碳中和是國家主席習近平代表中國對世界作出的莊嚴承諾，是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟社會系統(tǒng)性變革，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。它有三個重大意義：第一，事關(guān)中華民族偉大復(fù)興。自改革開放以來，中國經(jīng)濟實現(xiàn)了快速發(fā)展，經(jīng)濟總量已躍居世界第二，與美國經(jīng)濟規(guī)模的差距也在快速縮小，2020年中國的GDP約為美國的70%。當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，面臨的機遇和挑戰(zhàn)都有新變化?！?/span>3060”雙碳目標是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，實現(xiàn)雙碳目標這場革命將為新時代中國經(jīng)濟提供新的機遇，中國將通過搶占氣候變化和能源革命的先機和話語權(quán)，在新發(fā)展賽道中獲得主導(dǎo)權(quán)。第二，碳中和首先是一場深刻的能源革命。目前看，化石能源的使用占整個二氧化碳排放量的80%以上，因此要減少二氧化碳排放必須從能源革命入手，通過開發(fā)新能源和零碳能源來替代傳統(tǒng)的化石能源，倒逼中國經(jīng)濟實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型，完成從工業(yè)革命、工業(yè)文明到生態(tài)文明的轉(zhuǎn)變。第三，目前中國的石油70%依靠進口，通過發(fā)展新能源和零碳能源，轉(zhuǎn)換能源賽道，將進一步打破以美國為首的西方國家對石油的壟斷，取得能源發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。
一、歐洲碳中和的脫碳之路
2019年12月11日，歐盟委員會發(fā)布了《歐洲綠色新政》，明確提出歐洲向清潔能源和循環(huán)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要目標和任務(wù)，要求歐洲在2050年成為全球首個實現(xiàn)碳中和的大陸，以緩解氣候變化、促進歐洲經(jīng)濟穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。
《歐州綠色新政》有兩個重要特點：一是將歐盟2050年實現(xiàn)碳中和目標納入法律框架，通過立法來保障碳中和目標的實現(xiàn)；二是對能源、工業(yè)、建筑、交通、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境7個重點領(lǐng)域，明確了實現(xiàn)目標的路徑，提出了落實目標的關(guān)鍵政策、措施、路線圖和詳細的規(guī)劃方案。
從能源革命來講，首先是通過能源替代，減少二氧化碳排放。歐洲早已啟動去核電和淘汰煤電的進程，其中，德國計劃于2038年前關(guān)閉所有煤電廠，自此歐盟范圍內(nèi)將不再有煤電。同時，歐盟也在討論2050年前實現(xiàn)天然氣的退出。可以說，歐洲經(jīng)歷了一系列非常重大的事件和變革，走出了一條比較徹底的退出化石能源的道路。
歐洲以碳中和為目標的能源革命主要依靠節(jié)能、清潔能源和綠氫三大支柱，即能效、電氣化以及綠色氫能。
第一個支柱，即建立和完善以能效為核心，以節(jié)能為重點，以循環(huán)經(jīng)濟為抓手的循環(huán)能源體系，致力于將電、熱、氣、水和工業(yè)過程進行綜合利用，并充分關(guān)聯(lián)各獨立工業(yè)過程的輸入輸出，實現(xiàn)資源的循環(huán)高效利用。歐洲認為，節(jié)能增效是第一綠色能源，能效和循環(huán)經(jīng)濟是應(yīng)對能源變革的最有效方案之一。歐盟近期已經(jīng)把能源效率目標從烏克蘭危機前原計劃的9%提升至13%。目前，鑒于烏克蘭危機給歐洲帶來的巨大能源危機，歐洲各國已加大節(jié)能減碳力度，一是提倡消費者節(jié)能減碳的自覺行為；二是加快推廣節(jié)能增效技術(shù)，特別是德國政府，已采取諸多措施如加大力度推廣低能耗和高能效的綠色和被動能源建筑，其中被動能源建筑的能耗可以降至未經(jīng)改造建筑的10%。值得指出的是，目前中國單位GDP能耗是德國的2.9倍，德國在能耗如此低的情況下，仍將能效提升作為整個能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，目的就是要實現(xiàn)德國專家們預(yù)見的目標，即到2045年德國的能源消費在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再降低一半。
