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美国氢能战略对我们有何启示?

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本文来自微信民众号:中国科学院院刊(ID:CASbulletin),作者:魏凤1,3,5*、任小波2、高林4、高国庆1,3、周超峰1,3,5,本文刊载于《中国科学院院刊》2021年第9期,原文问题:《为了杀青碳中和目的,美国氢能战略若何转型?》,头图来自:视觉中国


氢能是一种清洁高效的二次能源;生长氢能手艺对于构建清洁低碳、平安高效现代能源系统,保障国家能源平安《an》,改善大气环境质量,以及推进能源产业升级等具有主要意义。作为能源,氢具有 2 个显著的优势:


1. 高能量密度——氢的单元质量的热值约是煤炭的 4 倍、汽油的 3.1 倍、自然气的 2.6 倍;


2. 能被储存且可实现天真的时间转移或地域转移,泉源多样,终端零排,应用领域普遍等。


随着全球天气压力增大及能源转型加速,氢能在实现各国碳中和目的上将施展重大努力作用。中国与美国、日本、韩国、欧盟等全球主要蓬勃国家和区域都高度重视氢能的生长,许多国家与区域都将氢能上升到能源战略高度。美国能源部为了响应拜登总统提出的应对天气转变目的,启动实行能源攻关设计,把氢能作为推动全球能源转型和应对天气转变的一种可行性手艺来鼎力生长。据国际【ji】氢能委员会预计,到 2050 年全球局限内氢能占所有能源消费的比重将提高到 18%,氢经济的市场规模将到达 2.5 万亿美元。


美国是全球较早提出氢能生长计划的国家。美国政府自 1990 年制订推动氢能源产业生长的各项政策至今逾 30 年,始终保持着从政策评估、商业化远景展望,到方案制订、手艺研发,再到树模推广的生长思绪『xu』。随着全球天气转变的压力增大,美国的氢能战略在碳中和目的下发生了新的转变。本文将对美国氢能生长战略的目的‘de’、内在、特点及新时期美国氢能战略转变情形做详细剖析,以期为我国氢能政策的制订提供参考支持。


一、美国氢能生长战略的历程剖析


美国是全球较早提出氢能研究和应用的国家,美国政府自 1990 年至今颁布了多项推动氢能生长的政策和行动设计。归纳综合起来,美国政府氢能政策的生长分为 4 个阶段(表 1)


表 1 美国氢能战略的 4 个阶段(1990—2030 年)


通过表 1 可见,美国政府确定氢能为能源供应的偏向之一和开展氢能手艺研发树模的时间长达 31 年,已经形成“制氢—运氢—储氢—用氢”的全手艺链能力,为规模化生长氢能奠基了可靠的科学基础;同时也注释,经由多年探索,美国对氢能未来的应用偏向具有较为成熟的熟悉。


2019 年 11 月,美国燃料电池和氢能源协会(FCHEA)在其公布的《美国氢能经济蹊径图执行提要讲述》中指出:在已往 10 年中,美国能源部对氢能和燃料电池每年资助约 1 亿—2.8 亿美元的研发经费,尤其是 2017 年以来每年约投入 1.5 亿美元研发经费;美国能源部设计 2020—2022 年,实现氢能在小型乘用车、叉车、漫衍式电源、家用热电联产、碳捕捉等领域的应用;到 2030 年,预计美国氢能经济每年可发生约 1400 亿美元的收入,并在整个氢价值链中提供 70 万个事情岗位;到 2050 年,预计美国每年将缔造约 7 500 亿美元的(de)收入和累计 340 万个就业时机来推动经济增进;同时,到 2050 年,氢能将占有美国能源需求 14% 的比例。这反映出推动氢能手艺全链条产业化生长、确立新的经济增进点及反哺社会将是美国政府未来推动氢能生长的重点事情。


二、新时期美国氢能战略生长的主要特征


随着全球天气转变极端事宜频发,在美国氢能手艺研发系统日趋完善和成效日益彰显的条件下,美国政府将重点思量氢能在实现本土碳中和目的中应施展的作用。2021 年 2 月,美国政府宣布重返《巴黎协定》谈判,这促使美国在天气目的下重新定位氢能在能源结构和全球市场中的位置并做出新的部署。2020 年 11 月 12 日,美国能源部在 2002 年计划基础上,公布最新版《ban》《氢能设计生长计划》,提出未来 10 年及更长时期氢能研究、开发和树模的总体战略框架,并设定了到 2030 年美国氢能生长的「de」手艺和经济指标,其主要内容包罗以下 3 方面。


