編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續 共生 向新”為主題的“第五屆未來能源大會”在江蘇常州武進召開，本次大會由中國能源研究會與中國能源網聯合主辦。會上，中國科學院院士、西安交通大學教授郭烈錦發表了《氫能產業發展現狀及未來趨勢》的主旨演講。
以下內容根據論壇演講實錄進行整理。
謝謝主席，謝謝會議的邀請，很高興有這個機會來跟大家一起研究討論未來能源的相關發展問題。我給大家今天在這里分享一下關于我們對雙碳目標下，綠色氫電能源供給體系構建與發展戰略的相關思考。我是西安交通大學綠色氫電全國重點實驗室的郭烈錦。
我們國家現在的現狀是缺油少氣乏鈾，對外依存度過高，以煤為主的能源結構短期內難以改變，能源安全形勢堪憂，可再生能源有效利用的占比率比較低，連續可靠性比較差。從這個圖里可以看到，不管是化石能源，還是過程性能源，我們在當前的工業體系下，基本上都是通過燃燒一把火燒出來供熱，發出熱能以后，然后通過熱工轉化變成電，可再生能源都是通過單一的發電，比如風力發電、水力發電、太陽能發電這樣單一的轉化方式，來轉化成電，而電本身我們知道它也是個過程性能源，這些過程通過電再提供給我們的終端用戶來用能。當然過程中整個社會體系，還有把含能體能源直接供送到終端用能的很多，不那么理想的一些狀態。傳統化石能源轉換利用中，我們依賴熱能動力循環，高能耗、高污染、高碳排放、低效率，而可再生能源由于本身的稟賦，能源密度不低，不連續、不穩定，不能直接存儲，所以常規的轉化利用效率比較低，成本也高，方式比較單一。比如說燃煤發電，靠單一的提高參數和容量來提高效率，能勢匹配僅僅體現在能量轉換的單個方面，而過程中在做的都是先污染后治理，忽略了物質轉化與能量轉換的有機關聯，所以我們覺得這叫無序化嚴重、能質損耗大，而且產生高碳排放和高污染的產物。從微觀上來說，它的載能自轉變各自獨立，無互補耦合，對傳統煤制氫而言，同樣也是高污染條件苛刻、系統復雜，在追求高效的時候產生污染，因此再去要求精簡，再加裝各種脫硫、脫銷、除塵等設備增加能耗。進一步又提出低碳，所以又提出CCUS，二氧化碳捕集，捕集這個流程單純發電廠的效率下降10到13個百分點，這樣一個鏈式發展的模式，是滿足可持續發展的需求，因此需要創新三位一體協同模式，去解決高能耗、高污染、高碳排放的問題。
從可再生能源來看，當前太陽能光伏它在發電或者光熱發電的效率都比較低，能量的全光譜是沒有得到完全的利用，轉變的方式也比較單一，而且發出來的電本身還是一個過程式能源，本身波動大、并網難，而且不能存儲，自己不能直接存儲，如果光伏發了電再來電解水制氫，事實上當前的全球最好的光伏發電+電解水制氫的裝備，它的效率從太陽到氫的效能不到10%。對于風能、地熱能來說，同樣這些通過流體機械轉換變成電，也是不能直接把能量存儲下來的，所以我們簡單說它是形式單一、不能直接存儲、成本高、效率低。
所以存在的問題從科學層面上來說，對能源的能勢來說，它是發射端和接收端的物質不匹配，而判斷系統的技術和標準過于單一，組織方式無序化，可逆損失高，轉化方式對可再生能源過于單一、成本高，不能直接存儲、效率低。現有的用能方式和能源供給體系存在最大的問題。因此需要從科學上進一步的凝練，解決物質轉化與能量轉換的能質能勢理論及匹配原則，所有的可再生能源都應該是資源化、無害化的能源和物質的多失控匹配、多能互補，形成資源化的利用模式。