第二個支柱，即清潔能源支撐的電氣化，包含兩層意思，一是電從清潔能源來，二是在用能終端取代化石能源，取代石油、天然氣。在很長一段時間里，德國能源轉(zhuǎn)型與電力轉(zhuǎn)型幾乎是同一個概念，能源轉(zhuǎn)型大都與風能和太陽能等清潔能源有關(guān)。后來，由于德國熱能在終端消費總量中占據(jù)很大比例，這讓德國慢慢意識到能源轉(zhuǎn)型還應(yīng)包括終端用能的供熱轉(zhuǎn)型，進而開始關(guān)注電轉(zhuǎn)熱和地熱等其他清潔熱能的化石能源替代。此外，德國在交通領(lǐng)域的能源需求已占終端能源消費總量的30%左右，因而又啟動了大規(guī)模的交通電氣化進程，并通過了2030年后禁止銷售傳統(tǒng)燃油汽車的提案。
"部分西方發(fā)達國家已開始在提供離網(wǎng)大型動力和燃燒屬性方面進行技術(shù)儲備，未來化石能源的零碳替代將成為大概率事件。"
綜上所述，德國的電力轉(zhuǎn)型、熱能轉(zhuǎn)型以及交通能源轉(zhuǎn)型的實質(zhì)是以清潔能源電氣化為目標的綜合能源轉(zhuǎn)型。盡管在綜合能源轉(zhuǎn)型的道路上困難重重，但德國各界已基本達成共識，即基于清潔能源的電氣化程度應(yīng)達到能源消費的80%。可以說，清潔能源支撐的電氣化是實現(xiàn)氣候目標的重要路徑，也是解決綠色環(huán)保問題的重要手段。
要實現(xiàn)清潔能源支撐的電氣化，一個繞不開的問題是德國電網(wǎng)的改造和電力市場的建設(shè)。德國對其以發(fā)展風光電為主的電力轉(zhuǎn)型持樂觀態(tài)度。2020年，德國可再生能源發(fā)電在電力消費中的份額為51%，預(yù)計到2030年將達到65%，與此同時，德國意識到其電網(wǎng)擴建嚴重滯后的問題。截至目前，德國計劃建設(shè)的7700公里電力線路中，僅建設(shè)完成約1500公里，特別是計劃建設(shè)連接風電資源集中的北部海上風場的三條高壓直流輸電走廊，一觸沒有建成。這在客觀上制約了德國可再生能源進一步規(guī)模發(fā)展。
為此，德國除了加強對電網(wǎng)運行的控制外，還建立了一套高比例可再生能源的電力市場機制，以保證2030年可再生能源達到65%這一目標的實現(xiàn)。德國電力市場的核心是平衡基團機制。平衡基團是一個虛擬的市場基本單元，利用虛擬電廠買入和賣出電量，實現(xiàn)單元內(nèi)發(fā)電和用電電量的平衡。輸電公司根據(jù)平衡基團買入或賣出的電量做出全區(qū)域的電量平衡計劃并完成電網(wǎng)的安全校核。虛擬電廠平臺商參加現(xiàn)貨市場的能源交易，現(xiàn)貨市場上的可再生能源越多，競買競賣就越激烈，這促使了可再生能源充分的競價上網(wǎng)。進一步，通過高精度的可再生能源發(fā)電量的預(yù)測，大大提升了可再生能源發(fā)電的靈活性。通過上述機制和手段，德國階段性地解決了可再生能源的消納，且保障了高比例可再生能源電網(wǎng)的安全運行。
第三個支柱，即在重工業(yè)、重型交通、鐵路、航空、航海、化工工業(yè)、冶金工業(yè)等難以實現(xiàn)電氣化的領(lǐng)域采用氫能替代。氫能替代主要聚焦電氣化難以替代化石能源的兩個重要方面，一是提供大型離網(wǎng)動力的能力，二是化石能源的燃燒屬性。
就大型離網(wǎng)動力來說，歐盟委員會于2020年12月發(fā)布的《可持續(xù)和智能交通戰(zhàn)略》中提出，將進一步削減交通運輸領(lǐng)域的二氧化碳排放，并明確了在這一過程中氫能將發(fā)揮的重要作用。目前，歐洲已在氫能重卡、氫能列車、氫能船艦和氫能飛機等重型交通領(lǐng)域展開頂層設(shè)計，并在產(chǎn)業(yè)上開始積極布局。2020年4月21日，沃爾沃集團(VolvoGroup)和戴姆勒卡車公司(DaimlerTruck)宣布將成立合資企業(yè)，加快重型卡車燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)；2020年9月22H，空中客車公司公布了3款氫能源概念飛機，代號ZEROe；2021年9月18日，德國推出了世界上第一輛氫動力列車;瑞典航運公司RederiABGodand也正在開發(fā)瑞典第一艘用于客運和貨運的大型氫動力船；等等。有關(guān)方面預(yù)計，到2025年，在歐洲使用的氫動力卡車數(shù)量將達到1萬輛；到2030年,將增至10萬輛。2030年后，海上和航空部門的氫應(yīng)用將大規(guī)模啟動。
