中國儲能網(wǎng)訊：近年來，氫能成為決策層和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點。如何認識可再生能源與氫能發(fā)展的關(guān)系？如何應用灰氫、藍氫和綠氫？電解水制氫技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？本刊日前采訪了中國科學院院士、廈門大學教授、嘉庚創(chuàng)新實驗室主任鄭南峰。他認為，目前缺乏的是可支撐大規(guī)模離網(wǎng)及適應波動的電解水制氫技術(shù)，現(xiàn)階段比較可行的方案是打好技術(shù)路線的“組合拳”，開發(fā)可適用于離網(wǎng)的混聯(lián)制氫技術(shù)，攻克波動性綠電到綠氫系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，以支撐綠電制氫規(guī)?；a(chǎn)。
氫能：大規(guī)模長周期儲能的最佳選擇
《能源評論》：您如何看待我國快速增長的可再生能源與氫能發(fā)展的關(guān)系？
鄭南峰：發(fā)展可再生能源是我國能源安全的重要保障，也是氫能發(fā)展的機會所在。
從宏觀層面看，我國傳統(tǒng)能源高度依賴進口，存在“卡脖子”風險。在建立改變能源利用方式的顛覆性技術(shù)和新賽道方面，我們絕不能落后，必須改變原有能源格局，創(chuàng)建能源新賽道，爭取變被動為主動。
從政策層面看，《氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃（2021～2035）》明確提出重點發(fā)展可再生能源制氫。中央層面提出科學規(guī)劃建設(shè)新型能源體系，促進水風光氫天然氣等多能互補發(fā)展，中央企業(yè)綠色氫能制儲運創(chuàng)新聯(lián)合體也已成立。
從產(chǎn)業(yè)層面看，新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展給電網(wǎng)調(diào)節(jié)帶來了壓力，儲能需求的增加推動了電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型。更大規(guī)?？稍偕茉吹睦秘巾毾{、儲能技術(shù)的支撐，現(xiàn)有儲能技術(shù)的限制為氫能發(fā)展創(chuàng)造了機會，可再生能源大規(guī)模開發(fā)將推動綠氫的平價化，并逐漸延伸到各種應用場景。
《能源評論》：截至2024年上半年，全國已建成投運新型儲能累計規(guī)模達4444萬千瓦/9906萬千瓦時。從能源和化工的角度來看，您如何評價氫能的優(yōu)勢與不足？
鄭南峰：氫能具有能源和原料的雙重屬性，其能量密度高、存儲時間長，可以實現(xiàn)空間轉(zhuǎn)移，包括跨區(qū)域、長距離、不定向轉(zhuǎn)移，并能轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學能等多種形式。
從儲能角度看，氫能可實現(xiàn)電能跨季節(jié)長周期大規(guī)模存儲。電化學儲能，尤其是以鋰離子電池為代表的技術(shù)，在短周期分布式小規(guī)?？稍偕茉磧δ芊矫婢哂酗@著優(yōu)勢，而氫能是集中式可再生新能源大規(guī)模長周期儲能的最佳選擇。
從質(zhì)量能量密度來看，氫能的熱值為143兆焦/千克，超出現(xiàn)有能源品類。其不足在于電-氫-電轉(zhuǎn)化效率僅為30%～50%，具有較大提升空間。未來的提升策略包括余熱利用，提升整體能效，同時發(fā)揮其在可再生能源消納、季節(jié)性儲能方面的獨特優(yōu)勢。需要開發(fā)穩(wěn)固的場景把余熱利用起來，比如，日本推廣的基于固體氧化物燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其能量利用效率已超過80%。
《能源評論》：您如何看待未來氫能的應用場景和氫氣需求規(guī)模？
鄭南峰：目前，氫氣主要作為化工原料使用，涉及石油煉化、精細化工、合成氨醇等領(lǐng)域。作為能源應用是氫能未來拓展方向，交通領(lǐng)域?qū)⑹菤淠芟M的重要突破口，化工、建筑、供暖和電力儲能也將成為氫能的重要應用領(lǐng)域。
隨著可再生能源占比升高，氫氣的需求也會越來越大。將波動性的能源進行存儲并運用到多種場景，給綠氫帶來巨大的發(fā)展機遇。從全球范圍來看，國際能源署預測顯示，到2030年全球氫氣需求將達到1.5億噸，其中電解水制氫5000萬噸，電解槽總裝機容量可達590吉瓦；到2050年全球氫氣需求將達4.3億噸，其中電解水制氫3.3億噸，電解槽總裝機容量可達3.3太瓦。
“先吃飽，再吃好”，從灰氫逐步過渡到綠氫
《能源評論》：有分析認為，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是安全和成本問題，您怎么看?
