氢能应用助推“双碳”目标实现

■ 文/齐 康

氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源和工业还原物料，对“双碳”目标的实现非常关键，也受到了越来越多的关注。

实现碳达峰、碳中和目标是一项宏大而复杂的系统工程，是一场广泛而深刻的社会变革，涉及能源生产、工业用能、交通运输等国民经济的各个领域，需要一系列绿色低碳技术的创新突破及其规模化推广应用。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源和工业还原物料，对“双碳”目标的实现非常关键，也受到了越来越多的关注。2022年3月，国家《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》发布，明确了氢能的战略定位，即氢能是未来国家能源体系的组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。

氢能发展对“双碳”目标实现的战略意义

●氢能是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分

推动光伏、风电等绿色电力占比上升和电源结构的低碳化，逐步构建以新能源为主体的新型电力系统，是碳达峰、碳中和的核心任务。近年来，我国光伏发电、风力发电等新能源发电占比快速提升，2020年光伏发电、风力发电的发电量占比达9.5%，2021年增至11.8%（已超过全球平均占比10.3%），但还明显低于德国、英国、丹麦等先进发达国家（分别为25.2%、28.8%、51.9%）。光伏发电、风力发电等新能源发电具有不稳定性、间歇性的特点，目前我国占比仍比较低，尚可靠配置电化学电池来解决新能源发电短时储能（若干小时）的需求，以帮助解决电网在输配、波动性调控、无功调节、调频调峰等方面的问题。但是，随着新能源发电比重的进一步上升，达到25%乃至30%以上，电力系统必须通过氢能等载体实现大规模、长周期储能，从而促进可再生能源的跨地域和跨季节优化配置，实现可再生能源规模化的高效利用。

就上海而言，目前光伏发电、风力发电占比还比较低，本地光伏发电、风力发电装机占比接近10%，所发电量占比约5%。但是，随着“十四五”“十五五”碳达峰工作的推进，光伏发电、风力发电装机占比将达到40%左右，电量预计达到20%左右，这将对上海市电力系统的调节带来巨大挑战，相关长时储能、跨季节储存设施配置也需要提上议事日程。此外，今后上海新能源发电的主体将是海上风电，特别是深远海海上风电。但是，由于相应的电力接入距离较远，接入线路登陆所涉及的岸线、变电站仓位等资源难以支撑，以及远距离海域输电成本较高，海上风电所发电力就地制氢再通过管道、船运等输氢方式进入上海市能源电力系统将是上海市海上风电发展的重要路径之一。

“随着新能源发电比重的进一步上升，电力系统必须通过氢能等载体实现大规模、长周期储能，从而促进可再生能源的跨地域和跨季节优化配置，实现可再生能源规模化的高效利用。

●氢能是工业用能终端降低碳排放的重要载体

钢铁、化工等领域是全社会碳排放的重点领域，占我国全社会碳排放总量的30%左右。就上海而言，工业领域碳排放占碳排放总量的50%左右，其中钢铁、化工排放占其中的75%左右，因而钢铁、化工等行业的降碳对全市的碳达峰、碳中和非常关键。

钢铁领域的碳排放主要包括烧结、炼铁、炼焦等工艺环节，其中煤炭作为燃料燃烧以及作为还原剂使用的过程排放是主要的排放源。石化、化工行业的碳排放也较为类似，包括蒸汽裂解环节大量的化石燃料燃烧的排放以及煤炭、石油等含碳原料使用的工业过程排放。此类排放由于工艺特性难以通过直接电气化（绿色电力+电气化）的方式来脱碳，而绿氢的应用可作为重要的降碳路径。因此，加强较为经济的绿氢的供应，因地制宜引导多元应用，将是上海乃至全国在工业领域的降碳，特别是钢铁、化工领域降碳的重要路径。

●氢能是交通运输领域绿色低碳转型的重要方向

交通领域是节能减排的主要领域之一。由于制造业比重高，我国交通领域碳排放占比相对不高，占8%左右，但交通领域，特别是航空、海运领域涉及面广，是国际应对气候变化的热点合作领域。国际海事组织提出了2050年相对2008年二氧化碳减排50%的战略目标，国际航空运输协会提出了2050年全球航空运输业实现净零碳排放的目标。上海作为国际航运中心，包括航空运输、深海航运等领域排放在内，交通领域排放将占碳排放总量的27%以上，是影响全市碳排放达峰的关键领域。

