徐春明 中国科学院院士、中国石油大学（北京）化学工程与环境学院教授、博士生导师
非常感谢组委会给我这个机会给大家做一个汇报交流。我本人做传统化工，但是近几年来随着学校学科的发展和新的需求，尤其是在绿电绿氢方面有一些思考，今天带来这样一个题目供批评指正。作为我们国家来讲，从去年开始密集部署了在“双碳”方面的坚定发展方向，包含了政治、经济、文化。碳达峰很容易理解，我们国家到2030年二氧化碳排放达到最高值，这个很明确，但是碳中和它是一个综合概念，它里面用的不是完全的一个二氧化碳，而是一个温室气体。对于我们来讲，除了我们直接关注的二氧化碳之外，甲烷、氧化亚氮、含氟化合物，都是非常著名的温室气体。别的且不说，甲烷跟我们能源行业密切相关，随着我们能源结构的调整，我们对甲烷的用量或者天然气的用量会大大增加，这个过程中甲烷不可避免会有一些排放。未来碳中和，我们不仅要中和100多亿吨的二氧化碳，还必须去关注甲烷的排放和收集。如果大家关注的话，今年10月份我们国家已经加入了国际甲烷组织，主要关注未来甲烷在温室气体中的作用。这些数据列举了我们经济发展、能源消耗强度、能源消耗结构以及二氧化碳排放和强度几方面的数字。这些数据很多，我只是想从这些数字的背后，看看能不能做一些分析和判断，这个分析和判断是对未来我们对国家能源结构性调整的变化、对二氧化碳的一些处置，以及我们如何通过氢和电可以互换来改变这些结构，来做一些基本分析。我们把这个表分解一下，通过这些数字可以看出一些我们自己的理解，但不一定准确，因为我们不能脱离了国民经济发展，追求人民生活水平的日益美好来谈“双碳”。这就是为什么我们一方面在大谈“双碳”，但是国家领导层已经特别提到，我们也不能搞“双碳运动”，那是因为我们第一个判断“双碳”的重要前提，还是经济发展。这两组数字告诉我们，在我们的经济社会发展过程中，尤其对于我们一个发展中国家，我们必然要保持较高的经济发展速度或者说GDP的增长率不能很快地降到一定的数值。当然，我们随着基数的增加会慢慢放缓，但是我们仍然要有5%左右的GDP增长。大家知道，推动GDP增长的内动力或者说一个重要的动力就是能源，这是一个必然的关联关系。从这个意义讲，不管我们用什么能源，经济发展的前提就是要消耗能源，因此我们能源总量的消耗是不可逆转的。在未来5到10年，我们每年折算成标煤的话，每年还有1亿吨标煤的增量，也就是说在达峰之前甚至达峰以后能源消耗总量速度并不会放缓。这里谈到一个很敏感的话题，就是我们的“双控”，这也许超出一个学术或者技术层面，它是综合的。其实“双控”对能源消耗总和、能源消耗强度的控制，从“双碳”目标来讲我们必须关注，但是这个前提一定是全国“一盘棋”，不能简单区域化、企业化，到处“一刀切”，切完了以后不行就给你拉闸限电或者一周给你几天、一周几小时，这种简单的做法跟我们很多大规模连续化运行的流程工业不相配，因为我们的流程工业就是要稳定。第二个判断，氢能一定是未来，但是它还需要一定的沉淀、需要一定的积淀。这个积淀和诱导的过程中，我们为实现“双碳”目标最直接可以做的就是节能减排。现在任何一个大的能耗过程或者二氧化碳排放大户，都是流程工业为主，这个过程中，大家看这个能源消耗强度的下降幅度，在未来10年还要保持跟现在一样，百分之十几的下降速度。这个过程中，我们必然要利用各种可能的手段，无论是纯技术、纯装备，还是管理来实现节能减排，这是我们当前第一步最直接的选择或者最容易做到的。我是搞化工的，我们也归纳了一下，对于任何一个从事有可能跟能耗和二氧化碳相关的企业，我觉得只要有可能，都要通过我们的核心装备、材料、介质，甚至是一些外场技术的协同，通过这些手段直接来实现节能减排，这是我们可能最现实或者最快捷的一种方式。举一个例子，作为搞石油的，这是一个复杂的体系，但是随着“双碳”的到来，石油从产品能源要往化学材料转移，从资源利用来讲我们要“吃干榨尽”，所有这些过程，包括我们未来面临的氢气、二氧化碳、中小分子都会涉及到这种小分子气体，而这在我们化工过程里是最头疼、最难的分离需求。这里有一篇美国人四五年前写的文章，改变世界未来的七大分离技术，其中有3项技术都是跟我们这个体系相关，直接节能减排可能仍然是我们的重要法宝。第三个判断，刚刚很多专家提到，碳达峰、碳中和是能源结构的根本性调整。这件事情对我们国家来讲尤为困难。