鄭南峰中國科學院院士、廈門大學教授、嘉庚創(chuàng)新實驗室主任、新基石研究員，國家杰出青年科學基金獲得者(2009年)，教育部“長江學者”特聘教授(2010年)，國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家，福建省科學技術協會副主席。主要從事表界面化學研究，已在Science、Nature、Nature Nanotech.等期刊上發(fā)表論文300余篇，被引用36000余次，h-指數102。獲國家自然科學獎二等獎(第一完成人)、首屆科學探索獎、國家教學成果二等獎(第一完成人)、日本東京大學Zasshi-kai講席獎等獎項。現任ACS Central Science資深編輯，先后擔任Chem.Rev.Acc.Chem.Res.Chem Joule、中國科學化學等20余種期刊編委。

氫能具備化工原料和能源的雙重屬性，作為能源應用，氫能既可以保障能源供給，亦可以削峰填谷。得益于其能量密度高、清潔、可實現季節(jié)性儲能等獨特優(yōu)勢，疊加氫能制儲運及應用的技術進步與相關成本下降，氫能正成為推動能源低碳轉型、建設能源強國的重要戰(zhàn)略組成。

“過去因為氫氣的安全性問題，大家往往談‘氫’色變，但實際上大可不必，氫氣爆炸極限是4.0%~75.6%，以燃料電池車和燃油汽車著火為例，氫氣由于密度較小、氣壓較大，會快速向上方擴散，燃燒穩(wěn)定，氫燃料電池車在發(fā)生氫泄露后并不會發(fā)生爆炸；而燃油汽車在發(fā)生泄露并被點燃后，火焰將迅速蔓延全車。”在9月21日召開的2024年海峽兩岸能源電力融合發(fā)展論壇上，中國科學院院士鄭南峰分析道。在論壇上，鄭南峰院士發(fā)表了題為《氫能發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)》的主旨報告，他在報告中指出，發(fā)展可再生能源是保障我國能源安全的重要戰(zhàn)略，然而隨著可再生能源的大規(guī)模高速發(fā)展，電力系統也面臨著新能源并網消納、資源負荷分布不均等挑戰(zhàn)，迫切需要大規(guī)模、跨季節(jié)長周期的儲能策略。氫能作為一種能源載體，對于解決新能源的間歇性和不穩(wěn)定性問題至關重要，利用可再生能源直接電解水制氫，通過“荷隨源動”技術將電解水設備運行功率與新能源出力波動緊密耦合，不僅能夠提高可再生能源的有效利用率，支撐電力系統的調節(jié)能力和靈活性，還能顯著降低綠氫的生產成本，實現綠氫制備全生命周期的“零碳”足跡。

作為能源應用

是氫能未來的拓展方向

鄭南峰院士認為，氫能和氨基能源作為新型能源載體，正在成為連接新型電力系統與現代能源體系的關鍵橋梁，“綠電-綠氫-綠氨”路徑對于推動氫能與電力耦合、氫能與化工耦合以及實現“雙碳”目標具有至關重要的意義。

“當今全球能源領域面臨發(fā)展瓶頸和眾多難題，我國傳統能源高度依賴進口，存在‘卡脖子’風險，因而我國正在積極構建產業(yè)低碳轉型和能源新賽道，我國在建立改變能源利用方式的顛覆性技術和新賽道方面絕不能落后。”鄭南峰院士分析說，“中國新能源產業(yè)的發(fā)展對電網影響深遠，隨著新能源產業(yè)快速發(fā)展，電網調節(jié)壓力增大，更大規(guī)模可再生能源的利用急需新能源消納、儲能技術的支撐，現有儲能技術難以實現高容量、長時儲能的限制為氫能發(fā)展創(chuàng)造了難得的機遇。”

據鄭南峰院士介紹，氫的能量密度很高，達到140.4兆焦耳/千克，約為鋰電池能量密度（0.72兆焦耳/千克）的200倍，接近標準煤能量密度（20.8兆焦耳/千克）的7倍，是汽油（43.1兆焦耳/千克）和天然氣（41.9兆焦耳/千克）能量密度的3倍還多。此外，氫能可實現電能跨季節(jié)、長周期、大規(guī)模存儲。以鋰離子電池為代表的電化學儲能在短周期、分布式、小規(guī)模可再生能源儲能方面具有顯著優(yōu)勢，而氫能則是目前集中式、大規(guī)模、長周期儲存的最佳途徑。“我國新能源發(fā)電與社會用電量季節(jié)性供需不匹配，氫儲能可在電網負荷低時儲存能量，在高峰時釋放，有助于平衡電網供需，提高電網的調節(jié)能力。時間上，氫能可以滿足數天、數月乃至更長時間的儲能，空間上可以滿足跨區(qū)域、長距離的轉移，應用范圍上可轉換為電能、熱能、化學能等。”鄭南峰院士進一步解釋道。

