拓展电力多元应用 绿氢全产业链攻关时代来临

 

随着“双碳”战略的实施，绿氢正迎来加速发展阶段，而绿氢作为主要路径的“电力多元转换（Power-to-X）”也成为重要发展方向。中国科学院院士李灿接受记者采访时指出，Power-to-X是实现碳中和的重要方式，目前在国内刚刚起步，中石化新疆库车项目、宁夏宝丰将绿氢应用在石化领域的项目，以及中煤集团在鄂尔多斯的10万吨级“液态阳光甲醇”项目，都是在这一领域探索的典型案例。

 

在“双碳”背景下，氢能的作用正在凸显。“过去我们做氢能，主要是针对燃料电池在交通领域的应用，但是绿氢在工业、能源领域有着更大的作用，尤其对于难减排的行业。”国家电投集团氢能科技发展有限公司技术总监梅武表示，在绿氢技术路线方面，国内碱性电解水制氢装备成本较低，而PEM电解水制氢虽然过去只有小规模应用，在碳达峰、碳中和大背景下，由于其易于与可再生能源结合的技术特点，未来提升空间很大。

 

 

据梅武介绍，从规模上看，我国是氢能大国，氢产量全球第一，但目前大部分是煤制氢，绿氢占比较小。近年来，绿氢装备在国内较受关注，尤其是今年3月，《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》明确氢的能源属性后，在资本市场得到较高的认可。他指出，目前制氢装备业，大型能源央国企已纷纷入局，光伏、风电行业头部企业也积极参与，同时，还有康明斯等国外巨头也正在布局中国市场。

 

当前，我国电解水制氢技术的布局正在提速。记者从中国石化新闻处了解到，中国石化首套质子交换膜（PEM）制氢示范站在所属燕山石化启动投用，标志着中国石化自主研发的国产PEM制氢设备打通了从关键材料、核心部件到系统集成的整套流程。这是中国石化加快氢能产业发展的创新实践，为企业利用“绿电”制“绿氢”提供可复制的工程示范。

 

据悉，可再生能源制氢的技术路线中PEM电解水制氢技术最具潜力，PEM电解水制氢技术里，阴阳极催化剂是核心技术之一。为此，中国石化石科院组织力量瞄准核心技术开展攻关，成功开发了IrOx阳极催化剂和Pt原子团簇阴极催化剂，可大幅降低催化剂贵金属用量。

 

另一方面，据预测未来5-10年，碱性电解水制氢将是制绿氢的主流方向。我国的多家电解水制氢公司正在加大力度发展碱水电解制氢技术，规模已经达到1000方/小时。在科技部重点研发项目支持下，由中科院大连化物所牵头研发的高效大功率碱水电解制氢关键技术有望达到1500方/小时，并冲刺到2000方/小时的规模，计划将应用在鞍钢集团的氢冶金技术研发中。

 

在氢能产业加速发展的同时，电力多元转换模式的价值也受到关注。在李灿看来，Power-to-X是把电力转变成化学能或者其他的能源形式，而通过电解水制氢是必由之路。他表示，“绿氢可以应用于多个领域，从源头上阻断碳排放。当前绿氢的发展势头很猛，但是这些项目真正投产，到大规模生产绿氢，仍需要一个过程，预计一两年之后绿氢产业就会‘风起云涌’，未来的规模将会很大。”

 

 

对于电力多元转换模式，绿氢是一条必经之路，而由绿氢制备绿氨、绿色甲醇也是重要的方向。“绿氨、绿色甲醇产业的发展，意义非常重大。”梅武认为，绿氨、绿色甲醇的发展，一方面有助于解决难以通过绿电替代来脱碳的多个行业的碳减排难题，进而促进可再生能源高比例开发利用；另一方面，还有助于解决氢的储运问题。

 

 

梅武进一步指出，目前被视为绿氢大规模推广应用瓶颈的储运环节，从中长远来看，需要通过建设管网等基础设施从根本上彻底解决，而在当下，通过绿氨和绿色甲醇等绿氢衍生物可以利用现有的成熟产业链，促进大规模绿氢消纳，也有着广阔的应用场景。比如在大型远洋船方面，可以使用绿色甲醇作为燃料；同时，在打通高性能氨-氢转换技术之后，绿氨将有更加广阔的应用前景。