正因為如此，我們認為應該實施對能源的光熱、化學能等能勢梯級利用的整體匹配模式，形成物質+熱循環有效轉化的方式，以實現產物和產品的清潔低碳甚至零碳，從微觀上來說要實施多種載能子的耦合和互補，比如光、聲、電、鍵耦合。這樣就使得我們的二次能源產品，應該不是單一的電，而應該是氫電形成清潔載能體，這樣就能夠立足于我國資源稟賦，確保我國能源供給安全和可持續發展的需求，同時滿足碳減排、碳中和的雙碳目標，這些革命性顛覆性能源科學理論與核心關鍵技術，應該加快實施，并且我們國家是有相應的優勢，這對于加快實現潔凈低碳高效安全的能源轉型也是非常有價值的。
總之一句話就是要發展綠色氫電的亟需突破顛覆性技術，從傳統的左邊的這個圖變成右邊的這樣一個體系，構建相應的氫電生產、供應、消費體系，是當前乃至2050年期間國家最為重大的戰略需求，這個戰略需求也是國家各種規劃和戰略里面，已經做了相應的布局，它的核心問題實際上是存儲可再生能源，減排二氧化碳這兩個主要目標。我們知道碳中和的目標是指大氣二氧化碳濃度不再增加，它并不是說要零碳排放，而是二氧化碳的排放等于二氧化碳的吸收。當前二氧化碳排放的狀態，是幾乎85%以上的二氧化碳來源是化石能源的使用和利用，15%是從其他非碳能源來的。從工業的角度來說，電力供能產生的二氧化碳占27%，鋼鐵產生17%，建筑材料16%，化工11%，而交通及其他的相關工業只產生不到10%的二氧化碳。所以我們應該明白二氧化碳減排的主要任務在哪些領域。剛才前面兩位老先生都講到，二氧化碳的減排，除了人工措施以外，還有陸地、海洋的吸收，這也是蠻重要的一塊。
我們認為在碳捕集、利用與封存技術CCUS技術，并不是全局是可取的，只是在局部，相應的特有場合是可用的，必須從源頭上去遏制二氧化碳的排放，因為CCUS技術的成本太高，耗能太大，二氧化碳封存的風險，包括環境風險和地質風險現在都是評估不到的。
中國碳中和需要構建三端共同發力體系，從電力和氫能的生產端，從能源消費端，到強調固碳端，形成完全的綠色氫電從生產到使用到循環利用的這么一個體系，還包括四個大的模塊，一個是傳統工業體系里面的規模化碳減排，它必須摒棄傳統能源轉化方式，發展清潔、無碳排放的氫電生產及氫電互補技術。其二是要大力發展可再生電力和可再生制氫，重塑能源結構，同步發展大規模的氫儲能，提高能源利用效率。第三個大模塊，是要認真考慮大幅度的提高二氧化碳資源化利用的理論體系、科學技術和產業，耦合氫能利用技術，革新二氧化碳固定與規模化利用方式。第四個大模塊就是當前大家特別關注的所謂儲能，如果單純的依靠電化學儲能，是不足以支撐能源可持續發展的，我們應該大規模的發展氫儲能，完善氫電互補體系，鏈接氫能生產和消費兩端。
這是傳統四大高碳排放行業的轉型，迫在眉睫，這四個行業剛才已經講過，不再敘述。我們要給予氫電互補能源體系，在傳統行業中引入基于零碳排放的綠色氫電制用技術，實現大規模碳減排。通過超臨界水蒸煤氣化制氫發電供熱多聯產技術，不需要CCUS技術捕集，就可以自然形成純二氧化碳產品，如果能完全取代現在燃煤發電技術，將從源頭上減排每年46億以上的二氧化碳，若取代高碳排放的傳統煤氣化制氫技術，不僅可以大幅降低二氧化碳的排放，還可以使得制氫成本大幅度下降。而且這個技術可以利用城市農村的各種有機生物質垃圾等等，來作為原料生產電力和綠氫。這是一體化解決高碳排放的問題，左側就是利用超臨界水蒸煤技術，能夠實現高的發電效率，不產生污染物，不需要二氧化碳捕獲就能實現純碳的富集，作為資源化利用。2021年以來，國務院相關的政策也在大幅度提高可再生能源的占比，預計2025年中國總發電量將達到15.2萬億千瓦時，其中化石能源大約占10%的比例，而可再生能源占90%，這種規劃應該說對我們是嚴峻的挑戰，屆時電力系統相比于不改變現有能源結構的情況下，就要減排741億噸的煤，這是很艱難的。因此我們要發展可再生能源綠色制氫，這也是碳中和時代最佳的零碳能源。