1. 设定氢能全链条中重点生长手艺的手艺和经济指标,期望通过手艺创新,提能手艺稳固性和效率,降低成本,加速一批氢能手艺或产物的商业化应用(表 2)。从表 2 给出的明确手艺指标和经济指标来看,美国有望在氢能全链条环节的一些手艺领域率先实现商业化生长。


表 2 美国《氢能设计生长计划「hua」》提出未来 10 年(2020—2030 年)要到达的要害手艺经济指标

2. 美国加大对氢能其他手艺的设计和攻关,期望进一步为美国氢能经济提供更多的多元化选择(表3)。通过研究可再生能源、化石能源和核能制氢手艺,开发多种氢源;通过开发氢能分配先进手艺、储氢介质及储氢设施,知足种种规模的氢储运的需求;通过进一步开发高性能燃料电池和合成燃料产物等,拓展氢能应用领(ling)域。


表 3 美国提出《chu》的氢能其他手艺


3. 开展氢能尺度的研究和制订。为了配合氢能手艺、装备、质料、制造工艺的产业化,美国设计开展尺度化制造流程、质量控制和优化制造设计等研究,期望制订适用、统一的尺度,保障氢能生产、输配、储存和应用等平「ping」安性、规模化、统一化和质量流程,以提供最佳实践履历和做法。


为了落实上述《氢能设计生长计划》,美国能源部于 2021 年 6 月 7 日启动首个名为“氢能攻关”(Hydrogen Shot)的设计并征集相关项目,目的是在未来 10 年(2020—2030 年)使可再生能源、核能和热能转化制造清洁氢能的价钱降低 80% 至 1 美元/千克(现在可再生能源制氢价钱为 5 美元/千克),增添 5 倍清洁氢能生产的产量,进一步加大削减碳的排放。


该设计的项目征集信息主要为:


1. 从氢的生产、氢的泉源和氢的应用基础设施方面,征求能够开展氢能树模项目的理想区域。此类区域应具备可用于清洁氢生产和基础设施建设的需要资源,包罗但不限于水、可再生能源、核能、自然气,或从其他废物(如垃圾填埋场、火炬气、废水处置)中获得的能源资源。


2. 剖析氢能树模项目理想区域的现有和潜在用户及案例,如在工业、交通、化学品制造、保障电网平安和其他领域的需求案例。


3. 研究氢能价值链下的温室气体和其他污染物减排潜力。


4. 剖析实行氢能树模项目可能需要的基础科学、基础或应用研究,以及创新的需求、需要的系统集成或原型设计设施。“氢能攻关”设计使美国最先了从化石能源制氢(灰氢、蓝氢)为主,向以可再生能源制氢(绿氢「qing」)为主的转变。


三、碳中和目的下美国氢能新政的启示


凭证美国总统拜登提出的应对天气转变目的,美国加速推动氢能手艺的研究和商业化措施,从中详细可得出 5 个方面启示。


1. 使氢能成为比肩电力的主要能源形式。


遵照美国最新氢能战略目的,到 2030 年,氢能产业缔造营收将为 1 400 亿美元和 70 万就业岗位;到 2050 年可孝顺全美工业行业 16% 的二氧化碳减排量,氢能在全美能源需求中的占比将到达 14%,从而成为比肩电力的主要终端能源形式。


2. 美国开展氢能手艺研发及产业化具有多目的性,同时加倍重视清洁制氢手艺的研发和产业化。


美国经由 30 年的氢{qing}能手艺全手艺链研发,已经从最初(20 世纪 90 年月)将氢能作为能源贮备手艺、调整和优化美国能源结构、重点生长氢能燃料电池产业等目的,转型到确立和生长氢经济、应对碳中和目的、提振经济、加速“制氢—运氢—储氢—用氢”全链条手艺商业化、争取全球氢手艺主导职位(2020 年迄今)等多目的。同时,美国加倍注重电解水制氢、可再生能制氢、核能制氢等绿色清洁制氢手艺的研发。上述行动不仅促使美国周全转型确立清洁能源结构系统,还可使其在全球氢能全链条手艺和经济生长系统中占有主导职位。


3. 重视“制氢—运氢—储氢—用氢”全链条手艺的研发和规模化树模,研究氢能要害焦点手艺,买通美国氢能产业手艺链、产业链、供应链等要害环节,为美国氢能手艺和产业自主自强奠基坚实的科技基础。


