中韓（長春）國際合作示范區(qū)加制氫一體站 （國家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司供圖）
□ 吳 昊
日前，中國石化首個兆瓦級可再生電力電解水制氫示范項(xiàng)目在中原油田順利中交，項(xiàng)目正式由施工階段進(jìn)入開車準(zhǔn)備階段。該項(xiàng)目投產(chǎn)后，將日產(chǎn)高純度綠氫1.12噸，預(yù)計(jì)年消耗可再生電力電量2520萬千瓦時(shí)，有效助力我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，綠氫正迎來加速發(fā)展階段，而綠氫作為主要路徑的“電力多元轉(zhuǎn)換（Power-to-X）”也成為重要發(fā)展方向。中國科學(xué)院院士李燦在接受采訪時(shí)指出，Power-to-X是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要方式，目前在國內(nèi)剛剛起步。中石化新疆庫車項(xiàng)目、寧夏寶豐將綠氫應(yīng)用在石化領(lǐng)域的項(xiàng)目，以及中煤集團(tuán)在鄂爾多斯的10萬噸級“液態(tài)陽光甲醇”項(xiàng)目，都是在這一領(lǐng)域探索的典型案例。
必由之路
綠氫發(fā)展勢頭強(qiáng)勁
在“雙碳”背景下，氫能的作用正在凸顯。“過去我們做氫能，主要是針對燃料電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，但是綠氫在工業(yè)、能源領(lǐng)域有著更大的作用，尤其對于難減排的行業(yè)。”國家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司技術(shù)總監(jiān)梅武表示，在綠氫技術(shù)路線方面，國內(nèi)堿性電解水制氫裝備成本較低，而PEM電解水制氫雖然過去只有小規(guī)模應(yīng)用，在碳達(dá)峰碳中和大背景下，由于其易于與可再生能源結(jié)合的技術(shù)特點(diǎn)，未來提升空間很大。
據(jù)梅武介紹，從規(guī)模上看，我國是氫能大國，氫產(chǎn)量位居全球第一，但目前大部分是煤制氫，綠氫占比較小。近年來，綠氫裝備在國內(nèi)較受關(guān)注，尤其是今年3月，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》明確氫的能源屬性后，在資本市場得到較高的認(rèn)可。他指出，目前制氫裝備業(yè)，大型能源央國企已紛紛入局，光伏、風(fēng)電行業(yè)頭部企業(yè)也積極參與，同時(shí)，還有康明斯等國外巨頭也正在布局中國市場。
當(dāng)前，我國電解水制氫技術(shù)的布局正在提速。一方面，來自中國石化新聞處的消息稱，中國石化首套質(zhì)子交換膜（PEM）制氫示范站在所屬燕山石化啟動投用，標(biāo)志著中國石化自主研發(fā)的國產(chǎn)PEM制氫設(shè)備打通了從關(guān)鍵材料、核心部件到系統(tǒng)集成的整套流程。這是中國石化加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新實(shí)踐，為企業(yè)利用“綠電”制“綠氫”提供了可復(fù)制的工程示范。
另一方面，據(jù)預(yù)測未來5年~10年，堿性電解水制氫將是制綠氫的主流方向。我國多家電解水制氫公司正在加大力度發(fā)展堿水電解制氫技術(shù)，規(guī)模已經(jīng)達(dá)到1000立方米。在科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持下，由中科院大連化物所牽頭研發(fā)的高效大功率堿水電解制氫關(guān)鍵技術(shù)有望達(dá)到1500立方米，并沖刺到2000立方米的規(guī)模，計(jì)劃將應(yīng)用在鞍鋼集團(tuán)的氫冶金技術(shù)研發(fā)中。
在氫能產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的同時(shí)，電力多元轉(zhuǎn)換模式的價(jià)值也受到關(guān)注。在李燦看來，Power-to-X是把電力轉(zhuǎn)變成化學(xué)能或者其他的能源形式，而通過電解水制氫是必由之路。他表示，“綠氫可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域，從源頭上阻斷碳排放。當(dāng)前綠氫的發(fā)展勢頭很猛，但是這些項(xiàng)目真正投產(chǎn)，到大規(guī)模生產(chǎn)綠氫，仍需要一個過程，預(yù)計(jì)一兩年之后綠氫產(chǎn)業(yè)就會‘風(fēng)起云涌’，未來的規(guī)模將會很大。”
雙重作用
多元轉(zhuǎn)換意義重大
對于電力多元轉(zhuǎn)換模式，綠氫是一條必經(jīng)之路，而由綠氫制備綠氨、綠色甲醇也是重要的方向。“綠氨、綠色甲醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，意義非常重大。”梅武認(rèn)為，綠氨、綠色甲醇的發(fā)展，一方面，有助于解決難以通過綠電替代來脫碳的多個行業(yè)的碳減排難題，進(jìn)而促進(jìn)可再生能源高比例開發(fā)利用；另一方面，還有助于解決氫的儲運(yùn)問題。
