中韓（長春）國際合作示范區(qū)加制氫一體站 （國家電投集團氫能科技發(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目在中原油田順利中交，項目正式由施工階段進(jìn)入開車準(zhǔn)備階段。該項目投產(chǎn)后，將日產(chǎn)高純度綠氫1.12噸，預(yù)計年消耗可再生電力電量2520萬千瓦時，有效助力我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實施，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指出，Power-to-X是實現(xiàn)碳中和的重要方式，目前在國內(nèi)剛剛起步。中石化新疆庫車項目、寧夏寶豐將綠氫應(yīng)用在石化領(lǐng)域的項目，以及中煤集團在鄂爾多斯的10萬噸級“液態(tài)陽光甲醇”項目，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，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，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。在科技部重點研發(fā)項目支持下，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，計劃將應(yīng)用在鞍鋼集團的氫冶金技術(shù)研發(fā)中。
在氫能產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的同時，電力多元轉(zhuǎn)換模式的價值也受到關(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，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，同時便于存儲和運輸。
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，最終實現(xiàn)二氧化碳的資源化利用。
聚焦痛點
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。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)示范項目啟動。該項目規(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。目前已完成項目選址、顛覆性因素核查及申報方案編制。
“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)濟和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，提供一條新的賽道。他強調(diào)，到2030年，我國可再生能源裝機總量將突破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，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，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)通過第三方驗證，主要指標(biāo)已達(dá)國際先進(jìn)水平，同時積極布局高性能氨-氫轉(zhuǎn)化等技術(shù)領(lǐng)域，力爭早日實現(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)備的綠氫項目。
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