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李灿院士：《绿色氢能在“双碳”战略中的作用》
2025-05-17 20:26:13
作者：李灿（中国科学院院士、物理化学家，中国科学院大连化学物理研究所研究员）
当前氢能受到我国乃至世界各国的高度重视，我国把氢能作为能源发展的战略方向，世界各国也出台了氢能发展的战略路线图。氢能产业的发展对推动全球能源结构更加清洁高效和可持续发展具有重要战略意义，将促进形成能源行业的新赛道和新质生产力，也是我国实施 双碳战略任务的抓手。
一、氢能及绿氢
氢是一种化学元素，通常以化学分子H 2 存在，具有化学材料和能源物质两个方面的属性。就化学键能而言，氢是单位质量含能密度最高的分子，所以，氢能的发展尤其受到重视。氢因其产生路径不同而分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指以化石资源（主要是煤和天然气）为原料而生产，其过程伴随大量CO 2 生成，例如，煤制氢过程，每生产1吨氢释放近20吨的CO 2 ；蓝氢指化石资源转化过程副产的氢，或由化石资源制氢、将生成的CO 2 捕获封存（CCS），但目前大规模封存CO 2 还存在诸多挑战；绿氢指用可再生能源分解水制氢，此过程不排放CO 2 。所以，在“双碳”战略下，我国应大力倡导绿氢，而逐步淘汰灰氢，一些特殊情况下可使用蓝氢。但目前我国绿氢尚处于发展初期，占比还很低，尚没有作为能源规模化使用，化学、材料工业中大部分氢来自灰氢。
氢能的几次研究热潮主要因交通领域的发展而兴盛起来，由于发展氢燃料电池而带动了氢能的发展。但是在“双碳”战略的要求下，氢源只有利用绿氢，燃料电池技术才能起到碳中和的作用。
绿氢是电力转化为化学能源和材料（power-to-x）的必经之路，也是实现碳中和的关键 。绿氢的制造可通过光解水、电解水等技术实现，目前电解水技术已经可实现规模化制氢（单电解槽产能1000方-氢/时的技术已经成熟，甚至单槽大于3000方-氢/时）的商业化生产。其中，电解碱水制氢技术的发展尤为迅速，其成本相对较低，在电解水制氢的成本中只占不到30%，而制氢的主要成本取决于可再生电力的价格。初步估计，当电力成本低于0.2元/（kW·h）时，其制氢成本可与天然气制氢相当；当电力成本低于0.15元/（kW·h）时，其制氢成本可与煤制氢相当，甚至更低。
二、氢能发展技术及前景
氢能的发展要突破制、储、运、用几个环节的限制 ，除了制备外，储、运和用也非常重要，因为氢气体积密度很低，不易大规模存储和运输，传统高压气瓶的方法储放氢比较方便，但储氢量很低，需要发展轻质、耐高压、安全的储氢容器。化合物储氢正在兴起，即将氢与化合物反应后储存在化合物中，例如，甲苯加氢合成甲基环己烷，储氢量可达6wt%以上，金属氢化镁储氢理论上可获得较高的储氢量（>7wt%），合成氨可储存17wt%以上氢，特别如合成甲醇可储氢18wt%以上（包含水汽重整过程中从水中获得的氢）。其中，甲醇和氨易于运输和储存，是值得关注的储氢技术。
氢能发展的前景在于大规模应用。 在我国提出“双碳”战略前，氢能应用的焦点集中在交通领域（主要是氢燃料电池），而为了解决碳排放问题，绿氢的应用面大大拓展，可以从各种刚性排放CO2工业过程的源头上和终端利用绿氢解决问题。例如，冶金过程由于使用焦炭作为还原剂，排放大量CO2，而采用绿氢作为还原剂，则可从源头上解决冶金领域CO2排放问题，水泥、电力等行业的终端排放可以通过绿氢还原CO2制取化学品而得到解决。
