徐春明：能源轉(zhuǎn)型下綠電氫技術(shù)發(fā)展思考及實(shí)踐

    各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，各位同行，非常高興我們中國石油大學(xué)重質(zhì)油全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為支持單位，跟《證券日?qǐng)?bào)》社一起來舉辦這個(gè)活動(dòng)，我本人也特別高興跟資本企業(yè)技術(shù)同行來做一個(gè)交流。

    因?yàn)榍懊鎯晌活I(lǐng)導(dǎo)都已經(jīng)做了非常精彩非常重要的致辭，我為了節(jié)省時(shí)間，就直奔主題，也想把致辭和表達(dá)融在我這個(gè)報(bào)告里面。

    當(dāng)然這個(gè)題目也是基于我們的主題“新需求、新技術(shù)”，尤其在“雙碳”戰(zhàn)略、能源轉(zhuǎn)型大的背景下的一些思考，當(dāng)然也有一些我們相應(yīng)的工作，順便給大家做一個(gè)介紹。

    我想直奔主題，因?yàn)?ldquo;雙碳”，剛才徐秘書長也提到了，也是我們經(jīng)濟(jì)發(fā)展里面對(duì)的。隨著我們國家近些年的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，使得我們對(duì)能量的消耗以及二氧化碳排放確實(shí)到了比較高位，這個(gè)表里其實(shí)是給了我們作為總體排放量100億噸左右，大數(shù)，跟能源相關(guān)的，我們占了全球排放的大概1/4多，這么一個(gè)局面，使得我們不得不做出“雙碳”的承諾，這個(gè)我就不多說了。

    這就有了總書記在2020年，兩年多前做的“雙碳”的承諾。當(dāng)然碳達(dá)峰我就不說了，碳中和其實(shí)比我們想象的還要困難，因?yàn)樵谔贾泻偷臅r(shí)候已經(jīng)不單單是二氧化碳，包括二氧化碳、甲烷在內(nèi)的強(qiáng)溫室氣體的融合。當(dāng)前我們把重點(diǎn)放在二氧化碳，其實(shí)在不久的未來將會(huì)啟動(dòng)對(duì)甲烷下一步的監(jiān)測(cè)包括控制，都會(huì)成為碳中和的另一個(gè)重要任務(wù)。到碳中和那一天我們承擔(dān)的壓力可能比我們想象的還要大。這是一個(gè)簡單的背景。

    這里我列了一些跟經(jīng)濟(jì)發(fā)展能源相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不管從事哪行哪業(yè)都是需要面對(duì)的，當(dāng)然這個(gè)數(shù)據(jù)可能是兩年前匯總的，可能會(huì)有一些出路，我想拿這些數(shù)據(jù)做一些簡單的分析，來判斷我們面對(duì)這些數(shù)據(jù)背后的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

    首先，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能量消耗。為什么說支持我們經(jīng)濟(jì)發(fā)展必須需要能量？這里面有個(gè)剛性的關(guān)系，這個(gè)數(shù)據(jù)其實(shí)也是近些年來，基本上是已經(jīng)相對(duì)明確的，大概我們用了3%的能量的增量支撐了5%以上的GDP的增加，從這個(gè)數(shù)據(jù)可以看得出來，所以現(xiàn)在我們每年基本以1—1.5噸標(biāo)煤的增量來增加，況且這個(gè)增加隨著我們作為發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展依然還會(huì)增加，所以這是一個(gè)不可改變的關(guān)系。所以經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能量的依賴是一個(gè)剛性關(guān)系。

    正因?yàn)檫@樣，我們?nèi)绻唵慰刂颇芎暮蛦挝籊DP的能量消耗就會(huì)存在一些不科學(xué)、不規(guī)范的地方，所以這才有了大家知道的現(xiàn)在慢慢從能量雙控過渡到二氧化碳排放雙控，這個(gè)重要的前提是因?yàn)檫@個(gè)重要的剛性關(guān)系。

    第二個(gè)，現(xiàn)在各行各業(yè)強(qiáng)調(diào)利用各種手段和技術(shù)進(jìn)行節(jié)能。大家知道，節(jié)能最快捷的第一選擇是減排，在這方面有了流程工業(yè)，不論是用工藝、裝備、材料、介質(zhì)、技術(shù)，還是剛才舒董提到的利用數(shù)字化、智能化、信息化的各種賦能，其實(shí)很重要的一個(gè)目標(biāo)就是要提高過程效率，降低單位GDP的能耗，這一點(diǎn)其實(shí)作為能源工業(yè)也是一個(gè)非常重要的手段。