可再生能源制氫包括綠色制氫，為鋼鐵、建筑、化工行業提供氫原料和氫能源，同時它可以消納電力，形成氫電互換互補，這種電轉氫、氫轉電，也是當前技術乃至未來發展最為高效和可持續的。利用太陽能驅動的光熱電耦合全光譜的利用來制氫，應該說可以改變單一光催化制氫以及光熱發電制氫等方法，甚至是光伏發電制氫等方法的低效率、高能耗的情況。我們在這個相關的理論工作，在華山腳下做了示范，現在在新疆的克州等等都在做大規模的示范，這個技術從太陽能到氫的效率可以達到20%以上的，而且運用當地的鹽堿水直接產氫發電制淡水，這種多聯產技術可以為未來長期、低成本、大規模、可持續的生產提供強有力的支撐。同時我們利用基于鈣鈦礦的太陽能電池高效光伏電解制氫，同樣也是一種可選的途徑，進一步發展，前景也是非常廣泛，在電解水制氫方面，綠色氫利用可再生能源產電，利用堿性電解槽、PEM電解槽、AEM電解槽進一步提高相應的效率還是可期的。比如說高效低成本缺陷催化劑的制備，已經在工業電流級電解水制氫的應用展示了非常好的效果。
第三點在二氧化碳資源化利用已經提到議程上，原始的基于化石能源的現有石油化工與化工行業的工業過程貢獻了每年11噸二氧化碳的排放，這個產業應該說也是可以大幅度基于二氧化碳資源化利用的理念，以相關的技術重塑現在的化工產業，僅這一項就可以覆蓋化工產品的90%以上，這也是相關學者在相關領域做了大量的工作，應該有相應的理論和技術支撐，未來前景是非常光明的。大規模長時儲能技術是可再生能源利用和實現雙碳目標的關鍵之一。近年來，國內密集發布的新型儲能扶持政策，強制配儲已經成為了趨勢，但是大規模、長時儲能的必然選擇不是電化學儲能，而是相應的其他的儲能技術的更加靈活，且大規模存儲場景下低成本技術的大規模開發。因此我們建議對氫儲能和鋰離子儲能應該做深入的對比分析，選擇恰當的發展場景實施，這才對國家是最有利的，對大規模儲能而言，氫儲能有它不可替代的優勢，也是鋰電池難以勝任的。氫儲能只需要每年氫氣產量的0.8%，即可以完成儲能的所有功能。而且氫儲能不僅僅止于儲能的功能，它可以和二氧化碳資源化利用和工業脫碳相結合，形成完整全新的產業鏈，去帶動社會經濟和產業的變革。
所以結論我簡單講一下，氫電互換互補是實現碳中和的重要的，也是別無選擇的途徑，僅僅提高新能源的占比，碳排放量仍有剩余，是無法實現碳中和的，只有引入氫電互換互補，比如每年有1.1億噸的氫氣，將構建完全零碳排放的這種供能體系，達到完全的碳中和。所以大力推動構建氫電互換互補的體系，有望促進我國碳中和目標在2050年之前超預期的實現，這里簡單的結論就是說，傳統的人為固碳是不可取的，可再生能源的電力和大規模的儲能，特別是氫儲能應該有機結合，大幅度的扶持和發展的，未來氫電互換互補的能源結構，將是我們從今天到2050最主要的任務，碳中和的場景重要的在于把二氧化碳變成資源來循環利用，而不是填埋，氫電互換互補的體系它的經濟價值、政治價值、社會效益都是巨大的。
由于時間關系，我今天就給大家分享到這里，謝謝大家。
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