碳中和背景下，能源变革成为“必考题”

时间：2021-11-10 11:51:20 来源：

2020年,我国在联合国大会上明确提出,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。这不只是环保领域的概念,还将重构整个能源产业。

在这样的背景下,传统高能耗、高碳排产业和传统能源产业如何转型?以氢能、光伏和风电为代表的新能源和可再生能源将如何发展?10月中旬,由中国科协指导、中国石化集团公司主办,上海市科协、上海石化等单位承办的“碳达峰、碳中和背景下的氢能产业发展高端论坛”召开。来自业界的院士专家和企业家齐聚一堂,共同探讨我国能源产业发展,凝聚共识、促进合作,打造氢能产业链和经济生态圈,助力国家“双碳”目标早日实现。

从生产成品油向生产化工材料转型

石化产业是国民经济的压舱石和驱动器,是现代经济体系的重要组成部分。21世纪以来,我国石化产业快速发展,已形成完整的产业体系,具有自主设计、建设和运营能力,生产规模和技术装备水平大幅提升,总体步入世界先进行列。但是,石化产业又具有资源型和能源型产业的属性,是高耗能、高排放的产业。如何助力中国实现“碳达峰、碳中和”,是石化产业的重大课题,也是影响深远的课题。

中国工程院院士王基铭介绍,目前,我国原油加工量和成品油消费量位居世界第二,也是仅次于美国的世界第二大乙烯生产国,但我国炼油业和化工行业产能总体过剩,化工行业结构过剩更为突出。同时,在我国工业部门中,石化工业的能源消耗总量比较大,仅次于冶金,居第二位。

他指出,虽然我国石化行业产能过剩,但与发达国家相比,产业结构、产品结构、组织结构及布局结构等方面仍然存在着较大差距,尤其是产品结构的高端化方面差距更加明显,低端产品过剩、高端产品缺乏,结构性的矛盾还比较突出。以乙烯为例,烯烃、芳烃是与工业生产和人民生活息息相关的重要基础原料,但我国乙烯消费还有一半左右依赖进口。

“技术进步成为产业发展的核心动力,创新是实现‘双碳’目标的第一驱动力。”王基铭表示,绿色低碳的发展是必然趋势。随着氢能、生物基液体燃料、新能源汽车迅速发展,原油的需求明显放缓,预计在2030~2035年达到需求峰值,但化工轻油的需求还有较高的增长。这意味着,我国石化行业消费格局发生了巨大变化,由生产成品油为主转向生产化工材料为主。如今,我国进入了新发展阶段,随着城市化进程的不断加快和居民收入水平的不断提高,给石化工业增长提供了巨大的发展空间,也带来了向产业链中高端升级的重大机遇。

王基铭建议,应该坚持深度炼化一体化,最大程度地实现化工原料、油品、能源的互供互用,上下游协同发展,将稀缺的石油资源“吃干榨净”,重点保障我国日益增长的基础化工原料需求,增强石化产业整体竞争力。

光伏、风电装机容量将爆发式增长

工业革命以来,化石能源的大量使用极大地提高了劳动生产率,但对环境的影响也非常显著:工业革命以来,人类向大气环境排放二氧化碳2.2万亿吨,全球地表平均气温上升1.1摄氏度。按照此趋势,到本世纪中叶,全球地表平均气温上升将超过2摄氏度。

据统计,我国消耗了全球近1/2的煤炭,二氧化碳排放量占全球1/3、能源消费占全球1/4,是目前世界上最大的二氧化碳排放国和能源消费国。其中,我国48%的碳排放来自电力行业。

“电力行业脱碳和零碳,是我国能源变革的核心,也是实现碳中和目标的关键。”上海交通大学副校长、中国工程院院士黄震建议,在能源供给侧,需建立以新能源为主体的全新电力系统。

目前,我国可再生能源的开发规模已成为世界第一。以光伏和风电为例,截至2020年底,我国光伏和风电装机容量已达到5.3亿千瓦,未来还会继续爆发式增长。黄震预测,到2030年预计达到18亿千瓦。

和火电相比,光伏和风电作为清洁能源的优势无可比拟,但一直以来,价格是最敏感的问题之一,用得起才是决定能否推广的关键因素。据黄震介绍,近年来光伏和风电的成本都已大幅下降。20年前,光伏发电成本是5元/千瓦时,而根据国家电投四川地区的最新数据,减去生态费用补贴,电的上网价已经低于0.15元/千瓦时。

成本虽然有所下降,但以新能源为主的电力系统仍有很多关键技术难关亟待进一步攻克。黄震说,和稳定供应的火电不同,光伏、风能等新能源具有不确定性、随机性、波动性的问题,需进一步提升电力系统韧性,构建互信交易机制,深化电力体制改革,打造“源网荷储”深度协同的电力系统。

在能源供给侧方面,除了电力零碳化,还需要实现燃料零碳化。黄震表示,可以在电力零碳化的基础上,用零碳电力制氢、制氨,以及制备合成燃料,用于车船等的动力系统,这些都是未来转型升级的方向。

