氢能助推“双碳”目标

#双碳目标及实现的途径#

双碳目标是指习近平主席在第七十五届联合国大会上指出的中国将力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值即碳达峰、2060年前实现碳中和。 “碳达峰”是指在某一个时点，二氧化碳的排放达到峰值，不再增长，之后逐步回落。“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。

要实现双碳目标，两个途径即减少二氧化碳排放以及增加碳汇的方式来完成。碳汇主要来源于自然生态系统如森林、草原，及人工碳移除技术如碳捕集与封存（CCS）、碳捕集封存与利用（CCUS）等，这需要我们完善森林、草原、湿地等的生态补偿机制，提升碳汇能力和质量。而在二氧化碳排放方面我国主要集中在能源碳排放中，由图1我国能源消费结构可知，碳基化石能源占能源总消费的84.7%，显然在减排这方面就需要我们节能降耗，降低能源消费总量，进而降低能源系统碳排放；调整能源结构，降低化石能源消费，提高太阳能、风能、核能、地热能等非化石能源比重，即能源的生产和消费环节均要走向绿色低碳的道路——氢能将在这一道路中扮演着重要的角色。

图1 中国能源消费结构[1]

#氢能系统助力双碳目标#

氢能优点：氢能是氢(H)在物理与化学变化过程中释放的能量。清洁能源：氢燃烧的产物只有水，不会产生有毒气体或粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。来源广制取方便：产物水还可以通过电解制氢，可作为分布式能源进行供能。热值高：除核燃料外，氢的发热值是化石燃料、化工燃料中最高的，且易燃烧除此之外氢还可换成各种能源。

氢能在我国的碳中和路径中将扮演重要角色：如图2氢能产业链，制氢环节：氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源的消纳；氢能储运环节：氢能可在在不同行业和地区间进行能量再分配；充当能源缓冲载体提高能源系统韧性；氢能应用环节：降低交通运输过程中的碳排放；降低工业用能领域的碳排放等。氢能将能源结构清洁化与电气化联系在一起，利用水、风、光等可再生能源产生的余电制取氢气即将多余的电能存储在氢气中，等到出现需求缺口的时候通过燃料电池发电来满足供电的需求或将制取得的氢气用以工业、生活生产当中从而可避免弃风、弃水、弃光电所造成的能源浪费，最大限度地实现了可再生能源的跨地区、跨季节利用，以减少碳排放。然而氢能的储运环节关键技术是制约氢能经济性的瓶颈技术。氢气扩散能力强，易燃易爆，氢气与金属结合容易导致氢脆，不好储存，因此妥善解决氢能的储运问题是氢能安全高效使用的必要前提，也是氢能全产业链降低成本的关键一环。

图2 氢能产业链[2]

#氢能应用核心——燃料电池#

目前燃料电池研究主要以质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)为主，在此仅讨论SOFC。如图3A为固体氧化物燃料电池电堆由连接体与多个单电池连接组成，SOFC单电池的三个主要组成部分：阴极、阳极、以及氧离子传导电解质。在阴极，O2（来自空气）被还原，产生的O2-离子通过电解质传输到阳极，在那里它们与氢气或碳氢化合物燃料发生反应，产生热量、H2O和（对于碳氢化合物燃料）CO2，并将电子e-释放到外部电路中做功。

如图3B，多个SOFC单电池(10×10 cm2)通过连接体串联在一起，连接体在单个电池之间提供电接触和气体通道。由此产生的“电堆”以串联和并联配置进行排列，以提供所需的电压和电力输出。不同规格的电堆可便携式发电或应用到交通运输、民用和军用的分布式发电和大规模发电从而可避免或减少使用碳基化石能源，进而减少碳排放，然而目前SOFC需解决的问题主要是提高阴极氧还原ORR反应动力学，降低极化损失，将反应温度降低至中低温区域500-800℃。

图3 (A) SOFC电堆及其单电池构造；(B) 实际生产对电堆的要求[3]

#氢能应用——家用式热电联供装置#

如下两图中所示，氢燃料电池热电联供装置是利用氢能在燃料电池中生产的电能时所产生的废热进行回收从而实现热电联供，进而实现对电力资源更大程度的利用，这在很大程度上减少了电力资源的浪费，减少煤炭能源的消耗，实现了更高效的能源利用，促进了环境友好，提高了能源利用率。

图4 Ene-Farm燃料电池热电联供装置（左）和家用式热电联供系统（右，图源于DT新能源公众号）

总结

氢能作为一种无碳清洁、高效的能源形式，在推动能源结构转型过程中发挥着越来越重要的作用。然而从制氢到氢能应用是一个复杂的产业链，要实现氢能发展，还需降低氢能产业链中各个环节中的成本。

前已述及能源结构的调整是实现碳中和、碳达峰的重要途径：控制煤炭、石油等化石能源消费的占比，提高可再生能源、氢能等清洁能源的消费比重，上游有以光电、风电、水电为主的充足的可再生能源，下游有可以大幅度消纳可再生能源的氢能产业。这样一来，可再生能源和氢能的发展将成为我国碳达峰、碳中和的催化剂。然而单一的能源结构调整还不足以完成或实现双碳目标，还需要提高碳汇收入，如发展碳捕集、碳封存技术以及建设森林、草原等自然生态系统等。