    第三個(gè)，能源結(jié)構(gòu)的根本性調(diào)整也是必然。因?yàn)榈教贾泻偷臅r(shí)候，大家知道，我們要實(shí)現(xiàn)排放的溫室氣體和自然界能消納的溫室氣體的平衡，不根本性改變能源結(jié)構(gòu)是不可能實(shí)現(xiàn)的。按照增長數(shù)字和能源關(guān)系預(yù)測(cè)，要增加80億噸以上甚至百億噸的能耗，這也是和經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然的關(guān)系，但是它的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生根本性的顛覆性變化。目前化石能源占比還在80%左右，非化石能源不到20%，但是到了碳中和那一天正好反過來，非化石能源或者綠電綠氫能源占到80%以上，化石能源占到20%以下，這樣的調(diào)整使得用能工藝都會(huì)發(fā)生一些變革性的技術(shù)來支撐，這是關(guān)于能源結(jié)構(gòu)。

    當(dāng)然這里面還有一個(gè)重要的數(shù)據(jù)是二氧化碳排放的總量，因?yàn)楝F(xiàn)在不管哪個(gè)數(shù)據(jù)來源，我們跟能源密切相關(guān)的排放大數(shù)100多億噸，這還沒有到峰值，到峰值號(hào)稱控制在105億噸以內(nèi)，按照生態(tài)環(huán)境專家預(yù)測(cè)，我們自然界能夠靠海洋、湖泊等消納的二氧化碳為主的溫室氣體樂觀地說也就是五六十億噸，稍微保守一點(diǎn)可能三四十億噸，不管按哪個(gè)數(shù)據(jù)來算，超出的五六十億噸的二氧化碳及溫室氣體需要我們找到解決的辦法。所以這才有了現(xiàn)在大家知道CCUS，這是我們?cè)诙唐趦?nèi)大規(guī)模處置二氧化碳相對(duì)來說一個(gè)手段，2021年總書記特意去山東東營視察，專門考察了一個(gè)點(diǎn)，中石化勝利油田一個(gè)100萬噸的CCUS示范點(diǎn)。當(dāng)然我們搞化學(xué)化工材料的人也在拼命找一些技術(shù)把二氧化碳消納掉，以及農(nóng)業(yè)，時(shí)間關(guān)系，不展開講了。

    最后一個(gè)，這里面還有一個(gè)數(shù)據(jù)二氧化碳排放強(qiáng)度，也就是我消耗能源，但是我盡量不排二氧化碳，要達(dá)到這一點(diǎn)必須仰仗綠電和綠氫。

    首先，氫，大家知道，這一兩年尤其“雙碳”目標(biāo)提出以后變得非常熱，有兩個(gè)重要原因，一個(gè)是作為能源，因?yàn)槭突I(yè)用了幾十年的氫作為能源，但是它現(xiàn)在另一個(gè)身份，作為跟綠電互相轉(zhuǎn)化的身份，使得它作為儲(chǔ)能的介質(zhì)搖身一變變得非常熱，當(dāng)然了，另外我們未來氫能的凈增量或者增量都是要仰仗綠氫，所以未來不管是幾千萬噸氫的增量，都要仰仗綠電為主的電解水制氫。所以這樣使得氫能就成為現(xiàn)在一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)鏈也好，一個(gè)新的賽道也好，變得非常關(guān)注。

    這里簡單梳理了一下氫能以燃料電池為主的全產(chǎn)業(yè)鏈，為什么非畫這么一個(gè)復(fù)雜的圖？是想表達(dá)兩層含義，一層含義是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈非常復(fù)雜，從制氫開始，不同的路線，到儲(chǔ)氫、運(yùn)氫各種選擇，跟儲(chǔ)氫規(guī)模、用氫密切相關(guān)。當(dāng)然加氫站通過燃料電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為用能的各種環(huán)節(jié)，到不同的應(yīng)用場(chǎng)景，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相當(dāng)復(fù)雜，這是傳達(dá)第一個(gè)信息。第二個(gè)信息，我們?cè)谶@里面做了一些標(biāo)注，一些關(guān)鍵裝備、材料并沒有完全穩(wěn)定的規(guī)模化，比如高壓氫氣循環(huán)泵、質(zhì)子交換膜等，顏色深的說明我們還沒有完全掌握技術(shù)，在這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈里意味著我們有巨大的機(jī)遇，當(dāng)然也可以說是挑戰(zhàn)，不管哪個(gè)產(chǎn)品攻克了，都可能帶來一個(gè)產(chǎn)業(yè)，一個(gè)產(chǎn)品技術(shù)。

    時(shí)間關(guān)系，我只是給大家點(diǎn)一點(diǎn)，因此這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈我們?cè)杏鵁o限的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。這是關(guān)于氫能。

