氫能源將在內(nèi)蒙古自治區(qū)實現(xiàn)碳達峰和碳中和發(fā)揮重要作用

扎其勞, 賽希拉圖

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 應(yīng)用數(shù)學(xué)中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;3.內(nèi)蒙古宜和氫能研究院,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人類活動導(dǎo)致二氧化碳的排放量不斷增加,降低碳排放已成為全球普遍關(guān)注的領(lǐng)域。習(xí)近平總書記高瞻遠矚地提出我國碳達峰目標(biāo)與碳中和愿景,向國際社會作出莊嚴(yán)承諾,充分展現(xiàn)了大國領(lǐng)袖卓越的戰(zhàn)略眼光。目前,“碳中和”已成為研究熱點,與碳中和相關(guān)的議題不斷增多。越來越多的人開始關(guān)注、了解并學(xué)習(xí)該領(lǐng)域的相關(guān)知識,更有越來越多的專家學(xué)者在尋找碳中和背景下蘊含的發(fā)展機遇。值得一提的是,2021年崔宜筠等[1]在世界頂尖期刊《自然·通訊》雜志上發(fā)表了題為《一廠一策: 中國煤電廠逐個退役的策略》的論文。文章假設(shè)完全不考慮技術(shù)革新和突破,中國想順利實現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo),從現(xiàn)在開始,就不能增加任何一家新的煤電廠,而且中國現(xiàn)有的煤電廠可能全部需要退役。這篇論文對于能源行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型這個艱巨任務(wù),進行了一個非常極端的推演。

事實證明,一方面中國的碳排量還未達到峰值,另一方面中國能源的需求也沒有達到頂峰。如果煤電廠全部退役,會造成巨大的經(jīng)濟影響。由此可見中國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的艱巨性和復(fù)雜性,以及實現(xiàn)它需要的巨大決心。中國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)和承諾,需要解決的難題之一是“既讓煤電廠退役,又滿足持續(xù)增長的能源需求”。

中國是汽車擁有量大國,目前汽車的主要能源仍是化石燃料。從減少碳排放考慮,找尋能夠代替化石能源作為動力成為必然趨勢,其中氫能是非常理想的能源之一。本文對氫能的一些特性和優(yōu)點進行分析,指明氫能為替換化石能源的理想能源。推算了內(nèi)蒙古自治區(qū)在2030年碳達峰時預(yù)計消耗化石能源和需要替換的新能源數(shù)量,以及在2060年碳中和時需要清潔(無碳)能源的數(shù)量的統(tǒng)計需求,并比較氫能、太陽能和風(fēng)能相互轉(zhuǎn)化的比例。以內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司發(fā)展氫能為例,采用應(yīng)用數(shù)學(xué)方法破解企業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展中的一些難題,如降能增效、優(yōu)化氫能廠址和氫能站點的布局等,同時促進應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科自身的發(fā)展。

1 可替換化石能源的理想能源

氫能是目前發(fā)現(xiàn)最好的無碳能源之一,氫氣不管是燃燒還是電化學(xué)反應(yīng),其產(chǎn)物均為水,對生態(tài)環(huán)境非常友好。氫氣的熱值比高,約為天然氣的2.4倍,汽油的2.7倍,煤炭的7倍。所以使用氫氣可以實現(xiàn)效能增倍。氫氣、天然氣、汽油和柴油四種車用燃料的部分理化性質(zhì)見表1[2-3]。

表1 車用氫氣、天然氣、汽油和柴油的理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of hydrogen,natural gas,gasoline and diesel for vehicles

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的制氫基本方式有兩種: 一種是化石能源制氫,即利用碳和天然氣制氫氣; 另一種是電解水制氫。 在化石能源制氫中,煤制氫具有產(chǎn)量大和分布范圍廣的特點,但在煤制氫過程中會排放大量的二氧化碳,需要配套的節(jié)能減排技術(shù)和專用設(shè)備。相比之下,在電解水制氫過程中不存在二氧化碳排放問題,而且工序簡單,但因成本較高尚未形成規(guī)模生產(chǎn)。從環(huán)境友好角度、實現(xiàn)碳達峰和碳中和的目標(biāo)要求來說,電解水制氫更適用于長期高質(zhì)量發(fā)展的需求。