他举例说,在冰岛有一座以诺贝尔奖获得者乔治奥拉命名的能源示范工厂,利用地热制备氢气,再用氢气合成甲醇等化工原料。目前,国内的技术人员也在积极进行利用可再生能源制备燃料的研究。

未来必不可少,安全可控是关键

要实现“碳达峰”和“碳中和”,氢能源的利用势不可当。

中国工程院院士曹湘洪介绍,氢能是未来间隙性、随机性可再生能源系统中必不可少的能源载体,利用弃风弃光的电力制成并储存氢气,或将氢气转化为能源类产品,更易实现大规模、长期储存,有利于提高可再生能源利用效率。

他指出,利用先进流程的天然气制氢能效超过80%,燃料电池能效可达到90%、综合能效达到72%,明显高于燃气轮机联合循环60%的热效率。使用燃料电池的新能源汽车百公里氢耗明显低于同等质量的汽油车的油耗。

“通过太阳能、风能或水电能等可持续清洁能源电解水,将产生的氢气储存起来,或作为燃料电池燃料以驱动汽车,这是未来长久的能源使用策略。”加拿大皇家科学院、工程院、工程研究院院士张久俊引用报告数据称,预测到2025年氢能源的需求是目前的10倍,2030年全世界氢能源燃料电池汽车在1000万~1500万辆,市场总额能达到万亿元级别。在他看来,世界各国都在力图通过发展氢能来解决未来能源安全问题,占领国际能源领域的制高点。

“缺少核心技术、关键材料和装备,制约了我国氢能产业健康发展。”曹湘洪分析表示,燃料电池在我国已呈现快速启动的态势,氢燃料电池轻型电车、家用社区用电池等各种氢的应用场景也在积极探索和实践中。但从绿电制氢、氢气储存、运输到加氢站等各类用氢设施建设,以及各种燃料电池技术,我国与国际先进水平都存在比较大的差距,应加大科技投入,尽快扭转缺少核心技术、关键材料的局面。

曹湘洪认为,以氢燃料电池汽车为主,结合绿氢制甲醇、绿氢冶金、绿氢供电供热等多种应用场景,积极发展氢能,是我国实现双碳目标的重要战略措施,也是逐步改变我国能源结构的社会系统工程。

但氢能源想要“飞入寻常百姓家”,首先要解决的问题是安全。

“氢气使用中的安全风险要可防可控。”中国工程院院士涂善东认为,氢能利用未来可期,但安全技术应该先行,然后是法规体系的完善,这是推动其安全应用的关键。

氢的危险性主要有易泄漏、极宽的燃烧范围、易燃易爆等。涂善东表示,氢能的本质安全利用问题需要关注本质安全储运工艺和装备技术。保障氢能本质安全的基础是材料,当前行业迫切需要抗氢损伤的高强材料。其研究方向的第一个方法是用涂层覆盖,第二个方法是阻止氢在材料内部扩散,第三个方法是在微结构调控引入抗氢的成本。

储氢技术各有优劣,均无法兼顾安全、效率和成本。目前应用较为广泛、普遍看好的高压储氢技术,仍然无法彻底消除泄漏、火灾、爆炸等风险。储氢压力容器、氢燃机等相关装备的研制也无法满足产业发展需求,尤其加氢站建设严重滞后,是制约氢能发展的主要障碍。

他表示,希望在氢能制造装备中,形成一种新的制造模式:一代材料、一代可靠性技术和一代先进的装备共同发展。

“氢气的安全防控风险并不比汽油和天然气更大。”曹湘洪介绍,氢气爆炸浓度范围为18.3%~59%,爆炸能量相当于汽油的1/22。在日本,大阪市城东区加氢站液氢储罐与居民区的距离仅18米,而且他们还在进行氢能示范社区试点,利用燃料电池机组自发供电,同时产生热水。他指出,为提升加氢站安全性,地下储氢技术、地下储氢加氢站和地下储氢油氢合建站标准的制定,同样是当前需要研究和突破的问题。

“氢气安全性能比汽油高,证明氢燃料电池汽车还是很安全的。”张久俊也表示,氢能的普及,一方面需要技术上的安全保障,另一方面要提高大众对氢能的认识。

数说“氢”事

当前全世界氢气制造有96%来自化石能源,仅有4%来自电解氢或者化工、冶金等工业副产氢。

截至2020年底,全球氢燃料汽车保有量3.25万辆,其中

亚洲占59%

北美占32%

欧洲占9%

2020年,我国燃料电池汽车产销量分别为1199辆和1177辆;燃料电池汽车总量为7352辆,仅次于美国的8039辆,居全球第二位。预计2025年,我国燃料电池汽车保有量可达到10万辆,加氢站将超过600座。

截至2020年底,全球已有33个国家进行加氢站布局,共建成584座加氢站,其中日本以近150座加氢站领跑。我国则是加氢站增长最快的国家,目前已有超过100座加氢站投入运营。

我国氢能发展的特点

●政府推动快速起步;

●煤炭目前是制氢的主要原料;