鄭南峰：盡管氫氣有一定的危險性，但其安全性可以通過科學管理得到保障，實際上在某些方面甚至比天然氣更安全。氫氣爆炸極限是體積濃度達到4.0%～75.6%，但氫氣很輕，在開放空間可以快速向上擴散，使?jié)舛冗h低于可爆濃度下限。日本豐田汽車的研究顯示，在開放空間的燃料電池汽車即使發(fā)生氫泄漏，也并不會發(fā)生爆炸。
《能源評論》：成本問題會成為制約氫能發(fā)展的瓶頸嗎？
鄭南峰：現(xiàn)在氫能的發(fā)展階段，就像人類歷史上大電網(wǎng)還沒有建立起來時的電力一樣，價格相對較高。相信技術(shù)進步和規(guī)?；瘯沓杀镜南陆?。目前堿性電解水制氫技術(shù)是較經(jīng)濟的，電解槽招投標價格已經(jīng)降到每千瓦不到1000元，綠氫制取成本開始逼近灰氫。
我們應有序推進氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快構(gòu)建安全、穩(wěn)定、高效的氫能供應網(wǎng)絡(luò)，探索“可再生能源發(fā)電+氫制儲運”一體化應用新模式，構(gòu)建低成本、多元化的氫能儲運體系。
氫能上接電能，下接眾多產(chǎn)業(yè)，綠氫被寄予厚望。實現(xiàn)綠氫產(chǎn)業(yè)落地需要建立起良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，解決綠氫廉價獲取、高效儲運和低成本規(guī)模應用的難題。
《能源評論》：對于尚存爭議的綠氫和灰氫的使用問題，您怎么看？
鄭南峰：利用可再生能源直接電解水制氫，不僅能夠提高可再生能源的有效利用率，支撐電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性，還能顯著降低綠氫的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)綠氫制備全生命周期的零碳足跡。電氫協(xié)同解決可再生能源高比例消納的同時制備綠氫，理想的技術(shù)路徑是將風/光波動性電力轉(zhuǎn)換為可存儲的氫，再將不便運輸?shù)臍錃廪D(zhuǎn)化為高能量密度的液態(tài)燃料。
目前，電解水制備綠氫的成本正逼近藍氫制備成本，但工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)量大、分布廣、價格低，短期發(fā)展優(yōu)勢顯著。當前以灰氫為主，綠氫發(fā)展空間巨大，我們應堅持“先吃飽，再吃好”的原則，可以先利用灰氫把基礎(chǔ)設(shè)施建起來、用起來，逐步過渡到綠氫。
《能源評論》：在氫能領(lǐng)域，未來是否有可能出現(xiàn)更具有顛覆性的技術(shù)？
鄭南峰：未來可探索的資源包括白氫（天然氫）——一種在地殼中天然生成或存在的氫氣。
尋找天然氫藏是一個全新前沿領(lǐng)域。據(jù)報道，2012年，西非國家馬里發(fā)現(xiàn)了一口噴涌氫氣的廢井。2022年，美國地質(zhì)勘探局修訂的地下氫氣儲量的估算模型顯示，地球巖層中可能蘊藏著超萬億噸氫氣?！犊茖W》雜志將“尋找天然氫源的熱潮”列為2023年度“十大科學突破”之一。
開發(fā)適用于寬功率波動的混聯(lián)制氫方案
《能源評論》：影響未來綠氫規(guī)?；絻r獲取的因素有哪些？
鄭南峰：傳統(tǒng)電解槽并非為新能源應用而設(shè)計，而是為穩(wěn)定電源輸入而設(shè)計，基于穩(wěn)定功率運行而不考慮系統(tǒng)響應時間，產(chǎn)氫經(jīng)濟性并非其首要考慮因素。比如，堿性電解水制氫（ALK）技術(shù)已廣泛應用于電廠發(fā)電機的冷卻用氫，質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)應用于航空航天供氧設(shè)備。
