开展氢能技能是完成碳中和方针的重要途径之一
碳达峰、碳中和是动力体系的一场深入革新，也是“一场广泛而深入的经济社会体系性革新”，更是完结我国快速开展换道逾越的严重机会。2021年将是我国发动完结近170年来人类依托化石动力年代的元年。
氢能不只是动力的重要来历，更重要的是其动力特色能够助力构建以新动力为主体的新式电力（动力）体系。开展氢能技能是完结碳中和的重要途径。固态氧化物电池（SOC）是完结氢能运用的要害途径，既能够电解水发生氢，又能够共解二氧化碳，还能够供给低碳（零碳）电力，完结跨季储能，美国和欧洲已有许多成功的事例。开展SOC及其相关技能，是未来新技能、新工业的重要选项。我国应以欧洲碳中和脱碳之路为鉴，超前布局“绿色氢”“绿色碳”“绿色电”等低碳技能，然后构建新动力为主体的新式电力（动力）体系，尽早完结碳达峰、碳中和，坚持不懈推动动力革新与生态文明建造。
碳中和是全球大趋势
跟着应对气候变化问题成为全球各国政府的一致，推动碳达峰、碳中和成为全球大趋势，也正式提上了各国政府作业的议程和时刻表。
众所周知，操控好二氧化碳排放是完结碳达峰、碳中和（以下简称“双碳方针”）的中心。据研讨发现，二氧化碳与全球气温升高存在显着的、线性的正相关联系。1880年第2次工业革新至2018年间，人类活动构成大气中温室气体浓度显着添加，远远超出工业化前几千年的均匀水平，同一时刻全球温升到达1.2摄氏度，并且在曩昔几十年内，二氧化碳排放上升速率快速增加。假如不加以操控，到本世纪末，气温上升将到达3摄氏度。研讨定论指出，当全球温升超越2摄氏度时，海平面上升、冰川消融，整个天然生态体系都将遭受不行修正的损坏。这也是全球各国政府到达巴黎协议尽力削减温室气体排放、将温度上升操控在2摄氏度之内，并力求操控在1.5摄氏度的重要原因。
2014年，据世界动力署（IEA）统计数据效果显现，全球首要经济体温室气体排放总量达480亿吨，其间美国66亿吨、欧盟43亿吨、我国125亿吨，而美、欧、中的非二氧化碳温室气体排放量分别为13亿吨、8.2亿吨、20亿吨，非二氧化碳温室气体排放量占比分别为20%、19%和16%。从数据上看，我国温室气体排放量占全世界四分之一左右，当然这与工业规划、人口等要素有关。
实际上，从世界范围来看，二氧化碳排放与工业、与动力密切相关，全体而言，动力消耗的添加也与二氧化碳的添加存在线性正相关联系。近年来，欧洲、美国和日本现已完结工业化，高耗能工业现已逐渐退出或搬运，经济增加与动力需求底子脱钩，均现已碳达峰，达峰时刻分别为1987年，2007年以及2008年。而我国现在仍处于工业化、城镇化进程中，一次动力消费仍处于增加趋势中，并且，与欧盟、美国、日本比较，我国从碳达峰到碳中和的时刻要短得多，从碳达峰到碳中和的时刻只要30年，因而，要支付愈加艰苦的尽力。
作为二氧化碳排放的首要来历之一，动力电力行业在我国完结“双碳”方针的进程中扮演着领军者、主力军的人物，咱们有必要探究打造归于未来的低碳（零碳）动力电力体系。
“双碳”方针：我国的任务与担任
“双碳”方针表现了我国的任务与担任，完结“双碳”方针具有政治、经济等层面的多重含义，但一起也面临着诸多困难与应战。
在升温操控在2摄氏度方针下，我国2050年一次动力消费与构成的方针是：非化石动力占比大于70%，非化石电力占比大于90%，终端电力比重55%以上。这一方针极具应战性，但任何事情都是相对的，这不只仅是应战，仍是机会。完结2摄氏度方针导向的转型途径，2020~2050年需求新添加投资约127万亿元，约占每年GDP1.5%~2%。因而，“双碳”方针也会带来经济增加点和新就业机会。
“双碳”方针具有三个严重含义：
首要，完结“双碳”方针是一场广泛而深入的经济社会体系性革新，事关中华民族的巨大复兴。现在，我国的开展、我国的位置现已遭到世界注目。以美国为首的西方世界，企图对立我国的悉数理念和举动，但气候变化问题作为人类一起关怀和支撑的论题，没有人能够提出对立定见。习近平总书记正是敏锐地观察了气候变化这个论题的重要性，然后占据主动位置，提高了我国的世界位置和话语权。
