中国科学院院士徐春明：《双碳背景下绿电氢技术》

12月8日，2021联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区西樵山文化中心隆重召开。中国科学院院士徐春明在会上发表讲话，以下为发言原文：

谢谢主席的介绍，也非常感谢组委会给我这个机会给大家做一个汇报交流。这个题目也是这么要求的，其实我本人做传统化工，但是近几年来随着学校学科的发展和新的需求，尤其是绿电绿氢方面有一些思考，今天这样一个题目供批评。

作为我们国家来讲，从去年开始密集部署了在“双碳”方面的坚定发展方向，包含了政治、经济、文化。碳达峰很容易理解，我们国家到2030年二氧化碳排放达到最高值，这个很明确，但是碳中和它是一个综合概念，它里面用的不是完全的一个二氧化碳，而是一个温室气体对于我们来讲，除了我们直接关注的二氧化碳之外，甲烷、氧化亚氮、含氟化合物，都是非常著名的温室气体。

别的且不说，甲烷跟我们能源行业密切相关，随着我们能源结构的调整，我们对甲烷的用量或者天然气的用量会大大增加，这个过程中甲烷不可避免可能有一些排放。未来碳中和，我们不仅要中和100多亿吨的二氧化碳，还必须去关注甲烷的排放和收集。如果大家关注的话，今年10月份我们国家已经加入了国际甲烷组织，主要关注未来甲烷在温室气体中的作用。

这些数据列举了我们经济发展、能源消耗强度、能源消耗结构以及二氧化碳排放和强度几方面的数字，这些数据很多，我只是想从这些数字的背后，看看能不能做一些分析和判断，这个分析和判断是对未来我们对国家能源结构性调整的变化、对二氧化碳的一些处置，以及我们如何通过氢和电可以互换来改变这些结构，来做一些基本分析。

我们把这个表分解一下，通过这些数字可以看出一些我们自己的理解，但不一定准确，因为我们不能脱离了国民经济发展，追求人民生活水平的日益美好来谈“双碳”，这就是为什么我们一方面在大谈“双碳”，但是从国家领导中已经特别提到，我们也不能搞“双碳运动”，那是因为我们第一个判断“双碳”的重要前提，还是经济发展。这两组数字告诉我们，在我们的经济社会发展过程中，尤其对于我们一个发展中国家，我们必然要保持高速的经济发展或者说GDP的增长率不能很快地降到一定的数值。当然，我们随着基数的增加会慢慢放缓，但是我们仍然要有5%左右的GDP增长。

大家知道，推动GDP增长的内动力或者说一个重要的动力就是能源，这是一个必然的关联关系。从这个意义讲，不管我们用什么能源，经济发展的前提就是要消耗能源，因此我们能源总量的消耗是不可逆转的。在未来5到10年，我们每年折算成标煤的话，每年还有1亿吨标煤的增量，也就是说在达峰之前甚至达峰以后能源消耗总量速度并不会放缓。

这里谈到一个很敏感的话题，就是我们的“双控”，这也许超出一个学术或者技术层面，它是综合的，其实“双控”对能源消耗总和、能源消耗强度的控制，从“双碳”来讲我们必须关注，但是这个前提一定是全国“一盘棋”，不能简单区域化、企业化，到处“一刀切”，切完了以后不行就给你拉闸限电或者一周给你几天、一周几小时，这种简单的做法跟我们很多大规模连续化运行的流程工业不相配，因为我们的流程工业就是要稳定。

第二个判断，氢能一定是未来，但是它还需要一定的沉淀、需要一定的积淀。这个积淀和诱导的过程中，我们最直接可以做的就是节能减排。现在任何一个大的能耗过程或者二氧化碳排放大户，都是流程工业为主，这个过程中，大家看这个能源消耗强度的下降幅度，在未来10年还要保持跟现在一样，百分之十几的下降速度。这个过程中，我们必然要利用各种可能的手段，无论是纯技术、纯装备，还是管理来实现节能减排，这是我们当前第一步最直接的选择或者最容易做到的。

我是搞化工的，我们也归纳了一下，对于任何一个从事有可能跟能耗和二氧化碳相关的企业，我觉得只要有可能，都要通过我们的核心装备、材料、介质，甚至是一些外场技术的协同，通过这些手段直接来实现节能减排，这是我们可能最现实或者最快捷的一种方式。

举一个例子，作为搞石油的，这是一个复杂的体系，但是随着“双碳”的到来，石油从产品能源要往化学材料转移，从资源利用来讲我们要“吃干榨尽”，所有这些过程，包括我们未来面临的氢气、二氧化碳、中小分子都会涉及到这种小分子气体，而这在我们化工过程里是最头疼、最难的分离需求。