鄭南峰院士指出，氫的應用場景涉及化工、交通、工業(yè)、建筑與供熱、電力領域，但目前氫主要還是作為化工原料使用，作為能源應用是其未來的拓展方向。氫作為化工原料，其三大主要產品是綠氨、綠甲醇、綠色航煤（SAF）；交通將成為氫能消費的重要突破口，在交通領域，氫能與油、鋰電池形成競爭關系，氫氣具有綠色、續(xù)航長、加注時間短的優(yōu)勢，基于氫能的燃料電池車有望與純電動汽車形成互補發(fā)展，但業(yè)界普遍認為只有當制備1千克氫氣的價格降至35元以下，其經濟性才具備市場競爭力；我國工業(yè)高溫領域產生的二氧化碳排放占總排放的7%，在冶金工業(yè)領域，以氫替代碳用作煉鋼還原劑可實現“零碳排放”，但反應也從放熱變?yōu)槲鼰幔枰~外的能量補給；我國建筑和供暖領域產生的二氧化碳排放占比為12%，未來可以在現有的天然氣管網摻入20%的氫，以有效降低碳排放，但需額外尋找有效防治管網氫脆現象的手段。

先立后破

穩(wěn)步改變我國氫能供給結構

鄭南峰院士在報告中指出，灰氫是指化石能源制氫，涵蓋煤、焦炭氣化制氫，石油重整制氫、天然氣重整制氫，制備1噸灰氫將產生9~20噸二氧化碳排放。藍氫是指“灰氫+CCUS技術”，即將制氫過程中產生的二氧化碳捕獲封存至地下，又或者是工業(yè)副產氫，其制備沒有造成額外的碳排放。綠氫是指可再生能源制氫，囊括綠電電解水、生物質氣化、光/熱化學分解水，綠氫制備無二氧化碳排放。此外，還存在一種名為白氫的未來可探索資源，即存在于自然界中的天然氫，白氫的發(fā)現位列《Science》2023年度十大科學突破。

2021年，我國年制氫產量約3300萬噸，是世界最大的制氫國，且主要為灰氫。盡管氫能的發(fā)展空間巨大，但是成本高仍是行業(yè)痛點，如果制氫成本降不下來，氫能應用很難實現大規(guī)模產業(yè)化。鄭南峰院士強調，當前我國氫能產業(yè)發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)并存，主要的挑戰(zhàn)是成本和安全問題，成本問題涉及如何實現氫能的綠色廉價獲取、高效儲運、低成本規(guī)模應用，此外，氫能基礎設施的建設運營也有待加強。未來，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)有望推動綠氫的平價化，綠氫生產的價格會大幅度下降。

政策方面，國家發(fā)改委、國家能源局在2022年聯合印發(fā)了《氫能產業(yè)中長期規(guī)劃（2021~2035年）》，明確提出“構建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫。”“到2025年，初步建立以工業(yè)副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系。”“在焦化、氯堿、丙烷脫氫等行業(yè)集聚地區(qū)，優(yōu)先利用工業(yè)副產氫，鼓勵就近消納，降低工業(yè)副產氫供給成本”。地方政府也相繼出臺有利于氫能發(fā)展的政策，山東、四川、吉林、陜西等地相繼對氫能車輛免高速通行費。以干線物流為例，按每千米成本2.5元來估算，每天跑600千米，每年跑300天，高速通行費用每年可節(jié)省約45萬元。

鄭南峰院士在報告中強調，工業(yè)副產氫產量大、分布廣、價格低，短期發(fā)展優(yōu)勢顯著。目前，已有30多個省市區(qū)發(fā)布涉及氫能的規(guī)劃和政策，其中不少地區(qū)如山東、山西、內蒙古等省區(qū)都提出要發(fā)揮本地的“工業(yè)副產氫資源優(yōu)勢”。