就氫能的燃燒屬性來說，德國已展開不少創(chuàng)新性嘗試。2018年1月11日，德國蒂森克虜伯斯塔爾鋼廠進行了世界上首次以氫代煤實驗。氫氣作為鐵礦石無排放的還原劑，可以減少乃至最終完全避免鋼鐵生產(chǎn)中二氧化碳的排放。在冶金工業(yè)中，未來以氫代煤，通過“氫能煉鋼”實現(xiàn)零碳排放已在技術(shù)上有了較大突破。
西門子于2019年1月發(fā)布了氫燃氣輪機計劃，到2030年將推出各種型號氫能燃氣輪機，這些氫燃氣輪機將自2020年起，在燃料氣中逐步將氫能的占比從20%提升至100%。要實現(xiàn)這一目標，必須在技術(shù)上解決“在絕熱條件下，氫的火焰溫度比甲烷高出近300但自燃延遲時間卻比甲烷低三倍以上”這一矛盾。歐洲現(xiàn)已通過控制高活性燃料的火焰和保持燃燒系統(tǒng)的完整性等方法，基本解決了這一技術(shù)難題。
為探索電氣化無法替代化石能源領(lǐng)域里氫能替代的系統(tǒng)性解決方案和路徑，德國已開始實施一項氫穌范工程：首先通過清潔能源高溫電解制氫，將制氫產(chǎn)生的熱能進行區(qū)域供熱，產(chǎn)生的氫氣應(yīng)用于冶金、等領(lǐng)域，并實現(xiàn)建筑供能，富裕的氫氣儲存在經(jīng)過改造的廢棄鹽礦中，通過市政和交通的綜合加氫站實現(xiàn)氫能的配送。這一示范工程以電氣化為主，氫能配合，整個用能體系基本上可以實現(xiàn)清潔零碳運行。與此同時，日本的氫能實踐也取得了一定成果。在日常生活領(lǐng)域，日本提出將氫供應(yīng)到每個建筑單元，再通過分布式燃料電池發(fā)電和供熱以實現(xiàn)建筑供能的零碳方案。
由此可見，歐洲等西方發(fā)達國家已開始在提供離網(wǎng)大型動力和燃燒屬性方面進行技術(shù)儲備，相信在不遠的未來，化石能源的零碳替代將成為大概率事件。
二、電氫耦合協(xié)調(diào)，助力實現(xiàn)“雙碳”目標
中國在提出以新能源為主體的能源轉(zhuǎn)型過程中，要達到“雙碳“目標，面臨著非常多的挑戰(zhàn)。習近平總書記指出，綠色轉(zhuǎn)型是一個過程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能夠未立先破。先立后破就是要在大力建設(shè)清潔能源的同時，依托技術(shù)創(chuàng)新，確保清潔能源配上相應(yīng)的儲能技術(shù)成為穩(wěn)定電源后，才能有條件地逐漸退出煤炭能源。
發(fā)展清潔能源的重要路徑是發(fā)展清潔電能，重點是大力開發(fā)風光水電能。但是清潔電力不可能完全替代化石能源，因為清潔電能目前還不具備化石能源所具有的燃燒屬性以及提供離網(wǎng)大型動力的能力。要完全替代化石能源，還應(yīng)輔之以氫能，即以清潔電為主，以氫代煤、以氫代油，實行以氫基能源為輔的電氫耦合協(xié)調(diào)機制，以保證綠色能源的安全供給。因此，電氫耦合協(xié)調(diào)將是中國未來能源發(fā)展格局的必然選擇。
能源替代面臨的第一個挑戰(zhàn)，是大量建設(shè)風光電能后的消納問題。截至2021年底，中國風電裝機容量約3.28億千瓦，太陽能發(fā)電裝機容量約3.06億千瓦，預(yù)計到2030年風光發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。樂觀估計，實際數(shù)字會遠超12億千瓦，甚至達到15億至18億千瓦，是現(xiàn)有風光發(fā)電總裝機容量的3倍左右。而現(xiàn)在對6.34億千瓦的消納已經(jīng)非常吃力，增加3倍后，是仍然靠電網(wǎng)進行全部消納，還是需要其他手段就地消納，都是擺在中國面前必須回答的問題。
能源替代面臨的第二個挑戰(zhàn)，是風光電能的間歇性、隨機性與電力系統(tǒng)供給的剛性比較，兩者間存在巨大的矛盾。以前電網(wǎng)能夠保證穩(wěn)定，主要是依靠火電、水電以及核電根據(jù)電網(wǎng)的需求來動態(tài)地調(diào)節(jié)電力平衡。而未來以新能源為主體的電力系統(tǒng)中，風和光是靠天吃飯,在此情況下，如何保證新型電力系統(tǒng)全時域的功率平衡和動態(tài)穩(wěn)定運行將成為重大挑戰(zhàn)。
要迎接這兩大挑戰(zhàn)，必須在“先立”的過程中，建設(shè)全時域電能消納和儲能體系，使新能源為主體的電源成為穩(wěn)定電源，然后才能逐步退出煤炭能源，最終在2060年達到高比例風光電能的目標。
迎接第一個挑戰(zhàn)：
電氫耦合協(xié)調(diào)，保證綠色能源供給
