前沿科学

    实现碳达峰碳中和，是着力解决资源环境约束突出问题的必然选择。要想实现碳达峰碳中和，首先需要明晰碳排放的主要来源和减排的技术路线。

    近年来，我国在可再生能源和电力绿色低碳转型方面已取得长足发展。截至2022年底，非化石能源装机规模占总装机的49%，超过煤电装机规模；2022年非化石能源发电量占总发电量的36%。2060年实现碳中和，届时可再生能源发电的比重将达80%以上。

    然而，以光伏、风电为主体的可再生能源，普遍具有间歇性、波动性、随机性、负荷时空不匹配等特点，新能源渗透率不断提高将极大影响电网的稳定性，并导致弃光、弃电现象。此外，尽管绿电替代将给众多领域的脱碳带来希望，但仍有30%以上的终端能源消费缺乏技术经济可行的深度脱碳方案，特别是钢铁、水泥、电解铝、化工等高耗能行业和重卡、轮船、飞机等交通部门。

    解决上述难题的核心在于发展一种清洁、高效、易存储运输、多应用场景和形式的能源载体，连接可再生能源和多终端用能，而氢能是最理想的选择。

    作为元素周期表中的第一号元素，氢是宇宙中含量最多的元素，质量占比75%，单质形态是氢气。氢气是质量能量密度最高的化学燃料，是石油的3倍、焦炭的4倍，且燃烧后只有一种产物——水，作为清洁燃料可以用于氢燃料电池发电、氢燃料电池重型卡车，掺氢燃烧用于建筑与工业零碳供热。

    氢气在工业生产中也发挥着重要作用。目前，中国近七成的氢气被用作炼油、合成氨、合成甲醇等化工过程的工业原料，而以富氢还原高炉和氢气竖炉直接还原炼铁为代表的氢冶金技术，也得到越来越多的重视。

    2022年，国家发改委、国家能源局发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035）》，指出氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

    中国是全世界最大的氢气生产国和消费国，2021年产量达到3400万吨，其中80.3%来自化石能源，18.5%来自工业副产氢，1.2%来自电解水制氢。化石能源制氢会产生大量的二氧化碳排放，即灰氢，通过可再生能源电解水制氢，理论上可大幅降低碳排放，也就是绿氢。

    在“双碳”目标下，可再生能源电解水制取绿氢，有望成为支撑电力系统低碳化和用能终端电气化的核心技术：一方面，电解水制氢可作为超大规模的可调负荷，实现波动性绿电的有效消纳和超长时储能，并能通过不同方式远距离、跨区域运输，实现跨时空的能源再分配，或者通过燃料电池发电等方式实现“电—氢—电”转化，支撑高比例可再生能源的新型电力系统发展。另一方面，绿氢可替代现有煤化工和石油化工中的灰氢，在钢铁、水泥、化工、有色等领域发展绿氢与二氧化碳化学转化固碳技术、富氢或纯氢气体冶炼技术、掺氢掺氨燃烧发电供热技术等，实现用能终端的间接电气化和低碳化，支撑低碳与零碳工业流程再造。

    （第一作者系北京智慧能源研究院氢能技术研究所所长，第二作者系清华大学化工系副研究员）