李灿院士：绿色氢能在“双碳”战略中的作用 | 科技导报
时间：2024-09-20 15:02:56
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李灿，催化、物理化学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，欧洲人文和自然科学院外籍院士。现任中国科学院大连化学物理太阳能研究部部长、中国科学技术大学材料与化学学院院长。研究方向为太阳能光催化、光电催化分解水制氢，CO2资源化转化，人工光合成。
当前氢能受到我国乃至世界各国的高度重视，我国把氢能作为能源发展的战略方向，世界各国也出台了氢能发展的战略路线图。氢能产业的发展对推动全球能源结构更加清洁高效和可持续发展具有重要战略意义，将促进形成能源行业的新赛道和新质生产力，也是我国实施双碳战略任务的抓手。氢是一种化学元素，通常以化学分子H2存在，具有化学材料和能源物质两个方面的属性。就化学键能而言，氢是单位质量含能密度最高的分子，所以，氢能的发展尤其受到重视。氢因其产生路径不同而分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指以化石资源（主要是煤和天然气）为原料而生产，其过程伴随大量CO2生成，例如，煤制氢过程，每生产1吨氢释放近20吨的CO2；蓝氢指化石资源转化过程副产的氢，或由化石资源制氢、将生成的CO2捕获封存（CCS），但目前大规模封存CO2还存在诸多挑战；绿氢指用可再生能源分解水制氢，此过程不排放CO2。所以，在“双碳”战略下，我国应大力倡导绿氢，而逐步淘汰灰氢，一些特殊情况下可使用蓝氢。但目前我国绿氢尚处于发展初期，占比还很低，尚没有作为能源规模化使用，化学、材料工业中大部分氢来自灰氢。氢能的几次研究热潮主要因交通领域的发展而兴盛起来，由于发展氢燃料电池而带动了氢能的发展。但是在“双碳”战略的要求下，氢源只有利用绿氢，燃料电池技术才能起到碳中和的作用。绿氢是电力转化为化学能源和材料（power-to-x）的必经之路，也是实现碳中和的关键。绿氢的制造可通过光解水、电解水等技术实现，目前电解水技术已经可实现规模化制氢（单电解槽产能1000方-氢/时的技术已经成熟，甚至单槽大于3000方-氢/时）的商业化生产。其中，电解碱水制氢技术的发展尤为迅速，其成本相对较低，在电解水制氢的成本中只占不到30%，而制氢的主要成本取决于可再生电力的价格。初步估计，当电力成本低于0.2元/（kW·h）时，其制氢成本可与天然气制氢相当；当电力成本低于0.15元/（kW·h）时，其制氢成本可与煤制氢相当，甚至更低。氢能的发展要突破制、储、运、用几个环节的限制，除了制备外，储、运和用也非常重要，因为氢气体积密度很低，不易大规模存储和运输，传统高压气瓶的方法储放氢比较方便，但储氢量很低，需要发展轻质、耐高压、安全的储氢容器。化合物储氢正在兴起，即将氢与化合物反应后储存在化合物中，例如，甲苯加氢合成甲基环己烷，储氢量可达6wt%以上，金属氢化镁储氢理论上可获得较高的储氢量（>7wt%），合成氨可储存17wt%以上氢，特别如合成甲醇可储氢18wt%以上（包含水汽重整过程中从水中获得的氢）。其中，甲醇和氨易于运输和储存，是值得关注的储氢技术。
氢能发展的前景在于大规模应用。在我国提出“双碳”战略前，氢能应用的焦点集中在交通领域（主要是氢燃料电池），而为了解决碳排放问题，绿氢的应用面大大拓展，可以从各种刚性排放CO2工业过程的源头上和终端利用绿氢解决问题。例如，冶金过程由于使用焦炭作为还原剂，排放大量CO2，而采用绿氢作为还原剂，则可从源头上解决冶金领域CO2排放问题，水泥、电力等行业的终端排放可以通过绿氢还原CO2制取化学品而得到解决。利用绿氢还原CO2制取的甲醇称为“液态阳光甲醇”（也可称为电-甲醇、绿甲醇），因为其氢能来自太阳能（风光电制氢），而甲醇在室温、常压下为液体，易于存储和运输，所以这种甲醇等效于将阳光存储为液态燃料，称为“液态阳光”（图1）。“液态阳光”也可是由CO2还原制得的其他燃料，如乙醇、汽油、航空煤油等。
“液态阳光甲醇”之所以在氢能发展中受到越来越多的重视，主要原因在于以下3个方面：（1）它是一种储氢技术，如前述在众多化合物储氢技术中，甲醇易于储存和运输，其通过与水汽重整易于把氢释放出来，且储氢量比大多数储氢化合物的量都大；（2）它是一种高效储能技术，可以将风光电经氢能储存在甲醇中，可用于电网调峰，又可离网大规模消纳可再生能源，每吨甲醇储能约为6000kW·h，10万吨“液态阳光甲醇”可消纳600~700MW光伏风电；（3）直接资源化转化CO2，每吨甲醇可转化1.375吨CO2，生产10万吨“液态阳光甲醇”则可转化近14万吨CO2。同样，“液态阳光甲醇”的成本与绿氢成本相关联，当可再生电力电价低于0.15元/（kW·h）时，“液态阳光甲醇”的成本与煤制甲醇相当，甚至更低（尚没有考虑碳税）。1）大力发展绿氢，而逐步减少灰氢，在政策上鼓励用绿氢代替灰氢，加强绿氢制造和储运技术的研究。
2）理性布局氢能。氢能的发展首先要布局其下游应用场景，没有规模化消纳氢能的工业应用出口，不可“一窝蜂”上马制氢项目。
3）氢能的发展要契合“双碳”战略的实施，大部分刚性排放CO2工业（如冶金、石化、材料、交通）的碳中和目标可通过绿氢得以实现。
4）通过绿氢将CO2转化为“液态阳光甲醇”是氢能发展的重要枢纽，由“液态阳光甲醇”可以拓展氢能的应用领域，形成绿色、低碳新质生产力。例如，通过“液态阳光甲醇”可实现基本化工原料、精细化学品及高端化学品的绿色、低碳化合成。
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