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化石能源做减法,谁将助我国实现碳中和?
来源:科普中国网  |  发布时间:2021-11-24  |  浏览量:3129

“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内,直接或间接产生的温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,抵消自身产生的二氧化碳排放,实现二氧化碳的“零排放”。我国为助力全球减排,主动提出2030年前碳达峰,2060年前实现碳中和。

为实现“双碳”承诺,我国化石能源做减法势在必行。因为化石燃料不仅是一种不可再生资源,还会在燃烧过程中产生大量二氧化碳和二氧化硫引起全球变暖,造成酸雨等环境问题。那么,在此背景下哪个清洁能源将挑起大梁,实现我国能源结构转型呢?

一、最具发展潜力的清洁能源

那么未来能源应该是什么样子呢?也许可以从人类目前对能源的需求畅想一下未来能源的特质。首先未来能源应该具有非常高的能量密度,这样才能满足社会发展对能源的大量需求。未来能源的制备、储运和使用也将是绿色、快捷和方便的。此外,未来能源生产和利用不应产生过多污染。

在众多新能源中,氢能被认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能是指氢和氧进行化学反应释放出的化学能,是一种清洁的二次能源。

首先,氢的分布十分广泛。宇宙物质中所含元素的75%是氢,恒星就是主要由氢组成的。在地球上,空气体积的5‰是氢气,泥土中约有1.5%的氢,覆盖地球面积71%的水的11%质量是氢,可以说是氢的“大仓库”。其次,1mol氢气(2g)燃烧释放285千焦热量,是汽油热值的3倍,而且氢的密度低,是一种高能量密度的能源载体。

最后,氢的燃烧产物是水,不会污染环境,而且可以用于继续分解制氢,实现氢的循环利用。氢能能量密度大、燃烧热值高、来源广、可储存、可再生、可电可燃、零污染、零碳排等优点都使其成为21世纪最具发展潜力的清洁能源。

二、我国为什么要发展氢能?

习近平总书记在第75届联合国大会上提出:“我国力争在2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。“双碳”承诺既有助于我国重塑能源体系,保障我国能源安全,又对我国环境保护和可持续发展具有重要意义。

我国的能源结构主要是煤炭、石油和天然气,其中石油和天然气又主要依赖进口。2020年我国一次能源结构中煤炭占比57%(左图中蓝色部分),但是碳排放却常年占据了较大份额(右图中红色部分)。这说明我国煤炭资源单位排放强度高于一次能源的平均水平。我国能源结构注定我国减碳工作极具难度。因此,将以化石能源为基础的能源结构转化为低碳可再生能源为主的能源结构,我国才有可能实现“双碳”目标,解决面临的能源安全问题、环境污染问题。在未来能源的选择上,氢能作为清洁的二次能源和解决可再生能源发电并网的桥梁,成为我国发展重点关注的对象。

三、我国制氢技术有哪些方式?

我国制氢主要包括传统制氢技术和新型制氢技术两类。传统制氢技术主要是化石燃料制氢,包括煤气化制氢、甲烷重整(蒸汽重整和自热重整)制氢、石脑油重整制氢、工业副产气制氢、传统电解水制氢。新型制氢技术主要包括:可再生能源制氢、热化学制氢、核能制氢和生物制氢等。当前我国氢源还是以灰氢为主,灰氢的制备存在着环境污染和二氧化碳排放问题,这与我国发展氢能的初衷相悖,应向蓝氢和绿氢方向发展。

四、发展氢能需要突破哪些技术壁垒?

氢能产业主要由两大体系组成:一是以能源利用为目的的制氢和储氢等氢能供应产业,二是以燃料电池技术为依托基础的分布式发电/热电联供技术和车载动力技术等氢能终端应用产业。当前氢能产业已形成”以灰氢为主要氢源,以高压氢为主要储运载体,以燃料电池汽车为主要应用场景的氢能产业链”。

首先,在氢能供应产业方面,灰氢依然存在着污染环境和二氧化碳排放问题,与发展氢能的初衷相悖;蓝氢和绿氢的制备技术依然是制约氢能供应的关键。高效水分解制氢的催化机理与方法是绿色制氢的基础,由可再生能源高效电解水和光解水制氢是绿色制氢的有效途径。其次,氢的安全高效储存是制约氢储运的关键技术。氢的加注以及安全储运严重制约了产业的发展。高压储氢效率低、占用空间大,关键部件依赖进口,是高密度储氢的核心问题。依托优势可再生资源形成我国特色的液态储氢、材料储氢等低压低成本储运加氢技术可能是未来发展方向。

最后,在氢能终端应用产业方面,燃料电池汽车是氢能应用的重要场景,而燃料电池功率密度低、成本高和寿命短等关键问题制约了燃料电池的应用。开发低成本、高效、寿命长的燃料电池催化剂和导电聚合物膜是降低燃料电池成本提高其寿命的关键技术。此外,还应扩大氢能在发电、建筑和工业上的应用,形成多应用场景氢能经济社会。

五、未来,氢能的重要性将体现在哪些方面?

氢能作为连接可再生能源与传统化石能源的关键二次能源,是未来能源结构调整的重要技术。未来的氢能产业将是“制、储、运、加、用”一体化的全产业链,不仅能推动我国能源结构转型,实现新能源的广泛应用,也是全国范围实现“双碳”目标的重要手段。只有围绕氢能产业发展的关键问题,组织和攻克一系列“卡脖子”技术问题,才能进一步推动氢经济产业化和氢能商业化。


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