“要用便宜的氫源打通產業(yè)鏈，布局加氫站、加氫管道、氫能車等，工業(yè)副產氫是中國氫能產業(yè)發(fā)展的過渡方案。”鄭南峰院士表示，“先吃飽，再吃好，優(yōu)先使用灰氫，逐步過渡到綠氫，這與構建新型電力系統相似，我們要以‘先立后破’的方式穩(wěn)步改變我國氫能供給結構。”為解決氫能制儲運環(huán)節(jié)存在的技術難題和產業(yè)化挑戰(zhàn)，今年8月，中央企業(yè)綠色氫能制儲運創(chuàng)新聯合體在京正式啟動。創(chuàng)新聯合體將致力于構建以央企為主導的產學研融合、大中小企業(yè)融通的良好生態(tài)，持續(xù)完善運行機制，凝聚優(yōu)勢科研力量，加強技術攻關，實現從基礎研究到產業(yè)化的全鏈條創(chuàng)新，共同推動我國綠色氫能產業(yè)蓬勃發(fā)展。

以科技創(chuàng)新為引領，加快推進

“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應用

據國際能源署（IEA）預測的全球氫氣需求及電解槽裝機規(guī)模，2030年氫氣需求1.5億噸，其中電解制氫5000萬噸，電解槽總裝機可達590吉瓦；2050年氫氣需求4.3億噸，其中電解制氫3.3億噸，電解槽總裝機可達3.3太瓦。

當前，電解水制氫主要的技術路線包括：堿性電解水ALK、質子交換膜電解水PEM、陰離子交換膜電解水AEM、固體氧化物電解水SOEC。據鄭南峰院士介紹，在傳統電解水裝備應用場景，產氫經濟性并非首要考慮因素，傳統電解槽具有要求穩(wěn)定電源的能量交互特征，定功率運行，不考慮系統響應時間。而技術最成熟、廣泛應用的堿性電解槽技術存在電流密度低、能耗高、系統動態(tài)響應速度慢，難以匹配可再生能源電力的波動性等問題，影響了其與可再生能源的耦合效率。PEM電解水制氫技術具有高電流密度、高產氫純度、響應速度快、靈活性高等優(yōu)勢，但實際應用中仍存在成本高，陽極材料貴、耐久性低等“卡脖子”問題。為突破上述難題，近年來，廈門大學與福建省、廈門市政府三方共建的嘉庚創(chuàng)新實驗室，迭代布局短期、中期、長期三大綠氫制備技術路線，突破適應可再生能源波動特性的大規(guī)模電解水制氫關鍵技術，降低材料與裝備成本，為可再生能源離網制取綠氫提供高經濟性的成套解決方案。

“我們團隊突破性研發(fā)的高性能堿性電解水制氫裝備具有寬功率波動、快速響應的優(yōu)勢，為新能源大規(guī)模消納提供了解決方案。”鄭南峰院士如是說。據介紹，該創(chuàng)新技術在有59個國家和地區(qū)450個項目參賽的第三屆TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽中榮獲百萬美元的唯一金獎。

嘉庚實驗室PEM電解水制氫團隊開發(fā)的低銥陽極高電流密度電解槽，陽極催化劑銥載量降低60%以上，可大幅降低制氫成本，同時，保持高電流密度、低能耗、高穩(wěn)定性。該創(chuàng)新技術裝備不僅入選國家能源領域首臺（套）重大技術裝備項目，還獲得了2024年氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽冠軍。鄭南峰院士指出，未來新能源消納需要低成本適應寬功率波動的混聯制氫方案，即ALK-PEM混聯制氫。廈門大學、嘉庚實驗室聯合國家能源集團等央企單位，正著力攻關30兆瓦混聯制氫系統集成與示范應用。國家能源集團在寧夏建設有全球最大規(guī)模可再生氫碳減排示范區(qū)，示范區(qū)內的煤化工基地將為項目示范落地及產氫經濟性提供支撐。

在鄭南峰院士的設想中，產學研各界力量將共同推動“綠電-綠氫-X”的閉環(huán)應用，其中的“X”可以是氨基移動式能源、波動性儲能，也可以是化工原料、能源消費終端。通過不斷研發(fā)突破電源技術、制氫技術、氫儲運技術，加快發(fā)展以能源科技創(chuàng)新引領的新質生產力，氫能、氨基能源因其獨特的雙重屬性將成為連接新型電力系統與現代能源體系的媒介，推動我國新能源產業(yè)的高質量發(fā)展。

本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2024年09期，作者系本刊記者

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