这个数字的基本规律和构架趋势不会有大的问题。在未来能耗每年还会增加的前提下，我们的能源结构是在拼命调整。比方说煤，现在占比刚刚不到60%，在未来5到10年仍然还会占到一半左右。这只是能源结构的比例。从绝对值看，近5年28亿吨左右几乎没有变，只是到2030年之前可能会有小幅下降。石油这么多年比例基本没有变，就是17%、18%，但是它的绝对值依然还有上升空间，2030年至少达到11亿吨左右。还有天然气，天然气在三个化石能源中应该是增长最快的，因为天然气是一个碳4个氢，比院士讲的氮氢3的氢含量还高，也是一个负氢的介质，尽管还有碳，但毕竟碳的含量比较低，所以它还会呈一定的上升，无论是相对值，还是绝对值。从这个角度来讲，2030年三大化石能源仍然会占到75%，我们仰仗的非化石能源，像光伏、风电等清洁能源在结构里面是有快速增长，但是大概也只是占到25%。能源结构在调整，但我们可能未来10年，甚至更长时间都还要仰仗煤、油、气。在这一背景下，我们怎么考虑氢能以及很多产品与技术的布局？这个前提和背景我们需要有充分的考虑。换句话说，氢能现在处在一个发展的积累期，这个积累期可能还会持续一段时间。第四个，二氧化碳的绝对排放值，大概到2030年在105亿吨左右。这么多的二氧化碳，我们在未来40年之内要找到解决方案。因为如果把110吨二氧化碳分解来看，电力还是最高，占到40%以上，加上工业差不多78%左右，因为交通和建筑各占10%，这是大家比较公认的数据。这么大量跟工业、电力相关的二氧化碳，我们怎么来处置？如果再分解一下，工业的37吨，钢铁、化工等等我不展开讲了。针对这么大量的二氧化碳，我们一定要找到出路。也有专家可能对它有不同的异议，但是我们在2030年以后要找到大规模利用二氧化碳的方式。这里有两大类方案，一个是物理方法，我们可以驱油，可以埋在岩水层，当然，不管有多大争议，这肯定是一个最直接的手段。同时，各种化学利用二氧化碳加氢都可以大显身手，但是那个量对消除这几十亿吨二氧化碳来讲，那是杯水车薪。当然，再小也是贡献，各种化学利用二氧化碳的产品和过程都会得到足够的重视。这里还有一个二氧化碳的排放强度，我刚才反复强调，我们经济只要发展，就需要能量，但是我们的能量结构可以调整。这个过程中靠什么调整？就是要靠未来绿电和由绿电和绿氢构成的二次能源的重要的互联网，来为减排二氧化碳做出贡献。同样消耗能量，我用的是绿电和绿氢，而不是传统的化石能源。今天主题是氢，我主要讲一下以氢为主的一些理解。氢气作为能源有很多的好处，我想在这里声明一下，氢气作为能源，是一个非常古老的东西，不是一个新东西。我们石油化工在七八十年前大力发展催化加氢过程，就是把氢气加到汽油、柴油、煤油里面去，达到一定的氢碳比和氢含量，来满足汽油发动机、柴油发动机、航空发动机的要求，它不是一种制氢、加氢和用氢吗？这个过程包含了制氢、储氢、化学储氢、用氢全有，只是用的不是燃料电池，用的是汽油发动机、柴油发动机，到现在依然这样。从这个来讲，氢气作为一种能源加到化学品、加到油品，已经七八十年，如果追溯到德国煤加氢都快100年了。但是今天我想说的，跟燃料电池相关的氢产业链可能是我们更应该关注的。这个图是我在香港上市的一个公司，跟日本株式会社旗下一个专门做燃料电池电池的机构合作，“吐血”画了这一张图，以燃料电池为核心，对氢能产业链做了一个归纳。左上角各种制氢、储氢、运氢，到最直接的加氢站，最后核心的是以燃料电池系统为主的产业链到各种应用场景。这里特别标注了一些，在我们国家有很好的积累，但是很多还只处在一些示范，甚至是刚刚研发的阶段。标注红色的目前几乎依靠进口，稍微淡一点的是小规模生产，但是性能差距还比较大。黄一点的可以小规模生产并应用。蓝色的和绿色的意味着我们已经跟国际上没有什么差距。基于这样一个说明，我把这个图稍微分解一下。左上角刚才很多院士提到，我不展开讲了。大家非常熟悉的四大制氢技术，无论是传统的化石能源制氢，还是产副产氢、电解水制氢、生物制氢，都是比较淡的颜色，也就是说我们都有相应的技术，马上可用，只不过电解水制氢可能需要尝试大规模连续化运行，毕竟现在我们很多示范工程跟我们工业上两三千万吨用氢规模相比，还有很大的差距。储氢和运氢刚才院士也讲过，我不重复了，最后直接到加氢站，不同规模加氢站的投资可能有一些差别。