其次，“双碳”方针意味着动力范畴的深层次革新，而前史上动力范畴的数次革新都推动了工业革新，完结社会的完好前进。未来，清洁动力将彻底代替化石动力作为根底性动力的位置，这意味着传统的动力电力行业要发生推翻式的革新。我国将经过对国民经济的根底命脉建议一次底子改动，然后去倒逼我国经济完结绿色开展。
终究，众所周知，我国70%的石油依托进口，长时刻受美国限制。前述动力电力的深层次革新便是要经过清洁动力的代替，彻底脱节对石油的依托，然后打破西方社会运用石油动力对我国的封闭，改动全球以石油为主导的地缘政治格式。170年来人类依托化石动力的前史行将迎来终止符，我国将用未来四十年的时刻敏捷完结从化石动力到清洁动力的过渡。
相同也要认识到，“双碳”方针的时刻紧、难度大、任务重，咱们会遇到许多应战，其间有三点应战是最困难、也是最中心的。
第一大应战是消纳问题。2030年我国风、光发电装机总容量至少将达12亿千瓦，换言之至少是现有装机容量的2~3倍，能否有用消纳风景电能将成为严重应战：我国风景资源首要会集在三北区域，但是三北区域负荷水平遍及偏低，本身消纳才能弱；特高压运送容量还有待大幅提高；一起，按现有技能，特高压运送有必要配套安稳电源，而现阶段大部分区域配套了必定份额的煤电，到2030年后，大规划建造煤电站来配套新动力运送，显着不大或许了。因而，咱们有必要探究新的风景电能的消纳之道。
第二大应战是由我国的动力禀赋带来的。我国首要是化石动力并以煤炭为主，除了大力开展新动力和低碳工业以外，怎么有用完结二氧化碳的中和将是一个严重应战。据预测，2030年二氧化碳排放约为105亿吨，2060年约为20~30亿吨，天然平衡二氧化碳远缺乏以中和工业排放，现有处理大规划二氧化碳的手法首要是回注和填埋（CCUS），没有呈现大规划绿色运用二氧化碳的技能手法。且依据最新的研讨发现，回注和填埋二氧化碳的方法并非一了百了，存在二氧化碳外溢的或许，一起这类设备运转本钱较高。因而，咱们有必要探究二氧化碳大规划绿色化运用的手法和方法。
第三大应战是电力体系将面临“空心化”的应战。大规划新动力条件下构建“以新动力为主体的新式电力体系”，传统燃煤电站将成为辅佐电源，若未来调峰才能、转动惯量缺乏，将严重威胁电力体系安全安稳运转。除此之外，还有特高压大功率汇入区域电力网，怎么处理区域电网“虎头蛇尾”现象；高份额分布式新动力并网，怎么处理电力动摇、以及静态和动态安稳问题；严重天然灾害状况下怎么应对电网的供电牢靠性应战：如美国德州大停电事情。因而，咱们有必要探究建造能保证新式电力体系安稳牢靠运转的支撑体系。
未来的电力体系以新动力为主，而新动力的中心首要是风和光。水电是有限的，而风景电能最大的特色是不确定性。如今的电力体系是依据负荷安排发电，这在电力满足的状况下不存在问题。但假如未来90%的电力来历于可再生动力，这样的间歇性电力体系存在区域或必定时刻段缺电的危险和危险。处理上述问题的方法有两种：一种是全球动力互联网，即在全球范围内去调整电力、平衡电力，我国没有太阳或许风，世界上必定有其它当地有风、有太阳。二是我国横跨三个时区，必定程度上也可完结电力互济，但局部区域的天然能量（风、光）有或许呈现以天为单位、或许以周为单位的无太阳或许无风的气候状况，这时就需求树立中长时刻和跨季储能，以对电力体系进行赋能，满意体系负荷平衡要求。
欧洲碳中和的脱碳之路
“夫以铜为镜，能够正衣冠；以古为镜，能够知兴替；以人为镜，能够明得失。”欧洲走向碳中和的脱碳之路，可给予我国建造性定见与思路，然后少走许多弯路。