從技術(shù)層面來看，電解水制氫降本增效的途徑主要包括兩方面，一是降低用電成本（電耗和電價），二是降低折舊成本（延長電解槽使用壽命、降低造價、增加設(shè)備利用率）。未來電堆成本占比將逐漸減小，外圍輔機系統(tǒng)成本占比將逐漸擴大。彭博新能源預測，歐美電解槽價格將逐步下降，預計到2036年與中國持平。
《能源評論》：綠電的波動性會給制氫過程帶來哪些影響？
鄭南峰：電解水技術(shù)本身不復雜，但是電有波動就麻煩了。目前尚缺乏可支撐大規(guī)模離網(wǎng)及適應波動的電解水制氫技術(shù)，急需多領(lǐng)域密切合作，突破適應可再生能源波動特性的大規(guī)模電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)，降低材料與裝備成本，為可再生能源離網(wǎng)制氫提供高經(jīng)濟性的成套解決方案。
短期內(nèi)，ALK技術(shù)較為成熟，可通過提升電解槽的運行功率波動范圍，降低配儲容量；中期看，PEM技術(shù)需要降低貴金屬催化劑用量、質(zhì)子交換膜成本等，來降低整體裝備成本；長期看，陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)（AEM）兼具上述二者的優(yōu)勢，不使用貴金屬，可進一步降低裝備成本。
《能源評論》：您認為，基于當前技術(shù)應如何解決新能源消納和綠氫制備難題？
鄭南峰：在未來能源體系里，電解水制氫路線的選擇是多元化的?，F(xiàn)階段比較可行的方案是打好技術(shù)路線“組合拳”，開發(fā)適用于離網(wǎng)寬功率波動的混聯(lián)制氫方案（ALK-PEM），攻克波動性綠電到綠氫系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)，支撐綠電可離網(wǎng)混聯(lián)制氫規(guī)?；a(chǎn)，助力我國氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
具體而言，鑒于PEM系統(tǒng)的響應速度快、效率高，應由其盡量吸收波動功率；鑒于ALK系統(tǒng)響應速度慢，應由其吸收穩(wěn)定功率。這意味著需要ALK系統(tǒng)消納穩(wěn)態(tài)電流，PEM系統(tǒng)消納波動電流。
廈門大學嘉庚實驗室基于上述兩種技術(shù)路線的研究基礎(chǔ)，聯(lián)合國家能源集團等10家單位合力攻關(guān)國家重點研發(fā)計劃“30兆瓦混聯(lián)制氫系統(tǒng)集成與示范應用”，目標是突破大規(guī)?？稍偕茉粗茪湎到y(tǒng)的長效經(jīng)濟、安全運行技術(shù)瓶頸，開發(fā)ALK-PEM混聯(lián)制氫系統(tǒng)耦聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)大容量混聯(lián)制氫系統(tǒng)集成與示范應用，推動氫能綠色制取產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。期待產(chǎn)業(yè)鏈上各方共同努力推動“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應用，加快發(fā)展以能源科技創(chuàng)新引領(lǐng)新質(zhì)生產(chǎn)力，推動我國新能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