 

在绿氢制备的Power-to-X的产品中，绿色甲醇也被称作“液态阳光”，未来应用前景十分广泛。李灿认为，“液态阳光”能够大规模地消纳电力，把光伏和风能生产的绿电变成绿氢，再做成便于运输和储存的甲醇，这样就可以让弃风、弃光得到利用，并可大规模储存波动的可再生能源电力。他强调，“液态阳光”甲醇作为Power-to-X的一种产品，可以解决氢能的储存和应用两方面的问题，同时可解决刚性排碳工业领域（如水泥、电石冶金等）的碳中和难题

 

李灿介绍，Power-to-X用绿电制备绿氢，可储存电力，但由于氢的密度很小，所以必须要有一种方便运输和储存的方式，“我们将其与二氧化碳反应生成甲醇，而甲醇在常温、常压下是液体，跟汽油相似，便于储运，这就是‘液态阳光’的原理，相当于将太阳能存储在容器里，它是Power-to-X最具代表性的一个路径。”他指出，作为氢能的载体，甲醇的优势在于，氢容易释放出来，同时便于存储和运输。

 

在应用方面，绿氢未来的主要应用场景是工业领域的减碳。“交通领域二氧化碳排放占比不大，更大量的二氧化碳排放在工业领域，而工业的大规模减排离不开绿氢。因此，我们要把氢能作用的视野放开。”李灿表示，通过氢与二氧化碳结合生成甲醇，进而生产下游的材料，比如生产烯烃，进而聚合成高分子材料，把二氧化碳固化到材料中，最终实现二氧化碳的资源化利用。

 

 

随着一批大型央企国企的布局，电力多元转换的构想正逐渐成为现实。今年年初，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司10万吨/年液态阳光甲醇，即二氧化碳加绿氢制甲醇技术示范项目启动。该项目规划风电225MW、光伏400MW、制氢约2.1万吨/年、10万吨/年二氧化碳加绿氢制甲醇，将净减排14万吨二氧化碳。目前已完成项目选址、颠覆性因素核查及申报方案编制。

 

“通过绿电、Power-to-X生产绿氢，制造绿色甲醇等产品，从而推动工业领域减排，这一前景非常广阔。”李灿表示，甲醇还可以用来制备高端的酸、醛、脂等各种材料单体，应用非常广泛，未来将带动数十万亿量级的投资和市场。在“双碳”任务背景下，Power-to-X将有助于经济和产业转型，提供一条新的赛道。他强调，到2030年，我国可再生能源装机总量将突破12亿千瓦，可能达到20亿千瓦，大规模的新增可再生能源发电量，将更加凸显Power-to-X消纳清洁电力的功能和重要性。

 

对于绿氢和电力多元转换的长期前景，业内普遍看好。梅武预计，到2050年，全球氢气需求或将达到2——5亿吨，其中很大一部分将来自绿氢。他指出，国家电投集团氢能科技发展有限公司聚焦国内氢能产业链发展痛点，在PEM制氢技术方面开展催化剂、电解质膜、高性能膜电极与大型电解槽等全环节关键技术攻关，开发的兆瓦级电解槽和电解系统已经通过第三方验证，主要指标已达国际先进水平，同时积极布局高性能氨-氢转化等技术领域，力争早日实现绿氢及相关装备的自主化、高端化。

 

其中，于今年10月启动的“大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目”是一次打造“电-氢-氨”全产业链的积极探索。据梅武介绍，该项目位于吉林省大安市，总投资65.36亿元，配套建设80万千瓦新能源装机为绿电制氢、制氨提供能源，年产氨量18万吨，年制氢量3.2万吨。该项目是全球体量最大的应用PEM电解水制氢设备的绿氢项目。

 

此外，国家电投集团公司还围绕“京津冀、长三角、珠三角、长江经济带、黄河生态区”等国家重大区域战略，加快多点产业化布局和氢能基地建设，实现增产降本。在制氢方面，该公司在北京延庆、内蒙古霍林郭勒和宁夏银川分别开展了PEM电解水制氢和碱性电解水制氢示范项目，在吉林长春开展了“可再生能源+PEM制氢+加氢”一体化创新示范项目，还在内蒙古包头等地规划大型绿氢项目。