迎接第一個挑戰(zhàn)，首先就是要保證風光能源在開發(fā)過程中能夠得到及時有效的消納。當前主要依靠電網(wǎng)消納風光水電能的模式是不夠的，必須擁有就地消納多余風光新能源的能力和各種手段。以歐洲環(huán)北海地區(qū)七個國家為例，英國、德國、法國、荷蘭、比利時、丹麥、挪威在北海建造了大量風電場，原因是這里風資源非常好，年均4000小時、甚至達到5000多小時。由于歐洲電網(wǎng)不具備大功率電能傳輸?shù)哪芰?，所以當風電場所發(fā)電力過剩時，只能在電力市場中通過負電價機制進行調(diào)節(jié)。負電價意味著用戶可以免費用電，同時還可以得到補貼。負電價政策推進了一種新的趨勢，即通過制氫就地消納多余的風光電能。
歐洲的天然氣管網(wǎng)非常發(fā)達，而且經(jīng)過大量的運行實踐，有專家指出，風光電制氫后可以釆用天然氣管道輸氫，直達千家萬戶。除管道輸氫外，還有很多氫化工措施，比如就地制氫后，再就地把氫變成甲醇或者氨，用常溫常壓的方式把甲醇和氨送到所需要的地方，然后再利用。
談到制氫，目前全球年產(chǎn)氫5000萬噸，其中96%以上來自于化工，即來自于灰氫和藍氫，僅有4%來源于電解水制氫。化工制氫會排放大量的二氧化碳，這背離了碳中和之路。因此，化工制氫和綠氫制氫是兩條完全不同的道路，要實現(xiàn)氫能替代的綠色發(fā)展，綠氫是一條重要的路徑。
從綠氫制氫技術(shù)看，目前世界上有三項公認的成熟技術(shù)，即堿性制氫、質(zhì)子交換膜制氫和高溫固體氧化物電解池制氫。
① 堿性電解水制氫
(AlkalineWaterElectrolysis,ALK)。堿性制氫技術(shù)成熟且成本較低，設(shè)備使用壽命長(15年以上)。挪威于四五十年前就開始在大型水電站配備堿性制氫站，將富裕的棄水制成氫，制氫能耗介于4.5—5.5千瓦時。堿性制氫需要穩(wěn)定的電源，因為堿性電解槽兩極分別有氫氣和氧氣產(chǎn)生，當功率低于30%時，氫氧氣體就有混合而發(fā)生爆炸的危險，所以，堿性電解水制氫不適用于單獨使用風光電制氫的模式。
② 質(zhì)子交換膜
(ProtonExchangeMembrane,PEM)制氫。其制氫原理與堿性電解水制氫原理相同，但PEM技術(shù)使用固態(tài)聚合物陽離子交換膜，通過此交換膜分隔陰陽兩極并傳導(dǎo)導(dǎo)電氫離子。PEM技術(shù)可以毫秒級啟動，適應(yīng)風光電源制氫。但目前使用PEM技術(shù)有兩個問題待解，一是中國PEM電堆中的膜大部份依賴進口，二是電堆使用的催化劑主要依賴貴金屬鉑，而鉑金在中國沒有相應(yīng)的礦產(chǎn)，過去一段時間鉑金的價格漲幅又很大，當未來大規(guī)模采用PEM技術(shù)時，鉑金極有可能會成為中國“卡脖子”的戰(zhàn)略物資。因此，在規(guī)劃采用PEM林時，必須考慮到這一點。
③ 固體氧化物電解池
(SolidOxideElectrolysisCell,SOEC)制氫。其使用固態(tài)陶瓷作為具有高離子電導(dǎo)率和可忽略的電子電導(dǎo)的電解質(zhì)，兩端為有利于氣體擴散和傳輸?shù)亩嗫纂姌O。其制氫能耗在3.0—3.5千瓦時，比堿性及PEM制氫的能耗更低。但SOEC技術(shù)在高溫下，電堆從啟動到達到工作溫度需要耗時較長，因此這種技術(shù)也有其應(yīng)用的局限性。
除制氫技術(shù)外，實現(xiàn)綠氫大規(guī)模應(yīng)用還需解決電解水制氫的成本問題。如果光伏電解水制氫電價為0.1元/度(約L50美分/度)，其制氫成本將在10元/公斤左右。理論上，未來大規(guī)模開發(fā)光伏和風電將是一個必然趨勢，成本也會越來越低，普遍達到1.00美分/度的上網(wǎng)電價將不需要太長時間，這樣就具備了與配套CCS的煤制氫進行競爭的條件。由于未來電解水制氫成本的大幅下降是可以預(yù)期的，因此，這條路是可以走通的。
電解水就地制氫后，要把氫送出去、用起來，就需要考慮氫輸送問題。歐洲科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定程度的改造，現(xiàn)有天然氣管道可以輸送純氫，且歐洲現(xiàn)有天然氣管道基本上都可以到達最后一公里。歐洲計劃的模式是從摻氫開始，逐步過渡到輸純氫，即從現(xiàn)在起，在天然氣管道中摻入5%--20%的氫氣，再增至40%，直至100%的氫氣。預(yù)計到2030年，歐洲的純氫管網(wǎng)可達6800公里，到2040年達到23000公里。
改造現(xiàn)有輸送天然氣管道或者建設(shè)輸氫管道，可以緩解電網(wǎng)建設(shè)的難題。歐洲天然氣管道建設(shè)成本僅為建設(shè)高成路的30%-40%。由此，以高壓輸電為主，配合管道輸氫，就可以實現(xiàn)清潔能源輸送，這是歐洲的一個頂層設(shè)計。