(1)在制氢方面,设计并开发了电解槽制氢“qing”手艺、化石能源重整、气化和热解制氢手艺、核能制氢手艺、生物质和废弃物制氢手艺、夹杂制氢手艺、可再生能源制氢手艺等。例如,2020 年美国能源部已经启动兆瓦级和吉瓦级电解槽装备的研制。


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(2)在运氢方面,开发了氢气分配和运送系统,包罗液化和化学储氢手艺等,建设运氢基础设施。


(3)在储氢方面,开发储氢系统、储氢设施、储氢介质等,包罗研究和提供应急供应和地质储氢方案。


(4)在用氢方面,在氢作为质料举行转化的手艺中,开发氢燃料电池手艺、高浓度氢涡轮机系统等。


4. 把经济指标和手艺指标连系起来作为手艺创新的评估指标,其本质上是提速本土氢能商业化应用,获取美国在全球氢能手艺和市场的先发优势。


从美国 1990 年氢能政策制订伊始,美国政府通过充实调研和论证,确定了那时氢能手艺全链条研发偏向,研究氢能在工业、住宅、运输等方面的手艺可行性,并把应用重心放在氢能燃料电池在交通运输领域应用上。然则,随着全球天气的压力增大,尤其是 2021 年头新一届美国政府确立,美国应对天气目的、推动氢能应用和确立氢能经济系统的措施显著加大加速,这反映出美国对推动氢能生长的迫切性。


5. 重视氢能相关新质料手艺的研发,期望以此推动要害氢能装备手艺的转变性升级。


美国在制订氢能生长计划和部署研究项目时充实承袭了“质料是促进一切科技转变的基石”这一理念,自 2014 年最先,美国能源部就最先在制氢手艺环节部署了多个新质料研制项目,主要包罗燃料电池离子交流膜的研制、电解槽新型涂层质料研制、种种催化剂质料的开发等,期望提升制氢手艺的稳固性和耐久性。2020 年美国能源部还在碳纤维等高强度储运氢新质料的研究上投入高达 3 200 万美元的开发经费。


四、我国氢能生长现状


1. 手艺层面


我国在氢能的基础研究方面有延续投入,但起步较晚,积累较少。近 20 年来,在科学手艺部和中国科学院等部门相关项目的资助下,我国在氢能领域取得了一些领先天下的主要功效。


稀奇突出的是,由中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队研发的人工光合成太阳燃料手艺,提出了行使太阳能等可再生能源生产“绿色”氢能,并将二氧化碳加氢转化为甲醇等液体燃料的“液态阳光”合成手艺蹊径。2020 年 1 月,该手艺的树模项目投料试车乐成,标志着这一领先天下的研发手艺在我国碳中和历程中可能起到主要的作用。


在太阳能微藻制氢领域,由中国科学院植物研究所黄芳研究员团队研发了面向“绿色藻氢”生产的太阳能光生物转化制氢创新手艺。该手艺行使自主研发的、产氢量居微藻光合产氢领域之首的微藻质料,确立了实验室规模的、以微藻光相助用为基础的“绿色藻氢”种质创制—氢气生产—氢气网络储存—氢燃料电池应用的完整手艺系统,为进一步面向国家碳中和目的的相关研发奠基了主要基础。


2. 政策层面


2019 年国家生长和改造委员会公布的《产业结构调整指导目录》,激励生长高效制氢/运氢及高密度储氢手艺开发应用及装备制造、加氢站、新能源汽车要害零部件。2021 年,科学手艺部公布“氢能手艺重点专项”,以支持氢能绿色制取与规模转存系统、氢能平安存储与快速输配系统、氢能便捷改质与高效动力‘li’系统手艺研发。


2019 年,广东、山西等 10 个省份将生长氢能写入政府事情讲述,北京、上海、苏州、佛山、嘉兴等跨越 yue[ 17 个省份的 22 个都会出台了内陆氢能产业生长计划或行动设计,从产值计划、加氢站建设、推广树模车辆数目、企业扶持等方面举行了相对详细的计划,通过人才、资金、树模运营等多行动加速氢能及燃料电池产业结构。


3. 战略层面


我国氢能手艺研发和应用上存在缺乏统一计划、要害焦点手艺尚未突破、总成本过高、手艺专利壁垒严重等问题,亟待通过打破相关手艺壁垒来改善产物质量和手艺先进性问题,以提升我国氢能及相关应用链在国际上的战略优势。与美国蓝氢、绿氢等氢能手艺蹊径相比,我国亟待研判蓝氢与绿氢手艺蹊径之间的关系,以及氢与电配相助为终端消费能源的互补性问题。