    第二，關(guān)于綠電。因?yàn)榭稍偕娏ρb機(jī)容量飛速增長，這么大量的綠電怎么來消納？其中很重要的，就是傳統(tǒng)的高能耗的化工過程能不能承載消納大規(guī)模綠電快速增長的技術(shù)？所以我們團(tuán)隊(duì)在考慮怎么把綠電用于變革傳統(tǒng)的加熱過程，把原來常規(guī)的加熱方式變成用電方式加熱。一個(gè)是乙烯生產(chǎn)過程，我們通過高溫裂解生產(chǎn)乙烯，這個(gè)過程常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)每生產(chǎn)一噸乙烯要消耗大概半噸以上的燃料，現(xiàn)在提出用電加熱，替代五六百公斤的燃料，這樣的話當(dāng)然也有能耗，但是我不排放二氧化碳，這么一個(gè)過程能不能實(shí)現(xiàn)呢？我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里已經(jīng)嘗試，這里面核心的一個(gè)變革，就是把加熱方式變了，現(xiàn)在電變成磁，磁變成熱，只加熱反應(yīng)器內(nèi)的介質(zhì)，當(dāng)然一方面消納綠電，一方面可以提高效率，當(dāng)然這里面要攻克核心裝備，以及過程中還有一些材料催化劑需要研發(fā)，等等。這個(gè)技術(shù)到底可不可行？我們通過在實(shí)驗(yàn)室研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以向丙烷脫氫生產(chǎn)乙烯的化工過程有可能用電加熱替代目前的加熱爐加熱，當(dāng)然我們也可以把非常復(fù)雜的流程和裝備可以大大簡化?，F(xiàn)在這個(gè)過程已經(jīng)進(jìn)到1萬噸的示范，在山東東營，我們期盼這個(gè)工藝能夠帶來一些新的機(jī)會(huì)，當(dāng)然我們做了初步的核算，還有一些經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)性。

    第二個(gè)非常熱的過程叫合成氨，當(dāng)前我們搞電、搞化工的都非常關(guān)注，成了一個(gè)明星過程。這個(gè)過程傳統(tǒng)的也是用煤、石油、天然氣把里面的氫拿出來最后做成氨，這是一個(gè)高能耗高排放的過程?，F(xiàn)在我們不用這個(gè)東西了，用電、水和煙氣來做這個(gè)過程，利用光伏發(fā)電，電解水制氫，得到綠氫，我們對(duì)煙氣吸附氮?dú)夂投趸?，氫氣和氮?dú)饩秃铣砂?，氨出來再變成綠料素，為什么熱？大家可以看這個(gè)過程完全沒有排放，況且還可以消納二氧化碳，得到的產(chǎn)品氨都是綠色的，作為儲(chǔ)氫來講，氨就有一個(gè)新的身份，是得這個(gè)過程變得異?；馃?。

    最后，我講一下儲(chǔ)能，剛才舒總提到了，剛才講得這么美好，但這里面有個(gè)巨大的鴻溝，怎么把可再生電力的不穩(wěn)定性、波動(dòng)性和化工過程的強(qiáng)穩(wěn)定性這兩個(gè)之間的差距給架起來？要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須具備足夠規(guī)模的大規(guī)模的長時(shí)儲(chǔ)能，才能把這個(gè)橋架起來。這個(gè)過程像抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能，當(dāng)然可以完成一定的任務(wù)，但是因?yàn)槲覀冃枰卧^程結(jié)合，這些受區(qū)域條件限制的就很難跟化工過程耦合，我們需要電化學(xué)儲(chǔ)能方式跟化工單元過程耦合在一起，這個(gè)過程就是液流電池?，F(xiàn)在液流電池已經(jīng)商業(yè)化，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營模式，但是各種技術(shù)也面臨著，像釩、鋰有一些資源限制。儲(chǔ)電的多少完全區(qū)域于兩個(gè)電解液罐的大小，當(dāng)然這個(gè)過程核心包括碳布電極和催化劑以及怎么抑制副反應(yīng)，當(dāng)然最大的優(yōu)勢(shì)鐵和鉻不受資源限制。

    去年10月份，二十大期間，我們建成了一個(gè)400千瓦時(shí)的中試，經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行，基本參數(shù)可以滿足低成本大規(guī)模儲(chǔ)能要求，當(dāng)然現(xiàn)在正在進(jìn)入工業(yè)示范階段，也期盼這個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)為我們當(dāng)前的儲(chǔ)能技術(shù)提供另一個(gè)選擇。

    時(shí)間關(guān)系，謝謝大家！也預(yù)祝這次會(huì)議取得圓滿成功。謝謝！