2019年12月11日，欧洲议会经过了《欧洲绿色新政》，其间心内容是在2050年完结气候中和。气候中和是碳中和的延伸，它把除二氧化碳外其它的温室气体也包含在内。欧洲首要经过立法的方法把2050年气候中和方针入法，经过法令来保证2050年完结气候中和。除了立法，还拟定了8个气候中和方针，触及动力、工业、修建、交通、农业、生态和环境这8个方面。欧洲还有煤炭脱碳计划，欧洲一切国家对“脱煤”都有清晰的时刻表，2040年前煤炭有必要被悉数代替，现在也正在评论2050年前“脱气”的各种计划。
实际上，欧洲在脱碳之路上也遇到了许多瓶颈、徘徊、困惑与应战——欧洲计划在2050年完结新动力占比到达90%，但新动力的开展与土地、电价、电网都存在很多难以谐和的对立与困局。
以欧洲北海区域呈现的“负电价”困局为例，欧洲北海海优势电资源丰富，北海邻近的国家包含英国、荷兰、德国、丹麦和挪威，当地风资源均匀可运用小时达4000小时以上，部分区域能到达5000小时，可谓资源优异。风电企业经营执照有用期为20年，电价约为10~15欧分每千瓦时，其盈余空间巨大。丰盛的赢利招引了很多资金与企业涌入商场。欧洲的电力商场首要以国家为单位，国与国之间的电力买卖较少，仅占10%，因而电首要是各个国家自发自用。因为电力商场调节才能有限，“负电价”问题爆发，即发了电之后政府掏钱给用户补助用电，随后还衍生出一系列问题。从效果来看，欧洲动力结构被从头界说。其一，因为电力就地消纳，与电网运送互为补充，因而，可再生动力的消纳部分与电网运送解耦；其二，欧洲施行沙漠计划，数个国家联合开发撒哈拉沙漠，企图将撒哈拉沙漠出产的风景电能运送到欧洲运用。依据全球动力互联网开展协作安排的研讨，撒哈拉沙漠7%的风景资源就可支撑起整个欧洲的电能需求。但数年后，上述计划宣告失利、相关安排也大幅萎缩。其失利原因在于，送电有必要经过地中海，欧洲没有特高压，只能经过一般输电线路，运用一般电缆从撒哈拉到欧洲的输电费用为特高压的5~8倍。
近几年该安排又有了从头发动的趋势，仍是在撒哈拉沙漠大规划建风电和光伏电场，就地制氢，选用管道经过地中海向欧洲输氢，而管道输氢的本钱比建造特高压要低得多。这样，可再生动力的动能就能够得到充沛的开释。经过氢能以及液态空气储能，不只能够就地消纳电力，完结跨季储能，还可逐渐代替部分燃煤电厂，对电网负荷平衡进行赋能。德国正是最早提出跨季储能概念并付诸实践的国家之一，他们从跨季储能到施行国家战略计划“电到气”（Power to X），经过开展绿氢，终究完结电氢耦合以及电氢热耦合，然后开释新动力开展动能。
现在， 欧洲完结碳中和首要是依托清洁动力、绿氢和节能三大支柱。
一是节能增效，开展绿色循环经济，欧洲能效水平比我国要高一档，但他们仍然非常重视节能作业。他们以能效为中心，构建循环动力体系，充沛再运用废热、废水等动力。节省下来的动力是最清洁、最有价值的绿色动力。
二是施行以清洁动力为支撑的终端用能电气化，以完结化石动力的代替，着重依据清洁动力的电能，在终端范畴推动电气化，加大电力代替。
三是对无法完结电气化的范畴，施行绿色氢能代替。比如在冶金工业、化工业等，以及重型货车、铁路、航空和海上运送等等。
欧洲现在有许多氢能演示项目，如德国Get H2项目，德国提出氢能开展的方针是占悉数动力的24%、欧盟全体方针到达30%。氢能在欧洲完结碳中和进程中发挥着非常重要的效果。
氢能技能助力碳中和开展之路
氢具有动力特色，是最清洁的二次动力，动力体系应完结“宜电则电，宜氢则氢”。氢来历广泛，氢作为动力，动力密度高，可完结彻底零排放、可循环，是除可再生电力之外最清洁的动力运用方法。一起，氢能运用是能够与化石燃料清洁低碳运用、可再生动力规划化运用相互并行的一种可继续动力运用途径。氢不像电、不需求每分每秒都完结平衡。总而言之，绿氢和绿电像是天生一对的“好兄弟”，能处理未来咱们对动力各方面的需求。
现在，氢的来历首要仍是化石动力：全球年产氢5000万吨，其间96%来历于传统动力的化学重整，4%来自于电解水（真实的绿色制氢）。据澳大利亚动力研讨院效果显现，当可再生动力制氢本钱到达1美分的时分，它就比其它一切的常规制氢方法都要有竞争力。