4. 手艺难题


与美国蓝氢、绿氢等氢能手艺蹊径相比,我国蓝氢与绿氢的成本及未来下降潜力差异很大。


例如,我国规模意义下的“光伏+电解”手艺制氢的全链能量转化效率仅为 15% 左右,对应成本为 12—18 美元/千克,是自然气重整制氢成本近 10 倍。除氢气生产需要提高效率、降低成本以外,氢气的储运也存在一些手艺难题,氢气储存方式可以分为物理储氢(包罗高压气态储氢、低温液氢手艺、吸附储氢等)和化学储氢(行使储氢介质与氢气反映天生稳固化合物,再‘zai’通过改变条件实现放氢的手艺,主要包罗有机液体储氢、液氨储氢、配位氢化物储氢、无机物储氢和甲醇储氢等)


海内的物理储氢手艺生长相‘xiang’对落伍,以高压气态储氢为例,储罐要害质料仍依赖入口,储氢量低。相对于物理储氢,化学储氢具有能量密度高和相对平安的特点,未来有望替换物理储氢成为主流手艺。但现在大部门化学储氢手艺还处于研发阶段,成真相对较高。


五、关于我国氢能生长的思索与建议


综上所述,与美国氢能战略相比,我国氢能生长存在研发创新不足、功效分享和资源整合不够、缺乏人才及交流相助、尺度和知识产权珍爱缺乏等问题,建议从国际、海内需求和供应方面系统研究我国氢能生长计划,多角度、全方位提升我国氢能手艺和产业的国际竞争力,制止氢能成为下一个“卡脖子”手艺。详细提出 3 个方面建议。


1. 增强顶【ding】层设计,集中国家优势气力,开展氢能要害手艺、新手艺蹊径及其应用的创新攻关,从焦点手艺上突破市场封锁。


氢能已被视为未来主要能源,氢气的制取是生长氢能产业的基础。若何高效、清洁制氢对氢能的生长具有主要意义。因此,研究并获取高效、低成本、大规模的制氢方式是氢能产业生长的条件与基础。从国际履向来看,建议加大对绿氢尤其是可再生能源制氢手艺及相关制氢、储氢、运氢质料『liao』的研发研制。增强对氢能贮备与氢能应用手艺、氢能应用成套装备的研究,从手艺链、产业链和供应链等角度开展氢能应用手艺的研究,尤其是要害手艺、焦点手艺上的攻关,开发具有自主产权的焦点手艺和要“yao”害手艺。


2. 开展氢能手艺链、产业链、供应链专利壁垒‘lei’与竞争系统研究,提出知识产权珍爱计谋,提升国际竞争力。


解决氢能市场生长的手艺专利壁垒和知识产权问题,需要亲热跟踪海内外氢能手艺专利的生长动态,详细开展海内外氢能手艺专利的调研剖析;确立有用促进氢能产业生长的氢能手艺专利生长路径,为氢能手艺专利壁垒研究和相关政策计划的出台提供参考建议,真正提升我国和相关区域氢能产业国际竞争力。由于氢能产业手艺庞大多样,产业交织融合,以及专利珍爱事情缺少目的指引,需要从全球视角,周全调研氢能产业手艺链及生长情形,挖掘氢能领域的要害手艺漫衍、重点手艺研发趋势、最新手艺生长动向,识别潜在应用手艺和专利空缺手艺。


3. 重视国际相助,确立和国际组织、其他国家全链条多边相助关系,努力介入国际规则、国际尺度的制订事情,为我国氢能手艺进入国际市场做好前期准备。


以“一带一起”倡议为抓手,与周边友好国家、“一带一起”友好国家开展氢能全手艺链的产、学、研、用等相助,不仅可以确立氢能同盟关系,还可以摸清并开发氢能国{guo}际市场。同时,在国际尺度化组织、国际电{dian}工组织等相关国际机构内申请确立氢能尺度事情下属部门或事情组,开展国际相关规则、尺度的制订,争取国际话 hua[语权,为氢能相关手艺和产物进入国际市场扫清障碍。


文章源自:

魏凤,任小波,高林,高国庆,周超峰.碳中和目的下美国氢能战略转型及特征剖析[J].中国科学院院刊,2021,(9):1049-1057.

作者单元:

1. 中国科学院武华文献情报中央

2. 中国科学院  重大科技义务局

3. 科技大数据湖北省重点实验室

4. 中国科学院工程热物理研究所

5. 中国科学院大学  图书情报与档案治理系


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