電制氫對于綠色能源體系建設的意義及其展望
——訪國網上海綜合能源服務有限公司副總經理張春雁

／本刊記者 才秀敏／

氫能作為一種清潔低碳的可再生能源，可以幫助包括電力、交通等多領域實現深度脫碳。隨著碳達峰、碳中和目標加速推進，構建電氫能源體系將成為構建現代能源體系的重要途徑之一，氫能應用領域亦將進一步拓寬。英國《金融時報》日前發文稱，氫可作為“儲能的未來”，以解決太陽能和風能等清潔能源在電網中擴散時的可變性問題。這似乎為氫在全球零碳排放轉型中的實際應用增添了一個可行選項。

“電制氫對于構建以新能源為主體的新型電力系統意義重大。實現碳中和愿景目標，電力增長首先必須零碳化，電制氫及氫儲運技術的加速成熟和成本的下降將為大電網提供跨時空的儲能調峰能力。而氫燃氣輪機可以為電網提供靈活性調節和轉動慣量，構建零碳電網和新型電力系統成為可能。所以大家可以展望碳中和之時將進入氫能時代?！眹W上海綜合能源服務有限公司副總經理，教授級高級工程師張春雁在接受本刊采訪時表示。

電器工業：碳中和背景下，要構建一個以新能源為主體的新型電力系統，具有非常重大的戰略意義。請談談綠色能源體系建設的戰略需求及必要性和路徑。

張春雁：3月15日，中央財經委員會第九次會議明確提出，要構建一個以新能源為主體的新型電力系統，這具有非常重大的戰略意義。新能源為主體，這個提法跟我們原來高比例可再生能源、高比例的電力電子系統的提法有很大的區別。目前，光伏、風電等可再生能源的高效利用是新能源，而氫將是下一個最重要的新能源。這也是戰略上的考慮，前些日子蘇伊士運河船被卡，油輪租金馬上上漲45%多，我國現在油氣進口依賴度太大，如果建成了以新能源為主體的電力系統，能源安全的命脈就不會被人卡脖子了，所以這也是與能源安全新戰略觀完全契合的。以可再生能源為基礎的新能源是我國有待大規模開發的最寶貴財富。如果有一天真正做到了新能源為主體，充分開發利用了這些光風等可再生能源，我想我們能源的戰略安全也就得到了根本保證。

值得關注的是，國家電網公司是全國第一家提出雙碳行動計劃的央企，特別明確，在能源供給側，構建多元化清潔能源供應體系，其中包括推動氫能利用，碳捕集、利用和封存等技術研發，加快CO2資源再利用。在能源消費側，全面推進電氣化和節能提效，其中包括加快電能替代，推進電制氫技術應用。以新能源為主體的新型電力系統，需要消納大規模的可再生能源，儲能和靈活性調節能力，這給氫能應用提出了迫切的期待。構建可再生能源與電氫融合的零碳電網和新型電力系統成為方向。

在碳中和背景下，3060能源結構的轉換和優化有兩條路徑：第一是不可再生的化石能源一定要被可再生的綠色能源來替代；第二是一個高碳向低碳過程的過渡。當前，要加快推進能源的清潔替代，加快煤電靈活性改造、大力發展清潔能源、積極發展生物質燃料、電制燃料，包括與可再生能源開發相結合，大力發展清潔電力制氫和終端燃料電池、燃氣輪機等高效利用和靈活利用、電制陽光燃料產業規?；?。要加大可再生能源大規模消納，加快推進能源消費電能替代，推進電制氫及綠氫規模化應用、儲運和調峰等。要推進P2G，PTX技術，完成多能源高效轉換。電氣化水平提升如何跟新能源利用相結合也是一個挑戰，目前終端能源消費電能占比還太低，而綠色電能替代是關鍵。