可見，消納風光水電能，不僅有電網(wǎng)輸送這一個選項，還可以就地消納風光水電能，用以制氫或者生產(chǎn)氫基能源，然后再把制成的氫能和氫基能源通過管道或者其他方式輸送給用戶。誠如是，那么我們就可以擁有兩種清潔能源的輸送通道，即以電網(wǎng)為主，氫基能源輸送為輔，通過電氫耦合協(xié)調(diào)，構(gòu)建起電能、氫能耦合協(xié)調(diào)的輸送網(wǎng)絡(luò)，以確保綠色能源供應(yīng)。
四川省涼山州喜德縣魯基鄉(xiāng)海拔3200-3500米高山上的風力發(fā)電場，風機矗立山巔，葉片隨風旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生源源不斷的綠色電能，助力低碳減排。圖/中新社
迎接第二個挑戰(zhàn):
通過電氫融合協(xié)調(diào)，支撐電網(wǎng)全時域功率平衡，保證新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定
新型電力系統(tǒng)還面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，由于其高比例的風光電能，容易造成電力輸送的間歇性、波動性，功率很難達到平衡。其次，未來的電力系統(tǒng)具有的多源雙向特性，也給新型電力系統(tǒng)帶來功率調(diào)制的困難。第三，風光并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用了大量的電力電子設(shè)備，這會導(dǎo)致大量諧波，將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成日益增加的挑戰(zhàn)。第四，也是最關(guān)鍵的一點，現(xiàn)階段中國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定很大程度上靠火電站、水電站及核電站等傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備提供的轉(zhuǎn)動慣量，未來具有高比例風光電能的電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量將大大下降，電網(wǎng)穩(wěn)定支撐的能力也將隨之降低，如果不采取適當措施，新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行就會失去重要支撐。
綜上所述，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)面臨亟需解決的技術(shù)問題，但最大的挑戰(zhàn)還是來自于高比例的風光電能給電網(wǎng)帶來的間歇性和波動性。一天內(nèi)發(fā)電出力和負荷的規(guī)律是，晚上用電負荷減少，富裕的電力需要消納；白天電力供應(yīng)不足，不足的電力需要補充。此外，一區(qū)域內(nèi)連續(xù)多日甚至更長時間沒有太陽或無風也是自然常態(tài)。例如，在國內(nèi)某大型風力發(fā)電廠的一次出力測試中，低出力持續(xù)的時間超過8天。因此，在新型電力系統(tǒng)中，既要及時地平滑電網(wǎng)功率及頻率的波動，又要平衡電網(wǎng)的日間出力和負荷的變化，當電網(wǎng)的中長期電力缺額時，還需要為電網(wǎng)提供具有中長期及跨季能力的儲能技術(shù)。
從目前成熟的儲能技術(shù)和方式來看，電池儲能可以解決小時級的、小電量的需求，但要解決其電力波動和頻率穩(wěn)定的問題；抽水蓄能或者壓縮空氣儲能、液態(tài)空氣儲能可以提供中功率的、幾百兆瓦甚至更大的電能，但要解決其日間功率不平衡的問題，當電網(wǎng)功率缺額跨日跨周以后，抽水蓄能和壓縮空氣儲能的能力就受到了限制。
由此提出一個問題：8天甚至1個月的中長期電網(wǎng)功率穩(wěn)定如何解決？針對這種情況,歐洲提出了PowertoGas的方式，將富裕的清潔電力制氫后，氫能或者氫基能源將根據(jù)電網(wǎng)的需求進行長時間儲存，當電網(wǎng)電力缺額時，啟動氫燃料電池或者氫燃氣機發(fā)電并及時為電網(wǎng)供能，從而有效地解決電網(wǎng)中長期以及跨季儲能的問題。
