助力“碳中和”，青島變“氫島”

徐敏霞

山東省是工業和能源大省，而且目前正處于新舊動能轉換、經濟升級轉型的關鍵階段，布局氫能應用對山東省經濟發展具有戰略意義。

2020年9月，習近平總書記在聯合國大會上向世界宣布了“2030碳達峰、2060碳中和”的目標。自此，“碳達峰、碳中和”便作為一個網絡熱詞，時常出現在我們的生活中。“碳達峰、碳中和”是黨中央經過深思熟慮作出的重大戰略決策，是堅定不移貫徹新發展理念，走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路的必然選擇。調整能源結構，由以煤、石油、天然氣等化石能源為主的能源結構轉變為以清潔、可再生的零碳能源為主的新型能源結構，在節能減排降碳領域扮演不可替代的作用。在此大背景下，氫能也迎來前所未有的戰略發展機遇，2019年，氫能也首次寫入政府工作報告。

歐陽明高院士曾表示，氫能在新能源革命中的戰略意義在于可再生能源轉型中的大規模能量儲存與多元化利用需求。氫能是眾多傳統產業轉型升級的理性選擇，其技術延續性好，又不完全顛覆現有技術。除此之外，氫能產業鏈長、產值高、吸收就業人口多，應用覆蓋面廣，有“氫能社會”之稱。氫能是目前集中式可再生能源長周期、大規模儲存的最佳途徑之一。

作為一種清潔能源，氫能有以下幾個非常顯著的特點：能量密度非常高。氫的單位質量熱值是煤炭的3.9倍，汽油的3.2倍，天然氣的2.6倍，是一種非常優良的高能量密度燃料;清潔無碳。氫能無論是直接燃燒使用還是通過燃料電池中的電化學轉化使用，最終產物只有水，不排放任何含碳物質，是目前世界上最干凈的能源;制取途徑多樣。氫元素占據元素周期表的第一個位置，同時也是自然界含量最豐富的元素之一。但是氫在自然界中很少以單質的形式存在，常以化合物的方式存在，儲量非常大。目前，氫能根據制取方式中碳排放量不同，可分為灰氫、藍氫、綠氫三種。灰氫是通過化石燃料燃燒制取氫氣，也是目前使用最廣泛的一種形式，約占目前全球氫氣產量的95%，碳排放量最高;藍氫是在灰氫的基礎上，應用碳捕捉、碳封存等技術，實現低碳制氫;綠氫是通過光伏發電、風電以及太陽能等可再生能源電解水制氫，在制氫過程中基本上不會產生溫室氣體，因此被稱為“零碳氫氣”;應用廣泛。氫目前被廣泛應用于交通、工業和建筑等多個領域。2020年初，在李燦院士的努力下，擁有我國自主知識產權技術的全球首套直接液態太陽燃料規模化合成項目在蘭州新區試驗成功，目前已發展成為千噸級規模化太陽燃料合成工業示范工程。2020年11月，河鋼集團與全球礦業冶金巨頭意大利特諾恩集團簽約，共建全球首座使用富氫氣體的直接還原鐵工業化生產廠，推動傳統“碳冶金”向“氫冶金”轉變;優秀的儲能介質。近期，國家發改委與國家能源局聯合發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》，氫能被明確納入“新型儲能”。歐陽明高院士也曾表示，新能源革命的核心就是儲能。目前常用的儲能方式主要有抽水蓄能和化學儲能。其中抽水蓄能受制于地域、環境等因素的影響較大，而化學儲能（蓄電池儲能）又難以滿足大容量儲能的需求。隨著電力系統的不斷發展，光伏、風電等新型電力能源在未來電力系統中的占比會逐漸提高。但是風能、太陽能發電具有周期性、不穩定性，這也對電力系統的調峰提出了更高的需求。通過電解水制氫的形式將多余的可再生電力存儲起來，不僅可以有效解決電網調峰的問題，還能為解決棄風、棄光問題提供新路徑。有研究表明，氫能有望成為一種重要的儲能形式，并與電化學儲能互為補充，但目前氫儲能各環節產業化程度較低，需進一步規模化發展。

氫能交通是氫能利用的先導領域。“每次能源革命都是先發明了新動力裝置和交通工具，然后再帶動對能源資源的開發利用。”剛剛結束的日本東京奧運會也是一場“氫能秀”。東京奧運會圣火及圣火臺使用氫燃料代替丙烷氣燃料，圣火使用氫燃料電池汽車運輸，并且所有氫都由太陽能生產;東京奧運會及殘奧會上的保障用車也全部采用的氫燃料電池動力車;另外，東京奧運會村位于東京都中央區晴海，是日本首個全面引入氫能源的街區，該街區的5000多戶住宅以及商業設施全部安裝了純氫燃料電池。氫能也將在北京2022冬奧會上大展身手。張家口和北京將在冬奧會期間運行2000輛氫燃料電池汽車，二十多座加氫站正在加緊施工。