當然，對氫能的利用，確實存在好多需要突破的問題，在政策規范方面：目前，關于氫的制取，全場景應用存在嚴重的定位滯后，標準滯后問題；國家、各省雖然均出臺了一些氫能產業的指導意見，但仍缺乏具體的實施路線，上下游產業發展不協調，產業鏈標準體系不完善；在基礎設施問題方面：加氫站、輸氫網等基礎設施建設布局嚴重不足，相關規劃及補貼問題有待解決；在技術裝備方面：氫能產業關鍵設備技術復雜，我國相關核心技術及自主化程度不足，膜電極、催化劑、碳氈、壓縮機、儲氫罐等仍大量依賴進口；在產業成本問題方面：目前電解水制氫-儲氫-輸氫-用氫各環節關鍵設備的成本較高，有待進一步的技術成熟、規?；?；在科普認識方面：目前，對氫作為一種能源的全社會認識不夠，對其安全性的科學認識有待提高。

可見，碳中和的路線圖中無論是能效的提升，低碳、零碳、負碳技術的應用，零碳燃料的替代，這些都跟氫的利用有密切關系。氫無疑是碳中和最好的一個元素?？梢哉f零碳替代呼喚氫能時代。國際能源署《氫能燃料電池技術路線圖》指出：“氫能燃料電池是少數幾個可以將不同能源來源和終端用戶聯系在一起的技術之一，在未來能源構架中起到電-熱-燃料之間轉換的新型載體作用”。

國際氫能委員會認為“氫能是將全球變暖限制在2℃的能源轉換的中心支柱”。據其估計，氫國際發展前景，預計到2050年氫能將占到總能源消耗的18%，每年減少CO2排放量約6萬億噸，并貢獻約20%的額外減排，市場空間達12萬億元美元。而在我國，氫氣使用量預計到2050年將達到1億噸，占我國終端能源結構的10%以上，實現CO2減排近12億噸，但現在從碳中和看還是保守的估計。

電器工業：請具體談談氫和電制氫及燃料電池的技術和應用特點。

張春雁：眾所周知，氫的來源非常廣泛，地球上70%是水，水中含有氫，氫本身能量密度很高，氫的導熱性好，可以作為傳熱的載體。它能以多種形式的氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求，其存儲、規模、長周期儲能競爭力高于鋰電池，氫氣發電的最終產物是水，環境友好。

氫能的安全性。氫能的體積密度非常小，易揮發，決定了它在非密閉空間應用場景當中本身的安全特性，當然安全決定于是否落實安全技術措施。

化石原料制氫即藍色，工業副產制氫即灰色，如果這些制氫過程中CO2得到固封就是青氫，這些長遠來說是過渡，可再生能源電解水制氫即綠氫，是未來趨勢。在全球碳中和的大環境下，氫氣將主要由可再生能源制取，成為真正的又一代新能源。根據我國的風光資源的稟賦，最終方向是可再生能源電制氫，也就是綠色制氫，這個方向關鍵是電解槽的核心技術要到位，低成本長壽命，高效率電解槽是關鍵。

再說電制氫，主要有堿性電解水制氫，質子交換膜電解水制氫，固體氧化物電解水制氫等。堿性的電解水制氫不適合可再生能源不穩定性電力匹配。而質子交換膜的電解水制氫，特點是可以匹配可風光可再生能源的波動性，固體化氧化物電解水制氫，國內研究機構也已經有很好的研究，正在推向工程示范。這是PEM電制氫的原理，對輸入功率變化響應快，適用于可再生能源的波動性，具寬負荷范圍工作性能，宜與風能、太陽能結合，產氣純度高，體積小。高溫固體氧化物電解制氫（SOEC）可利用各種可再生能源在高溫下將水蒸氣高效電解為氫氣和氧氣，具有高轉化效率，且不必使用鉑金。

燃料電池和氫燃氣輪機。燃料電池在交通運輸上的應用已經比較廣泛，燃料電池也是終端能源系統解決方案的核心關鍵技術，但這個核心關鍵技術目前跟國外的差距還非常明顯。

氫燃氣輪機，依靠可再生能源光伏等制綠氫。歐洲已經提出，應把目前在用的燃氣輪機，包括未來一定數量的新增燃氣輪機，由燒天然氣，最后轉換為摻氫甚至純氫燃氣輪機，提高了效率，更可為電網系統提供靈活性。