美國能源部在十幾年前就頒布了一個重要的儲能計劃，通過支持發(fā)展固體氧化物電池供能系統(tǒng)(SolidOxideFuelCell,SOFC)來逐步取代火電站及燃油電站。SOFC是固體氧化物電解池SOEC的逆過程，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。它可以使用大部分含有氫基的燃料氣，包括氫氣、天然氣、煤氣以及沼氣等。SOFC可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，不但具有較高的發(fā)電效率，同時也能為電網(wǎng)提供所需的轉(zhuǎn)動慣量。相對于火電站發(fā)電要經(jīng)過幾次能量轉(zhuǎn)換，SOFC只需一次能量轉(zhuǎn)換，即把燃料氣中的電化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，所以具有很高的轉(zhuǎn)俊率。SOFC在650℃-900℃的高溫下運行，其產(chǎn)生的高溫還可以加以利用，實現(xiàn)電熱聯(lián)供，SOFC的綜合效率因此能達到80%-90%。根據(jù)美國能源部發(fā)布的數(shù)據(jù)，當SOFC裝機容量達到1GW時，其成本將比光伏、風電都低，甚至可以和燃煤電站相比。從長遠看，SOFC將成為中長期及跨季儲能供能的重要手段。
總之，電網(wǎng)必須具有小時級儲能、跨日儲能、中長期或者跨季儲能的能力。其中，需要特別關(guān)注的是中長期及跨季儲能，只有解決好這個問題，未來電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運行才能得到較好的保障。
三、重視熱能轉(zhuǎn)型：
能源綜合開發(fā)利用的更大空間
熱能轉(zhuǎn)型同樣是實現(xiàn)化石能源替代的重要方面。從歐洲終端用能體系來看，電力能源僅占30%，而熱（冷）能源則貫穿整個能源體系，占比可達50%。中國重視電氣化的推廣和儲能的開發(fā)，但對熱（冷）能源的綜合開發(fā)利用還有很大的空間。德國柏林推出的一個跨季儲能項目，是將柏林熱電廠收集的夏季廢棄熱能，注入200米深的地下加以儲存，到冬季來臨時再抽取出來為帝國大廈及其周邊建筑供暖。該項目已運行近8年，其效率高達70%以上。目前，德國正將帝國大廈的經(jīng)驗推廣至整個柏林地區(qū)以及漢堡、慕尼黑等大型城市。
此外，還可采用“大型熱泵+儲熱材料”技術(shù)，即地源、空氣源以及水源熱泵利用晚上的低谷電能供暖，并在儲熱材料中儲熱；白天用電高峰時，利用儲熱材料中儲存的熱量繼續(xù)供暖。荷蘭阿姆斯特丹就是一個典型例子，其地源和水源熱泵已經(jīng)在很大程度上取代了天然氣燃燒供暖，大部分新建的大型建筑均采用了熱泵供能的模式。大型熱泵也是德國電轉(zhuǎn)熱的一個重要手段。德國目前有大約9萬多套大型熱泵，熱泵總功率已經(jīng)超過10GW。而按德國熱泵協(xié)會的估算，到2050年，德國至少需要1700萬套熱泵才能完成熱能轉(zhuǎn)型。歐洲大量使用熱泵供熱（冷），既能有效地消納風光電能，又可以加大推廣電氣化的力度，這對中國是一個重要的啟示與借鑒。
四、展望“雙碳”遠景：
未來產(chǎn)業(yè)新賽道的思考
確定“雙碳“目標，就是要倒逼中國走上綠色發(fā)展之路。在這條道路上，會出現(xiàn)許多顛覆性技術(shù)，誕生許多新的產(chǎn)業(yè)賽道。中國幅員廣闊，資源稟賦迥異，實現(xiàn)“雙碳“目標所釆取的路徑也不盡相同。下文將以四川為例，探索未來五到十年中在能源領(lǐng)域有望出現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)賽道，通過聚焦其核心技術(shù)，以期為中國綠色轉(zhuǎn)型探路。
如今，發(fā)展風光水電為主的清潔能源已成為全社會的共識。在四川，電力供應(yīng)的80%來源于水電，同時，該省還蘊藏著大量未開發(fā)的優(yōu)質(zhì)風、光資源，總技術(shù)可開發(fā)量達1.2億千瓦。可以說，四川是典型的能源端以清潔能源為主的省份。但在工業(yè)、交通、建筑、能源等四個用能終端，要實現(xiàn)化石能源的替代，四川還有很大的空間。以成都為例，2019年二氧化碳排放總量為5796萬噸，其中工業(yè)排放占比為30%，交通排放占比為28%，建筑排放占比為23%，能源排放占比為18%。工業(yè)、交通以及建筑均為排放大戶。聚焦這些領(lǐng)域，以節(jié)能減碳、循環(huán)經(jīng)濟為抓手，大力實施電氣化和氫能（氫基能源）替代，完成產(chǎn)業(yè)賽道的升級換代，將是四川實現(xiàn)“雙碳“目標的戰(zhàn)略選擇。