利用绿氢还原CO2制取的甲醇称为“液态阳光甲醇”（也可称为电-甲醇、绿甲醇），因为其氢能来自太阳能（风光电制氢），而甲醇在室温、常压下为液体，易于存储和运输，所以这种甲醇等效于将阳光存储为液态燃料，称为“液态阳光”。“液态阳光”也可是由CO2还原制得的其他燃料，如乙醇、汽油、航空煤油等。
“液态阳光甲醇”之所以在氢能发展中受到越来越多的重视，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿认为主要原因在于以下3个方面： （1）它是一种储氢技术，如前述在众多化合物储氢技术中，甲醇易于储存和运输，其通过与水汽重整易于把氢释放出来，且储氢量比大多数储氢化合物的量都大；（2）它是一种高效储能技术，可以将风光电经氢能储存在甲醇中，可用于电网调峰，又可离网大规模消纳可再生能源，每吨甲醇储能约为6000kW·h，10万吨“液态阳光甲醇”可消纳600~700MW光伏风电；（3）直接资源化转化CO2，每吨甲醇可转化1.375吨CO2，生产10万吨“液态阳光甲醇”则可转化近14万吨CO2。同样，“液态阳光甲醇”的成本与绿氢成本相关联，当可再生电力电价低于0.15元/（kW·h）时，“液态阳光甲醇”的成本与煤制甲醇相当，甚至更低（尚没有考虑碳税）。
三、我国氢能发展建议
1、大力发展绿氢，而逐步减少灰氢，在政策上鼓励用绿氢代替灰氢，加强绿氢制造和储运技术的研究。
2、理性布局氢能。氢能的发展首先要布局其下游应用场景，没有规模化消纳氢能的工业应用出口，不可“一窝蜂”上马制氢项目。
3、氢能的发展要契合“双碳”战略的实施，大部分刚性排放CO2工业（如冶金、石化、材料、交通）的碳中和目标可通过绿氢得以实现。
4、通过绿氢将CO2转化为“液态阳光甲醇”是氢能发展的重要枢纽，由“液态阳光甲醇”可以拓展氢能的应用领域，形成绿色、低碳新质生产力。例如，通过“液态阳光甲醇”可实现基本化工原料、精细化学品及高端化学品的绿色、低碳化合成。
原文发表于《科技导报》2024年第15期。
作者介绍：
李灿：中国科学院院士、第三世界科学院院士，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，洁净能源国家实验室（筹）主任，中国科学技术大学化学与材料科学学院院长，催化基础国家重点实验室主任。李灿院士主要从事催化材料、催化反应和光谱表征方面的研究，致力于太阳能转化和利用科学研究，包括太阳能光、电催化分解水，二氧化碳资源化转化等人工光合成研究和新一代太阳电池探索研究等。先后在国际上提出了异相结、双功能助催化剂及发现晶面间促进光生电荷分离的新概念；在光电催化领域，提出了助催化剂、空穴储存层、界面态能级调控等重要策略；国际上首次“拍摄”到纳米光催化剂光生电荷分离转移全时空过程。为发展高效太阳能转化体系构筑提供了科学基础。2020年主持完成全球首个直接太阳能液态阳光甲醇规模化工业示范工程，为实现碳中和提供了一个切实可行的技术路径。在国内外学术刊物发表正式论文900余篇（总他引次数60000余次）；在国际Elsevier Science B.V., Wiley系列中主编专著多本；获得发明专利授权80余件；在重要国际会议上作大会邀请报告和主旨报告百余次；已培养硕士、博士研究生以及指导博士后300余名。研究工作和个人先后获得国家科技发明二等奖，国家自然科学奖二等奖，中国科学院杰出科技成就奖，何梁何利科学技术进步奖，中国催化成就奖，中国光谱成就奖，日本光化学奖，中法化学讲座奖，亚太催化成就奖，国际催化奖，国际清洁能源“创新使命领军者”称号以及中国可再生能源学会技术发明奖一等奖等。
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