梅武進(jìn)一步指出，目前被視為綠氫大規(guī)模推廣應(yīng)用瓶頸的儲運(yùn)環(huán)節(jié)，從中長遠(yuǎn)來看，需要通過建設(shè)管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施從根本上徹底解決。而在當(dāng)下，通過綠氨和綠色甲醇等綠氫衍生物可以利用現(xiàn)有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)大規(guī)模綠氫消納，也有著廣闊的應(yīng)用場景。比如，在大型遠(yuǎn)洋船方面，可以使用綠色甲醇作為燃料；在打通高性能氨-氫轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，綠氨將有更加廣闊的應(yīng)用前景。
在綠氫制備的Power-to-X的產(chǎn)品中，綠色甲醇也被稱作“液態(tài)陽光”，未來應(yīng)用前景十分廣泛。李燦認(rèn)為，“液態(tài)陽光”能夠大規(guī)模地消納電力，把光伏和風(fēng)能生產(chǎn)的綠電變成綠氫，再做成便于運(yùn)輸和儲存的甲醇，這樣就可以讓棄風(fēng)、棄光得到利用，并可大規(guī)模儲存波動的可再生能源電力。他強(qiáng)調(diào)，“液態(tài)陽光”甲醇作為Power-to-X的一種產(chǎn)品，可以解決氫能的儲存和應(yīng)用兩方面的問題，同時(shí)可解決剛性排碳工業(yè)領(lǐng)域（如水泥、電石冶金等）的碳中和難題。
李燦表示，Power-to-X用綠電制備綠氫，可儲存電力，但由于氫的密度很小，所以必須要有一種方便運(yùn)輸和儲存的方式，“我們將其與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，而甲醇在常溫、常壓下是液體，跟汽油相似，便于儲運(yùn)，這就是‘液態(tài)陽光’的原理，相當(dāng)于將太陽能存儲在容器里，它是Power-to-X最具代表性的一個路徑。”他指出，作為氫能的載體，甲醇的優(yōu)勢在于，氫容易釋放出來，同時(shí)便于存儲和運(yùn)輸。
在應(yīng)用方面，綠氫未來的主要應(yīng)用場景是工業(yè)領(lǐng)域的減碳。“交通領(lǐng)域二氧化碳排放占比不大，更大量的二氧化碳排放在工業(yè)領(lǐng)域，而工業(yè)的大規(guī)模減排離不開綠氫。因此，我們要把氫能作用的視野放開。”李燦表示，通過氫與二氧化碳結(jié)合生成甲醇，進(jìn)而生產(chǎn)下游的材料，比如生產(chǎn)烯烴，進(jìn)而聚合成高分子材料，把二氧化碳固化到材料中，最終實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用。
聚焦痛點(diǎn)
推動全產(chǎn)業(yè)鏈攻關(guān)
隨著一批大型央企國企的布局，電力多元轉(zhuǎn)換的構(gòu)想正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。今年年初，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司10萬噸/年液態(tài)陽光甲醇，即二氧化碳加綠氫制甲醇技術(shù)示范項(xiàng)目啟動。該項(xiàng)目規(guī)劃風(fēng)電225兆瓦、光伏400兆瓦、制氫約2.1萬噸/年、10萬噸/年二氧化碳加綠氫制甲醇，將凈減排14萬噸二氧化碳。目前已完成項(xiàng)目選址、顛覆性因素核查及申報(bào)方案編制。
“通過綠電、Power-to-X生產(chǎn)綠氫，制造綠色甲醇等產(chǎn)品，從而推動工業(yè)領(lǐng)域減排，這一前景非常廣闊。”李燦表示，甲醇還可以用來制備高端的酸、醛、脂等各種材料單體，應(yīng)用非常廣泛，未來將帶動數(shù)十萬億量級的投資和市場。在“雙碳”任務(wù)背景下，Power-to-X將有助于經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，提供一條新的賽道。他強(qiáng)調(diào)，到2030年，我國可再生能源裝機(jī)總量將突破12億千瓦，可能達(dá)到20億千瓦，大規(guī)模的新增可再生能源發(fā)電量，將更加凸顯Power-to-X消納清潔電力的功能和重要性。
對于綠氫和電力多元轉(zhuǎn)換的長期前景，業(yè)內(nèi)普遍看好。梅武預(yù)計(jì)，到2050年，全球氫氣需求或?qū)⑦_(dá)到2億噸～5億噸，其中很大一部分將來自綠氫。他指出，國家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司聚焦國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展痛點(diǎn)，在PEM制氫技術(shù)方面開展催化劑、電解質(zhì)膜、高性能膜電極與大型電解槽等全環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)的兆瓦級電解槽和電解系統(tǒng)已經(jīng)通過第三方驗(yàn)證，主要指標(biāo)已達(dá)國際先進(jìn)水平，同時(shí)積極布局高性能氨-氫轉(zhuǎn)化等技術(shù)領(lǐng)域，力爭早日實(shí)現(xiàn)綠氫及相關(guān)裝備的自主化、高端化。
其中，于今年10月啟動的“大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項(xiàng)目”是一次打造“電-氫-氨”全產(chǎn)業(yè)鏈的積極探索。據(jù)梅武介紹，該項(xiàng)目位于吉林省大安市，總投資65.36億元，配套建設(shè)80萬千瓦新能源裝機(jī)為綠電制氫、制氨提供能源，年產(chǎn)氨量18萬噸，年制氫量3.2萬噸。該項(xiàng)目是全球體量最大的應(yīng)用PEM電解水制氫設(shè)備的綠氫項(xiàng)目。
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