電器工業：構建新能源為主體的新型電力能源系統，可再生能源與電氫融合是關鍵，從這個角度請具體談談電氫融合的新型電力系統。

張春雁：富裕的風、光可再生能源電能制氫，既可大規模、長時間高壓氣態等方式存儲，又可通過燃氣管網跨區域、遠距離大規模輸運，在終端耦合交通、工業和市政能源系統直接利用，還可轉變為電能調頻調峰，“零碳”實現可再生能源時變出力的大尺度跨時空轉移和平抑，支撐構建含可再生能源主導的“碳中和”新型電力和能源系統建設。

而電制綠氫又可“零碳”滿足電、熱、氣等多形態能量需求，支撐“碳中和”終端用能體系的構建。氫能既可直接燃燒為用戶提供熱能，還可以在高峰時段利用氫燃料電池或燃氣輪機等發電供能，滿足供熱/制冷需求，實現能源生產-儲運和消費全過程“零碳”源。比如三菱山間電力，正在美國投資30億美元計劃建設的全球首個綠色氫能集成標準包，是可再生能源制氫，儲氫，然后燃氣輪機發電，構建一個完全零碳的電力系統。從零碳角度，電制氫能夠適合于可規?；木G氫制取和儲運，滿足非常好的動態響應，保證電網靈活性。

當然，電氫氣協同，電能系統，氫能系統，天然氣系統，他們之間如何融合？國內外已經開始研究，利用遍布的天然氣管道輸送氫氣，可使氫進萬家，今年國家重點項目計劃已經在準備立項。氫氣的儲運方式將包括氫氣專用管道、壓縮氫氣（CH2）、液化氫氣（LH2）、液體有機物氫載體（LOHC）、金屬合金儲氫等方式。當然，還要加快研究推進基于液態陽光燃料等技術，可再生能源制甲醇、氨，乙醇等，解決無碳燃料問題。

電氫融合的新型電力系統，長遠來說是真正的能源互聯網的生態系統，跟傳統的能源系統比較，形成一個可再生能源與電氫融合的新型的能源系統，充分發揮電氫氣融合轉換的功能。這里面牽扯到關鍵技術，最重要的是氫電和PTX等高效轉換技術，還有混合可再生能源直流網技術，直流比例會不斷增加。

零碳電網的概念，可再生能源的電網是電力電子發電為主，集中與分布式結合，彈性大，慣量小，源荷互動響應，具備自組織、自趨優、自適應能力。從目前電力系統的結構看，要最大限度地減少溫室氣體排放，實現風光儲可再生能源大規?；{，盡快加大氫能存儲轉化和輸運作用非常重要。

另一方面，終端能源電氫融合系統，目前主要在交通領域，事實上從歐美國家，特別是日本來看，終端能源系統氫能占比在不斷提高，原來以天然氣為主的系統已經在逐步退出。比如澳大利亞LAVO裝置，是家用氫儲裝置，光伏制氫，金屬儲氫，燃料電池發電，足夠讓普通家庭使用兩天。又如美國蘋果公司硅谷總部，全世界最大的屋頂光伏系統，其余的由園區的燃料電池供能。