四川的風光水電為綠氫制氫提供了有利條件，為此，有四川研發(fā)團隊正聚焦一種新型制氫技術(shù)，其既具備PEM適應(yīng)風光電源制氫的優(yōu)勢，又不使用貴金屬，成本只比堿性制氫稍高，符合中國需求方向，具有良好的發(fā)展前景。與此同時，四川還應(yīng)著力于氫能或氫基能源的運輸技術(shù)以及用氫技術(shù)的研發(fā)。在用氫量大的化工場景，可以考慮建設(shè)運氫實驗管道；同時,也應(yīng)重視發(fā)展氫油運輸技術(shù)(LiquidOrganicHydrogenCarriers,LOHC),以及低壓、常溫方式的氫基能源運輸技術(shù)。目前，四川已擁有從能耗到效率指標均處于國際領(lǐng)先地位的LOHC技術(shù)儲備，并擬將此技術(shù)納入研究計劃，以推動該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。只有較好地解決了氫能運輸?shù)钠款i之痛，氫能和氫基能源的應(yīng)用潛力才能得到更大程度地釋放。該研發(fā)團隊認為，將新型制氫技術(shù)、LOHC運儲技術(shù)以及SOFC發(fā)電儲能技術(shù)進行一體化的優(yōu)化設(shè)計，可以更好地適應(yīng)四川氫能產(chǎn)業(yè)的需求。在用氫方面，首先應(yīng)主要聚焦電力、工業(yè)和交通領(lǐng)域，民用的供能場景可在氫能發(fā)展到一定規(guī)模后再行進入。除此之外，可借鑒德國經(jīng)驗，加大推廣綠色循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減碳與能源綜合利用的力度。也可以選取一些工業(yè)場景，循環(huán)利用工業(yè)過程的各種資源稟賦，提升能效，打造綠色循環(huán)經(jīng)濟的試驗田和樣板工程，并加以推廣。
能源方面，要大力提升四川水電資源發(fā)展和規(guī)劃的戰(zhàn)略站位。水電不僅是四川的清潔能源，更是全國的戰(zhàn)略資源。當未來中國高比例的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電時，水電資源作為大規(guī)模儲能方式之一將成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的定海神針。再進一步看，富裕的水電可以促進氫能和氫基能源的發(fā)展，并通過電氫融合推動中下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。挪威是歐洲水電資源最多的國家，水力并網(wǎng)發(fā)電比例高達99.5%。同時，挪威作為“歐洲電網(wǎng)的儲能池”，平抑了不穩(wěn)定的風光發(fā)電，為歐洲電網(wǎng)提供了重要的功率調(diào)節(jié)能力。四川之于中國，就如挪威之于歐洲。
另外，還應(yīng)大力發(fā)展固體氧化物燃料電池供能系統(tǒng)，為新型電力系統(tǒng)提供中長期的儲能手段。目前，中國固體氧化物燃料電池技術(shù)還處于研發(fā)實驗階段，四川應(yīng)通過其研發(fā)團隊完成固體氧化物燃料電池的產(chǎn)品化,并盡快通過示范項目，推動固體氧化物燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用，引領(lǐng)未來氫能和燃料電池新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
交通方面，乘用交通和重型交通對零碳動力的依賴不同，使其零碳化路徑的選擇有所差異。在中國，以電池為動力的電動乘用車產(chǎn)能規(guī)模持續(xù)擴大，已占全球50%的市場，未來還將有很大的發(fā)展空間。隨著應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，電動乘用車的運行成本快速下降，部分可降至燃油車的10%到20%。電動乘用車的低碳、高產(chǎn)能和低成本特點，決定了有在短期內(nèi)很難被替代的優(yōu)勢。而氫能乘用車基于成本和安全的考量，在可預(yù)見的時間內(nèi)，還不具備與電動乘用車競爭的條件。另一方面，氫能或氫基能源作為向重卡和其他重型交通工具提供大型離網(wǎng)動能的最佳能源，未來具有廣闊的發(fā)展前景。由于現(xiàn)階段氫能在儲存和運輸環(huán)節(jié)還面臨一些壁壘，而氫基能源如甲醇、液氨等依托現(xiàn)有或稍作改造的運輸工具，可以實現(xiàn)低壓、常溫和低成本運輸，所以，在推廣應(yīng)用以高純度氫能為燃料氣的質(zhì)子交換膜技術(shù)的同時，也可以參考國外發(fā)展經(jīng)驗和模式，比如加拿大釆用甲醇作為燃料氣的甲醇燃料電池技術(shù)，歐洲目前正在研究的液氨作為動力的內(nèi)燃機技術(shù)，等等?？傊诋a(chǎn)業(yè)賽道上，要因地制宜，支持多種模式競爭，進而通過市場機制優(yōu)勝劣汰。