交通领域通过氢燃料替代来降碳可细分为道路运输领域、海运领域、航空领域。

就道路运输领域而言，小汽车和轻型商用车降碳将主要由电气化驱动，氢能将在重型运输（环卫车、工程渣土车、搅拌车、叉车等）和长途商用车运输领域发挥重要作用，特别是氢燃料补给站网络逐步完善后。

就海运领域而言，电气化的潜力仅限于靠泊时的岸电以及近海航运，因为电池的能量密度难以满足深海航运要求。压缩或液体形式的纯氢由于能量密度也较低，将不太可能在国际航运中大规模使用，安全问题和缺乏补给基础设施也是额外的挑战。但是，将氢生产成氨或合成甲醇等燃料，是较有可能的运输选择。使用甲醇或氨可充分利用现有燃料补给基础设施，船舶上的燃料储罐成本也较低，特别是使用甲醇。由于甲醇需要通过氢、二氧化碳进行合成，还可实现其他工业设施捕集的二氧化碳的再利用。

就航空领域而言，电池在长途飞行中不具可行性，纯氢作为零碳航空燃料是一个可能的路线选择，但也存在能量密度低、氢罐安全等问题，预计较长时间内还难以大规模使用。与海运领域类似，使用基于绿氢生产的高能量密度的合成燃料更为可行。

综上而言，氢能的发展对上海乃至我国的交通、工业、能源等主要领域的降碳都非常重要，特别是在后续碳中和阶段，将是重要路径之一。

上海市氢能发展建议

上海作为我国氢能产业发展的先行者，有必要强化科技资源聚焦，加强政策创新突破，进一步打造基于自主创新的现代氢能产业，力争形成发展先机，从而为碳达峰、碳中和目标实现提供支撑，为经济发展提供新动能。相关的关键举措建议如下：

●加快突破关键部件和核心技术

目前，我国氢能产业链中相关关键部件技术水平与国外先进水平差距较大，这是上海乃至全国氢能发展的最大瓶颈。例如：国内质子交换膜相关企业基本处于研发应用前期或试生产阶段，较国际产品有两代左右的差距；国内气体扩散层（碳纸）企业基本处于预研制样阶段，还缺少商业化产品；催化剂方面，国内企业在低载量高活性催化、化学稳定性耐久性、生产批次稳定性等性能上需要提升和突破。这有必要依托上海科技资源及燃料电池等产业基础，突破攻克燃料电池电堆、制氢环节催化剂、质子交换膜、碳纸、固体氧化物电解池（SOEC）等核心部件，以及储运Ⅳ型瓶、低温液氢、管道掺氢等核心环节制备技术，形成全链条自主可控，提升系统的可靠性和耐久性，持续降低制储用氢全环节的系统成本。

同时，在氢能相关前瞻性和颠覆性技术方面，有必要发挥上海高校及在沪中国科学院科研机构在基础研究方面的优势，围绕新型氨氢转换、固态储氢等开展研究布局，加强氢、二氧化碳等生产合成燃料、可再生燃料的前沿技术研发和产业创新，开发具有自主知识产权的核心材料和关键零部件，提升创新策源能力，为未来氢能产业新风口奠定技术基础。

●加强政策创新

目前，加氢站体系的建设是产业发展的瓶颈之一，对加氢站建设的政策支持非常必要。需要优化加氢站、油氢合建站等建设管理体系，建立氢能制备、检测服务、加氢基础设施等建设项目审批“绿色通道”，在有条件的非化工区用地开展可再生能源制氢和加氢一体化站建设试点。建议将独立建设加氢站用地纳入公用设施用地范围，在符合相关规范、安全条件的前提下，优化用地预审与规划选址等前期手续。

●打造示范应用场景

氢能在工业、能源、交通等领域有较好的降碳应用潜力，在产业发展初期，有必要由政府或相关龙头企业打造或提供示范应用场景，也有必要结合上海市氢能产业城市群、长三角氢输运高速示范线路、长江氢走廊等，打造氢能在机场、港口、钢铁、电厂、物流等领域的示范应用场景，为产业的发展和技术创新提供探索经验。

●完善产业标准及检测体系

标准体系完善是政策创新、场景示范的重要依托。上海市有关龙头企业、科研机构有必要联合组建相关氢能标准委员会，重点加强储运氢装置、输氢管道、加氢站等基础设施标准，以及交通和储能等氢能应用标准研究。结合标准研究，建设储运、制氢、燃料电池电堆系统及其关键零部件成套测试认证平台，形成检测认证服务和测试装备供应体系，为产业发展提供支撑。