縱然氫能有很多優點，但是要實現氫能的大規模普及還有三個關鍵問題需要解決。一是制取成本高。目前制綠氫的主流技術包括堿性電解水（AWE）、質子交換膜電解水（PEM）和固態氧化物電解水（SOEC）。受成本、成熟度與產業鏈配套等多因素影響，AWE在國內是主流;盡管PEM電解槽運行更加靈活、更適合可再生能源的波動性，但當前國內PEM技術正在經歷從實驗室研發向市場化、規模化應用的階段變化，與歐洲先進技術差別較大;SOEC技術最大的優勢在于轉換效率比較高，可以實現80%以上電解水制氫的能源轉換效率，但它需要高溫的運行環境，材料的循環壽命、成本和技術都存在難題。目前，電解水制氫的主要成本來自耗電成本。當然各國科學家也在研究，比如利用太陽能或者采用催化劑。如果人類能掌握核聚變就可以獲得源源不斷的能源，那么電力成本可以大大降低，電解水制氫的成本也就可以忽略不計了。

二是運輸和存儲。氫的壓縮比極高，傳統石油、天然氣的運輸和存儲方式不適用于氫能，因此氫能的大規模普及需要重新建氫加氣站，包括運輸設備也必須采用更高的安全等級。當前國內儲存方法主要還是高壓氣態儲氫，而加氫站主要是長管拖車運輸高壓氣態氫，運輸距離相對短，運輸成本比較高;在液氫方面，設備關鍵零部件依賴進口，與國外技術差距明顯，產能嚴重不足。目前，美國和日本主推液氫儲運技術路線，全球有三分之一的加氫站采用了技術液氫技術，澳大利亞為日本供氫的項目也采用了液氫運輸船遠距離輸送。

三是具有安全性。氫燃料車上的氫能被存儲在一個儲氫罐中，就相當于在車子上面加裝一個“煤氣罐”。而氫氣罐比普通的煤氣罐危險的多，威力也大的多，這就意味著需要非常高的安全標準，最好是用上更加抗壓耐高溫的材料，即使是車體遭遇碰撞也能保證安全。目前車載儲氫瓶中的主流產品是35兆帕III型瓶，其主要組成是碳纖維增強復合材料。

山東省作為工業和能源大省，而且目前正處于新舊動能轉換、經濟升級轉型的關鍵階段，布局氫能應用對山東省經濟發展具有戰略意義。青島作為山東第一大城市，也是山東省經濟實力最強的城市，為了符合省里的規劃、布局，2020年，《青島市氫能產業發展規劃（2020—2030年）》發布，明確提出未來10年要將青島建設、發展成為國際化氫能城市，將青島打造成國內重要的氫能產業基地，實現“東方氫島”。該戰略布局既契合國家提出的高質量發展要求，又符合山東省、青島市新舊動能轉換的需求。

青島作為山東省老牌工業城市，發力氫經濟、布局氫能源優勢明顯。一是青島具有豐富的化工副產氫資源，董家口化工園區內有一批化工龍頭企業，其豐富的工業副產氫產量豐富、產地集中，適合大規模提純、應用。二是青島擁有許多能源領域研究機構，科研實力雄厚。比如正在建設且即將投入使用的古鎮口科教園區內聚集了中國海洋大學、中國石油大學、中科院海洋學院等高等院校和科研院所，其雄厚的科研實力有利于青島進一步布局綠氫產業。結合青島豐富的海岸線資源，實現高效電解海水制氫，大大降低綠氫成本，早日實現綠氫的工業化應用。三是青島具備氫能豐富的應用示范場景。青島市我國最大的港口城市之一。港口物流、發電供熱、軌道交通等為氫能的產業化落地提供了廣闊的應用空間。不僅于此，青島還提出建立“300公里氫能合作圈”的戰略發展規劃，實現以青島為中心跨區域的產業、政策、技術、資金方面的合作，輻射周邊城市，推動山東省氫能產業協同發展。

目前，由青島真情巴士集團運營的50輛氫能源公交車已經在西海岸新區運行了半年有余，累計運行超55萬公里;6月26日上午，20輛氫能冷鏈物流車和渣土車分別從青島國際院士港智能制造產業園和臨沂路運港智慧物流裝備產業園同時開出，標志著山東（青島-臨沂）城際氫干線首發成功，這也是山東省首條城際氫干線。讓青島的車用上青島的氫。8月5日，山東省“十四五”氫能重大示范試點項目暨青島市氫能資源基地項目初期工程建成投用，首車近300公斤高質量燃料電池用氫順利出廠，實現了燃料電池用氫氣在青島市的首次工業化生產，助力山東省打造“東方氫島”。

氫風漸起，“氫”島可期。

（作者單位系中共青島市委黨校社會與文化教研部）