建筑方面，可以借鑒德國的低碳(零碳)或負碳建筑模式，構(gòu)建光伏、熱泵、儲能以及清潔電力的自循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)低碳或零碳排放。光伏發(fā)電可以實現(xiàn)自供電和并網(wǎng)賣電，并驅(qū)動熱泵供暖（冷），富裕電能儲存于儲能設(shè)備（電池），還可以在缺電時供能。在有條件的地區(qū)，可以考慮光伏發(fā)電和自產(chǎn)沼氣發(fā)電的相互配合，形成穩(wěn)定的小范圍供電系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，進一步利用風光電能，配合以熱泵技術(shù)為支撐的地熱資源或者工業(yè)余熱資源，打造零碳示范小鎮(zhèn)，形成低碳零碳甚至負碳建筑的行業(yè)或者國家標準。歐洲將以熱泵技術(shù)為主要手段的熱能利用作為能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，中國也應(yīng)通過研發(fā)高效復(fù)合儲熱相變材料，支撐大型熱泵技術(shù)的不斷創(chuàng)新，形成新的產(chǎn)業(yè)賽道。
工業(yè)方面，氫能和氫基能源是替代化石能源的主戰(zhàn)場。仍以四川為例，在謀劃氫能與氫基能源產(chǎn)業(yè)布局時，可考慮在化工產(chǎn)業(yè)中先行先試。一是通過化工產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)氫氣實現(xiàn)循環(huán)利用，取代天然氣和焦炭。二是通過示范相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品間輸入產(chǎn)出的循環(huán)利用，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。比如，通過電解水制氫產(chǎn)生綠氫，用空氣分離器取氮和綠氫制綠氨，綠氨吸收焦化廠生產(chǎn)焦煤所產(chǎn)生的二氧化碳，氨與二氧化碳在一定條件下將合成尿素，這樣一來，既解決了綠色焦煤生產(chǎn)中排放二氧化碳的問題，又實現(xiàn)了尿素產(chǎn)品的綠色產(chǎn)業(yè)鏈，推動焦化廠二氧化碳的綠色循環(huán)利用。三是利用動力制造行業(yè)的資源優(yōu)勢，開發(fā)氫燃氣輪機和液氨內(nèi)燃機及其附件。一來氫能是歐美錨定的未來零碳能源和動力，其制造業(yè)紛紛聚焦于燃氣輪機升級改造為氫能燃氣輪機；二來歐美將液態(tài)氨作為為大型驅(qū)動設(shè)備，特別是大型船艦提供動力的重要選項，目前已有眾多研究機構(gòu)投入液氨內(nèi)燃機技術(shù)的研發(fā)，且不乏成功案例的報道。如果將液氨發(fā)動機作為長江航運的主要動力，那么綠色長江的愿景將有望提前實現(xiàn)，這將是一項深遠戰(zhàn)略意義的工作。總之，化石能源零碳替代的新型產(chǎn)業(yè)賽道，需要凝聚核心技術(shù)，四川應(yīng)搶抓這一歷史性機遇，積極布局相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)。
能源穩(wěn)定方面，將風光水電建設(shè)成為穩(wěn)定電源。2022年四川大范圍限電，凸顯了極端天氣頻發(fā)給新能源發(fā)展帶來的前所未有的挑戰(zhàn)。四川電網(wǎng)80%是水電資源，長時間、大范圍的干旱，河水徑流量大幅跌落，水力發(fā)電嚴重不足，疊加其他電力資源配置有限，最終導(dǎo)致四川大幅度缺電。未雨綢繆、穩(wěn)定能源供給，才是破解電力負荷剛需與極端天氣下風光水電缺額之間不平衡局面的正道。而要實現(xiàn)這一目標，應(yīng)讓以下三條措施共同發(fā)力：1.在局域電網(wǎng)內(nèi)，合理配置風光水電的比例，將風光水資源建設(shè)成為能夠相互補充、相互賦能的清潔電源網(wǎng)；2.加強全國互聯(lián)互通大電網(wǎng)的建設(shè)，實現(xiàn)不同時區(qū)、不同氣候稟賦、不同自然屬性的電力跨區(qū)域互補互濟；3.通過跨周、跨月、跨季儲能項目的建設(shè)，以及加強分布式主動電源的建設(shè)——如在配電網(wǎng)中部署大量的SOFC,對電網(wǎng)實現(xiàn)長周期、特別是極端氣候條件下的電能支撐。
“綠色轉(zhuǎn)型是一個過程，不是一蹴而就的事情。要先立后破，而不能夠未立先破?！毕攘⒑笃?，就是要在大力建設(shè)清潔能源的同時，依托技術(shù)創(chuàng)新和突破，實現(xiàn)氫能和氫基能源等零碳能源的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。當新能源消納、新能源穩(wěn)定運行這兩個問題得以有效解決時，那么中國經(jīng)濟和社會退出煤炭、天然氣等化石能源就是一個水到渠成的過程，也是一個循序漸進的過程。我們有充分的理由相信，這個目標一定要實現(xiàn)，也一定能夠?qū)崿F(xiàn)。
來源：新經(jīng)濟導(dǎo)刊