这里有一篇美国人四五年前写的文章，改变世界未来的七大分离技术，其中有3项技术都是跟我们这个体系相关，直接节能减排可能仍然是我们的重要法宝。

第三个判断，刚刚很多专家提到，碳达峰、碳中和是能源结构的根本性调整。这件事情对我们国家来讲尤为困难。这个数字的基本规律和构架趋势不会有大的问题。在未来能耗每年还会增加的前提下，我们的能源结构是在拼命调整。比方说煤，现在占比刚刚不到60%，在未来5到10年仍然还会占到一半左右。这只是能源结构的比例。从绝对值看，近5年28亿吨左右几乎没有变，只是到2030年之前可能会有小幅下降。

石油这么多年比例基本没有变，就是17%、18%，但是它的绝对值依然还有上升空间，2030年至少达到11吨左右。还有天然气，天然气在三个化石能源中应该是增长最快的，因为天然气是一个碳4个氢，比院士讲的氮氢3的氢含量还高，也是一个负氢的介质，尽管还有碳，但毕竟碳的含量比较低，所以它还会呈一定的上升，无论是相对值，还是绝对价。从这个角度来讲，2030年三大化石能源仍然会占到75%，我们仰仗的无论是非化石能源，像还有光伏、风电等清洁能源在结构里面是有快速增长，但是大概也只是占到25%。

能源结构的调整，意味着我们可能未来10年，甚至更长时间都还要仰仗煤、油、气。在这一背景 下，我们怎么考虑氢能以及很多产品与技术的布局？这个前提和背景我们需要有充分的考虑。换句话说，氢能现在处在一个发展的积累期，这个积累期可能还会持续一段时间。

第四个，二氧化碳的绝对排放值，大概到2030年在105亿吨左右。这么多的二氧化碳，我们在未来40年之内要找到解决方案。因为如果把110吨二氧化碳分解来看，，电力还是最高，占到40%以上，加上工业差不多78%左右，因为交通和建筑各占10%，这是大家比较公认的数据。这么大量跟工业、电力相关的二氧化碳，我们怎么来处置？如果再分解一下，工业的37吨，钢铁、化工等等我不展开讲了。

针对这么大量的二氧化碳，我们一定要做到出路。也有专家可能对它有不同的异议，但是我们在2030年以后要找到大规模利用二氧化碳的方式。这里有两大类方案，一个是物理方法，我们可以去油，可以埋在岩水层，当然，不管有多大争议，这肯定是一个最直接的手段。同时，各种化学利用二氧化碳加氢都可以大显身手，但是因为那个量对消除这几十亿吨二氧化碳来讲，那是杯水车薪。当然，再小也是贡献，各种化学利用二氧化碳的产品和过程都会得到足够的重视。

这里还有一个二氧化碳的排放强度，我刚才反复强调，我们的能耗经济只要发展，就需要能量，但是我们的能量结构可以调整。这个过程中靠什么调整？就是要靠未来绿电和由绿电和绿氢构成的二次能源的重要的互联网，来为减排二氧化碳做出贡献。同样消耗能量，我用的是绿电和绿氢，而不是传统的化石能源。

今天主题是氢，我主要讲一下以氢为主的一些理解。氢气作为能源有很多的好处，我想在这里声明一下，氢气作为能源，是一个非常古老的东西，不是一个新东西。我们石油化工在七八十年前大力发展催化加氢过程，就是把氢气加到汽油、柴油、煤油里面去，达到一定的氢碳比和氢含量，来满足汽油发动机、柴油发动机、航空发动机的要求，它不是一种制氢、加氢和用氢吗？

这个过程包含了制氢、储氢、化学储氢、用氢全有，只是用的不是燃料电池，用的是汽油发动机、柴油发动机，到现在依然这样。从这个来讲，氢气作为一种能源加到化学品、加到油品，已经七八十年，如果追溯到德国煤加氢都快100年了。但是今天我想说的，跟燃料电池相关的氢产业链可能是我们更应该关注的。

这个图是我在香港上市的一个公司，跟日本株式会社旗下一个专门做燃料电池电池的机构合作，“吐血”画了这一张图，以燃料电池为核心，对氢能产业链做了一个归纳。左上角各种制氢、储氢、运氢，到最直接的加氢站，最后核心的是以燃料电池系统为主的产业链到各种应用场景。

这里特别标注了一些，在我们国家有很好的积累，但是很多还只处在一些示范，甚至是刚刚研发的阶段。标注红色的目前几乎依靠进口，稍微淡一点的是小规模生产，但是性能差距还比较大。黄一点的可以小规模生产并应用。蓝色的和绿色的意味着我们已经跟国际上没有什么差距。

基于这样一个说明，我把这个图稍微分解一下。左上角刚才很多院士提到，我不展开讲了。大家非常熟悉的四大制氢技术，无论是传统的化石能源制氢，还是附产氢、电解水制氢、生物制氢，都是比较淡的颜色，也就是说我们都有相应的技术，马上可用，只不过电解水制氢可能需要尝试大规模连续化运行，毕竟现在我们很多示范过程跟我们工业上两三千万吨用氢规模相比，还有很大的差距。

