用場(chǎng)合。同時(shí)在建設(shè)的時(shí)候要盡量考慮將生產(chǎn)氫氣的場(chǎng)合和使用氫氣的場(chǎng)合縮短距離，以降低它的運(yùn)輸成本。
給發(fā)展氫能政策上的建議
對(duì)于政策方面的建議，我國(guó)制定了很多氫能方面的一些政策。各個(gè)省級(jí)政府也制定了很多氫能發(fā)展規(guī)劃和相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃，還包括一些地市級(jí)或者省級(jí)以下的這些地方政府也制定了很多氫能的規(guī)劃、措施等等。但是這些規(guī)劃、措施有一個(gè)共同的特點(diǎn)，這些規(guī)劃、措施都不是把氫能作為一個(gè)能源，而是作為基本上基于燃料電池行業(yè)的應(yīng)用提出來(lái)的。
氫能沒(méi)有真正的納入國(guó)家能源戰(zhàn)略體系，沒(méi)有從戰(zhàn)略上來(lái)考慮，用可再生能源制氫來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，在這方面可能還有很長(zhǎng)的路要走。另外各個(gè)地方政府雖然出臺(tái)了一些規(guī)劃，大部分局限在交通領(lǐng)域，沒(méi)有在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域、能源領(lǐng)域出臺(tái)鼓勵(lì)用綠氫代替化石能源的引導(dǎo)和激勵(lì)措施。還有，氫能行業(yè)整體的監(jiān)管政策還不完善，直接與可再生能源制氫相關(guān)的政策還比較少，這些鼓勵(lì)政策大部分都是鼓勵(lì)燃料電池生產(chǎn)或者燃料電池汽車的生產(chǎn)，很少有對(duì)制氫和運(yùn)氫的環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)貼的一些措施。
對(duì)此，蔣亞雄建議：第一是將氫能納入國(guó)家能源戰(zhàn)略體系，從國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略層面提倡用可再生能源制氫，來(lái)部分替代傳統(tǒng)化石能源，以改善整體的能源體系結(jié)構(gòu)，減少對(duì)化石能源的依賴。
第二，在出臺(tái)氫能政策規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該從多方面強(qiáng)化用綠氫代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用引導(dǎo)和鼓勵(lì)措施。氫能的優(yōu)惠補(bǔ)貼政策也應(yīng)該適當(dāng)?shù)目紤]可再生能源制氫和用氫的各個(gè)環(huán)節(jié)。
第三，加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定，完善氫能行業(yè)的監(jiān)管政策法規(guī)，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，確保行業(yè)的健康發(fā)展?？稍偕茉粗茪溆泻芎玫陌l(fā)展前景。隨著我國(guó)可再生能源發(fā)電量的提高，還有可再生能源制氫成本競(jìng)爭(zhēng)力的提升，可再生能源制氫一定會(huì)在以后的能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，能夠起到越來(lái)越的作用，也能逐步從灰氫過(guò)渡到綠氫，實(shí)現(xiàn)碳的減排和改善國(guó)家能源體系這么一個(gè)重任。