跟加氢站相关的很多设备并不完全可靠，氢气压缩和加注设备、高压储氢设备、制氢设备等方面我们有一些材料和关键装备还依靠进口。从这个角度来说，不是简单制氢和加氢站方面都完全自主，这方面我们还有弱项，还有进一步提高的地方。再一个是燃料电池系统。这里边还有一系列的辅助系统，包括供氢子系统、氢气循环泵、空压机、控制系统等等，其中有部分技术我们没有掌握。没有全链条的掌握，导致我们在氢气循环泵、控制系统、标准化系统方面和别人有一些差距。燃料电池堆差距就更大一些。很高兴今天听到我们在燃料电池堆，核心膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂等方面都有很大的进展。虽然我们在这些方面不需要依靠进口，但这些核心的材料、装备还需要继续攻关，因为我们还有差距。燃料电池不仅可以应用在常规的交通领域，还可以用在工程应用，包括特种工程车辆、无人机，还有分布式发电和热电联供系统等等。总体来讲，以燃料电池为主的氢能产业链还任重道远。氢能需要一定时间的发展。客观来说，在短期内我们还不能完全寄托在全绿氢上，即使美国也没有纯绿氢。2025年是仰仗中东和沙特，中东天然气比较便宜，以天然气制氢为主+CCUS，可以把每公斤氢降到1.2美元，同时借助已有的油气田、气田大规模封存二氧化碳。我国的煤制氢依然会持续一段时间，毕竟我们的能源结构所带来对煤的惯性依赖还很大，煤制氢+CCUS是我们短时间内解决快速增长的用氢需求的途径。从长远来看，我们可能还是会选择电解水制氢。不管怎么说，2060年我们要实现碳中和，没有氢是不行的。我的估计比较保守，到2050年我们氢能可以占到10%以上，产业链产值会超过10万亿，其中包括加氢站、燃料电池、固定式电源/电站。我们很关注绿电和绿氢怎么快速重构以化石燃料为主的能源结构，接下来我简单汇报一下几个进展。第一个是冶金。这么多年来，我们炼钢还是用比较传统的长流程。但现在的趋势是以电弧炉和轻机关联体为主的短流程，这个工艺在欧盟和美国已经超过了50%以上，所以我们又落后了一大步。如果把长流程变成短流程，我们可以减排二氧化碳70%以上。利用炼钢等化工过程的一些附产气体，通过化学化工的催化变换，把里面的二氧化碳、甲烷转化成一氧化碳和氢，利用一氧化碳和氢替代传统炼钢用的胶。预处理、催化反应，变成还原气等基本都是化工过程，把传统的炼钢变成准化工过程，这样可以大大地减排二氧化碳。利用这个技术，我们已经在陕西组建起来一个30万吨的清洁还原铁，并且已经投产，现在正在试运行。这里最核心的一步，就是把很多各种附产气通过化工转换变成还原气替代胶，其中的核心反应就是，把一氧化碳和氢里面的氮和氢用掉，来供炼钢。第二个是传统石油化工。石油化工也有一些过程，比如很重要的过程是蒸汽电解生产3C，这是我们现在放量最快的。传统的过程都是靠加热炉，靠烧天然气、烧油，然后每吨产品大概需要烧半吨多的化石燃料，最后都变成二氧化碳。如果在电价合理的前提下，用绿电来替代这些化石燃料，就可以大大减排。这是有可能的，但是需要一个大的突破，就是把传统的加热炉变成新的电磁供热。电磁供热是一种快速传感方式，需要一些关键的设备和催化剂实现，对传统的过程进行重构。我们得出的初步结果显示，耗电量大概1000—1500度，还是比较喜人的。现在我们在做一个1万吨示范装置，如果可行，这将是一个新的路线。最后一点就是煤化工。合成氨是一个重要的传统化工过程。传统合成氨都是用煤、石油气，最后变成一氧化碳和氢，利用里面的氢最后去做氨。我们现在提出来用电、水和烟气来冲破这个过程。光伏发电、电解水制氢，烟气通过变压气负分离，分离为氮气和二氧化碳，氢气加氮变成合成氨，氨加二氧化碳变成尿素。刚才提到，氨也可以作为一个高含氢的能源，当然这个可能需要考虑氮加氢反应是一个高能耗过程，因为氮和氢的结合很难。反过来氮和氢燃烧的时候再把它放出来也很难，因为这个过程需要算一个能量平衡的总账。我们在宁夏宁东基地建一个1万吨的电氢氨示范装置，想把这个工艺流程打通，关键就是电解水制氢加上电氨，最后来做绿色尿素，这样不但过程没有二氧化碳排放，我们还消耗二氧化碳，生产尿素变成了一个绿色的二氧化碳转化利用的一个过程。
编辑：氢氢我心 校对：风氢扬 审核：氢云小仙女
来源：UNDP
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