储氢和运氢刚才院士也讲过，我不重复了，最后直接到加氢站，不同的规模加氢站的投资可能有一些差别。跟加氢站相关的很多设备并不完全可靠，氢气压缩和加注设备、高压储氢设备、制氢设备等等方面我们有一些材料和关键装备还依靠进口，从这个角度来说，不是简单制氢和加氢站方面都完全自主，这方面我们还有弱项，还有进一步提高的地方。

再一个是燃料电池系统。这里边还有一系列的辅助系统，包括供氢子系统、氢气循环泵、空压机、控制系统等等，其中有部分技术我们没有掌握。没有全链条的掌握，导致我们在氢气循环泵、控制系统、标准化系统方面和别人有一些差距。

燃料电池堆差距就更大一些。很高兴今天听到我们在燃料电池堆，核心膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂都有很大的进展。虽然我们在这些方面不需要依靠进口，但这些核心的材料、装备还需要继续攻关，因为我们还有差距。

燃料电池不仅可以应用在常规的交通领域，还可以用在工程应用，包括特种工程车辆、无人机，还有分布式发电和热电联供系统等等。总体来讲，以燃料电池为主的氢能产业链还任重道远。

氢能需要一定时间的发展。客观来说，在短期内我们还不能完全寄托在全绿氢上，即使美国也没有纯绿氢。2025年是仰仗中东和沙特，中东天然气比较便宜，以天然气制氢为主+CCS，可以把每公斤氢降到1.2美元，同时借助已有的油气田、气田大规模封存二氧化碳。

我国的煤制氢依然会持续一段时间，毕竟我们的能源结构所带来对煤的惯性依赖还很大，煤制氢+CCS是我们短时间内解决快速增长的用氢需求的途径。从长远来看，我们可能还是会选择电解水制氢。

不管怎么说，2060年我们要实现碳中和，没有氢是不行的。我的估计比较保守，到2050年我们氢能可以占到10%以上，产业链产值会超过10万亿，其中包括加氢站、燃料电池、固定式电源/电站。

我们很关注绿电和绿氢怎么快速重构以化石燃料为主的能源结构，接下来我简单汇报一下几个进展。

第一个是冶金。这么多年来，我们炼钢还是用比较传统的长流程。但现在的趋势是以电弧炉和轻机关联体为主的短流程，这个工艺在欧盟和美国已经超过了50%以上，所以我们又落后了一大步。如果把长流程变成短流程，我们可以减排二氧化碳70%以上。利用炼钢等化工过程的一些附产气体，通过化学化工的催化变换，把里面的二氧化碳、甲烷转化成一氧化碳和氢，利用一氧化碳和氢替代传统炼钢用的胶。预处理、催化反应，变成还原气等基本都是化工过程，把传统的炼钢变成准化工过程，这样可以大大地减排二氧化碳。

利用这个技术，我们已经在陕西组建起来一个30万吨的清洁还原铁，并且已经投产，现在正在试运行。这里最核心的一步，就是把很多各种附产气通过化工转换变成还原气替代胶，其中的核心反应就是，把一氧化碳和氢里面的氮和氢用掉，来供炼钢。

第二个是传统石油化工。石油化工也有一些过程，比如很重要的过程是蒸汽电解生产3C，这是我们现在放量最快的。传统的过程都是靠加热炉，靠烧天然气、烧油，然后每吨产品大概需要烧半吨多的化石燃料，最后都变成二氧化碳。如果在电价合理的前提下，用绿电来替代这些化石燃料，就可以大大减排。这是有可能的，但是需要一个大的突破，就是把传统的加热炉变成新的电磁供热。电磁供热是一种快速传感方式，需要一些关键的设备和催化剂实现，对传统的过程进行重构。我们得出的初步结果显示，耗电量大概1000—1500度，还是比较喜人的。现在我们在做一个1万吨示范装置，如果可行，这将是一个新的路线。

最后一点就是煤化工。合成氨是一个重要的传统化工过程。传统合成氨都是用煤、石油气，最后变成一氧化碳和氢，利用里面的氢最后去做氨。我们现在提出来用电、水和烟气来冲破这个过程。光伏发电、电解水制氢，烟气通过变压气负分离，分离为氮气和二氧化碳，氢气加氮变成合成氨，氨加二氧化碳变成尿素。刚才提到，氨也可以作为一个高含氢的能源，当然这个可能需要考虑氮加氢反应是一个高能耗过程，因为氮和氢的结合很难。反过来氮和氢燃烧的时候再把它放出来也很难，因为这个过程需要算一个能量平衡的总账。我们在宁夏宁东基地建一个1万吨的电氢氨示范装置，想把这个工艺流程打通，关键就是电解水制氢加上电氨，最后来做绿色尿素，这样不但过程没有二氧化碳排放，我们还消耗二氧化碳，生产尿素变成了一个绿色的二氧化碳转化利用的一个过程。

我给在座的各位同行汇报这么多，请批评指正。

（本文根据UNDP氢能产业大会整理，未经演讲人审核）