綜上所述，面向碳中和，打造綠色能源體系，構建新能源為主體的新型電力與能源系統，可再生能源與電氫融合是關鍵。

電器工業：那么展望一下，請談談怎樣加快構建基于電氫融合的能源互聯網新生態。

張春雁：第一，綠氫是可再生能源、是真正的下一代新能源，是深度減碳重要工具。

無論從實現碳中和的角度還是從保障國家能源安全的角度，發展可再生能源制氫都是未來的必然選擇，是新興產業的制高點。

可再生能源電制綠氫是氫作為零碳新能源的關鍵，預計2030～2060 年可再生能源制氫占中國氫氣來源比例將為15%～80%。

可再生能源電解水制氫逐步替代化石原料制氫，一方面能夠有效緩解大規模新能源消納問題，一方面可為工業、交通等領域供氫，減少各領域碳排放。

而下游，隨著加氫站、輸氫網等設施逐步完善，氫能利用更加便捷、平價，氫能交通布局逐步完善，氫能規模化商業化應用已是大勢所趨。

第二是綠色電能替代是實現碳達峰、碳中和的一個重要方向。

“3060碳目標”下，全社會電能替代必須加速。電能終端消費將由當前約26%，提高到2050年的60%，2060年的70%甚至更高。

而綠色電能替代是實現碳達峰、碳中和的一個重要方向，且整個過程有望完全實現零碳化。隨著廉價的可再生能源制氫普及，零碳電網的建設也必將不會遙不可及，構建可再生能源與電氫融合的能源互聯網生態成為實現碳中和目標的重要路徑。

電制綠氫的戰略地位將不斷凸顯。而電解槽將成為重要戰略產品。全球保守估計將由當前的不到數千兆瓦，到2030年達數百吉瓦，現在歐盟國家開發可再生能源計劃直接落實到電解槽裝機容量。

第三是電制氫及可再生能源制氫的成本奇點必將加快到來。

全球各地，可再生能源發電成本持續下降，并逐漸開始低于化石燃料發電成本，未來隨著各環節的核心技術逐步成熟并規?；a，可再生能源電解水制氫將最具低成本制氫潛力，廉價電力下將帶來廉價綠色氫氣，為氫能快速滲透廣泛利用提供基礎。

面對碳中和目標的引領，作為國家中長期戰略技術儲備，隨著政策和頂層設計的突破，制氫-儲氫-輸氫-用氫各環節關鍵核心技術突破拐點必將加快到來。

可以預見，不久的將來，很多電力，比如有一些可再生能源平價電、低谷電，直接可以電制綠氫。另外，加氫站的電制氫，現在我們合作研究電制氫的效率已經很高，電解槽功耗已到4.1kWh/Nm3，上海低谷電如果按照0.28元/kWh來算，電制氫成本每公斤25元，再加上運輸和加氫成本，在上海地區已有優勢，當然這個還要進一步市場化應用。

第四，電制氫對于構建以新能源為主體的新型電力系統意義重大。

實現“3060碳目標”，電力增長首先必須零碳化，電制氫及氫儲運技術的加速成熟和成本的下降可以為大電網提供跨時空的調節能力，而氫燃氣輪機可以為電網提供靈活性，構建零碳電網和新型電力系統成為可能。氫能在終端能源系統中的應用將加速發展。氫作為新一代零碳新能源，將成為溝通源網荷儲的重要載體，電制綠氫可以打通源網儲荷零碳電力能源流，電氫融合綠色能源系統未來可期，氫是打造未來能源互聯網生態最重要的元素，可以期待碳中和愿景實現之時即進入氫能時代。

最后，目前國內外綠色電制氫項目已經有好多在建設，從幾個兆瓦，幾十個兆瓦項目都有，最近一個吉瓦，兩個吉瓦的項目已經在計劃建設。

國家電網公司牽頭承擔的首個氫能相關的國家重點項目——可離網型風光氫燃料電池直流互聯與穩定控制技術項目，將建成“氫電耦合直流微網示范工程”，打造“綠電”造“綠氫”、“綠氫”再發電的綠色能源體系，探索加快推動雙碳目標實現的新路徑。該項目突破氫電耦合直流微網在安全、穩定、經濟運行方面關鍵技術，自主研發高效電解制氫系統、燃料電池熱電聯供系統、氫能與電池混合儲能、多端口直流換流器等核心裝備，將電、氫、熱等能源網絡中的生產、存儲、消費等環節互聯互通，實現綠電制氫、電熱氫高效聯供、車網靈活互動、離網長周期運行等多功能協同轉化與調配，形成以電為中心的電氫熱耦合能源互聯網示范。

風光無限的未來可能不是風光，是氫能。