制氢有三大技能道路：
第一个是高温固体氧化物电池（SOEC），该技能最中心的优势是廉价、功率高，功率大于90%，3~3.5千瓦时电可出产1公升的氢，缺陷是有必要高温运转。现在，欧洲正逐渐在构成推行SOEC的趋势。
第二个是碱性制氢（AEC），这个技能是最老练、开展前史最悠长的。40年前挪威就开端工业化制氢，这一技能计划造价廉价，生命周期较长。而AEC最中心的特色是要求电力安稳牢靠，最合适运用水电，不合适风景等间歇性电能。该技能优缺陷显着，运转简略，占用场地大，副产物存在必定的污染。
第三个是质子交流膜制氢（PEM），该技能合适运用风景电等间歇性电源，原因在于发动温度在100摄氏度以下，灵活性强。但也有两个致命性缺陷：第一个是运转寿命短（2~3年），第二个是资料贵重（金属铂），对资料性质要求高。
绿氢的未来，取决于电价是否廉价、设备和技能是否老练以及政府方针支撑的力度是否满足。水电、海优势电、陆优势电、光伏制氢本钱现在都比煤制氢要高，但它们都呈下降趋势，未来迟早会低于煤制氢。
除此之外，氢能开展还要考虑一个问题——氢的运送。欧洲运用了管道运送的方法，因为他们有巨大的天然气管道网络有关，经过必定改造，欧洲的管道就能够用于输氢。但我国的燃气管道因为管道原料的原因，还需求经过专门的研讨和改造。
氢能运送还能够施行氢化工，行将绿氢就地转换为氨或甲醇等，在常温常压下进行运送。氨或甲醇不只是高附加值的化工产品，并且更是高效的清洁动力。
世界动力署IEA引荐的大规划氢能运送方法是液体有机氢载体输氢（LOHC），简略地说便是把氢融在油里，油罐车、油轮不需任何改造，就能够完结常温常压大规划长距离运送。这项技能在我国现已有相关的研讨和试点。
除了绿色氢，还有绿色碳。在“双碳”方针下，怎么高效转化运用二氧化碳，将其变废为宝，成为动力化工范畴的研讨热门和难点。大规划处理二氧化碳的手法，其间一个便是SOEC，经过固体氧化物电池用水蒸气混合二氧化碳共解制合成气。合成气是一种清洁燃料，一起也是附加值很高的化工产品。欧洲现在有几个演示项目。这个技能值得咱们深入研讨并进一步推行。
终究一个是绿色电，这也是咱们未来电力行业巨大的开展机会。以燃料电池为例，输入是氢，输出的是电和水。反过来，它还能够经过消纳清洁动力电解水，输入是清洁电和水，输出是氢和氧。从能效的视点来讲，燃料电池能效能到达90%。
另一方面，“双碳”方针是否能够顺利完结，要害是能否建成以新动力为主体的新式电力体系。到2060年，90%的电力将来自清洁动力，即首要来自风、光。因为风、光电能的间歇性和动摇性，保证电力体系的全时域功率平衡将是新式电力体系有必要要面临和要处理的首要问题，一起，以清洁动力为主体的电力体系具有弱转动惯量的问题，怎么保证体系的动态安稳，将是一个有必要处理的严重课题。
固体氧化物燃料电池发电体系将会为未来新式电力体系供给一个重要和有用的处理计划。一是能够逐渐代替燃煤电站，为体系供给高效能的全时域储能，添补风、光电能间歇性构成的体系功率缺额，支撑电力体系安稳运转，二是运用其700摄氏度以上作业温度的特色，能够与汽轮机组成联合循环机组，为电力体系供给转动惯量，三是其输入不只能够是氢能，还能够是天然气、煤气和沼气等燃料气，经过固体氧化物燃料电池前置的重整设备能够将氢能和二氧化碳别离，完结二氧化碳收回和零碳发电。因为其电堆首要设备由陶瓷片组成，出产本钱相对于其他方式的储能将会有很强的竞争力。
综上所述，氢能技能是完结碳中和的重要途径之一。氢能是最清洁的绿色动力，开展绿氢是我国氢能工业的重要选项。氢能不只是动力重要来历，更重要的是其动力特色，能够助力以新动力为主体的新式电力体系。固体氧化物电池SOEC是完结氢能运用的重要途径，既能够电解水发生氢，又能够共解二氧化碳，还能够供给低碳（零碳）电力，完结跨季储能，因而，开展SOEC及其相关技能，是未来新技能新工业的重要选项。