2020年10月20日,中國工業(yè)和信息化部原部長、中國工業(yè)經(jīng)濟聯(lián)合會會長李毅中強調(diào),氫能發(fā)展必須選擇綠氫方向,即無碳綠氫(電解水制氫)。不能因生產(chǎn)氫氣而產(chǎn)生大量的二氧化碳排放,不能背離2030年碳達峰和2060年碳中和的兩大目標(biāo)。

氫氣易于存儲,消耗低,儲存設(shè)備簡單,對氣溫的影響低。目前,人類發(fā)現(xiàn)替換化石能源理想的清潔能源是氫能,使用氫能代替化石能源,可以早日實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)(1)中華人民共和國外交部《中國落實 2030 年可持續(xù)發(fā)展議程 進展報告(2019)》 2019年9月。。

2 數(shù)據(jù)采集與解決方案

2.1 主要數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

(1) 2021年全區(qū)燃油車有多少？全年用燃油量是多少？

(2) 到2030年全區(qū)預(yù)計燃油車是多少？用燃油量是多少？

(3) 2021年全區(qū)使用化石能源的工廠有多少？全年消耗化石能源量是多少？

(4) 到2030年全區(qū)使用化石能源的工廠預(yù)計有多少？全年消耗化石能源量預(yù)計是多少？

(5) 到2060年碳中和時需要多少無碳能源來替換這些化石能源？

2.2 解決方案

(1) 以應(yīng)用數(shù)學(xué)方法精準(zhǔn)計算從2030年碳達峰到2060年碳中和時所替換化石能源的每年需求氫能的數(shù)量是多少;

(2) 以應(yīng)用數(shù)學(xué)方法精準(zhǔn)計算出這些氫能需要多少個風(fēng)電廠和光伏廠才能制造出來;

(3) 以應(yīng)用數(shù)學(xué)方法精確計算出在內(nèi)蒙古自治區(qū)布局多少制氫能廠和加氫站才能滿足社會需求。

統(tǒng)計并精準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)能為內(nèi)蒙古自治區(qū)政府實現(xiàn)碳達峰和碳中和提供可靠參考,并為杜絕新能源重復(fù)建設(shè)、不合理布局造成新的浪費提供依據(jù),也成為內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司今后發(fā)展布局氫能產(chǎn)業(yè)的重要依據(jù)。

3 內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司簡介

3.1 公司基本情況

內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司是一家集氫能源的生產(chǎn)、應(yīng)用、研發(fā)為一體的高科技企業(yè),主營業(yè)務(wù)是通過電解水制氫技術(shù)將自然界的光能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氫能,儲存、運輸氫能,為氫燃料電池汽車加注氫能,等。

公司于2018年9月26日成立,目前有全資子公司烏蘭察布市宜和新能源科技有限公司和內(nèi)蒙古宜和氫能研究院兩個分支機構(gòu)。

(1) 建設(shè)規(guī)模: 總占地面積為3.467 hm2(52畝),設(shè)計4條氫能生產(chǎn)能力500 Nm3/h(99.999%,高純氫),氧氣生產(chǎn)能力1 000 Nm3/h(≥99.2%,工業(yè)氧),年生產(chǎn)8 000 h。

(2) 建設(shè)期限: 一期一條500 Nm/h生產(chǎn)線已建成并投入生產(chǎn),二期3條500 Nm3/h生產(chǎn)線計劃在2021年開工建設(shè),2022年全部竣工投產(chǎn)。

(3) 項目總投資: 1.2億元。

3.2 公司發(fā)展方向

實施內(nèi)蒙古“科技興蒙”行動(2)內(nèi)蒙古自治區(qū)黨委、自治區(qū)人民政府印發(fā)《關(guān)于加快推進“科技興蒙”行動支持科技創(chuàng)新若干政策措施》,2020年10月。是內(nèi)蒙古自治區(qū)黨委、政府作出的重大戰(zhàn)略決策,結(jié)合內(nèi)蒙古自治區(qū)實際,重點圍繞稀土、大規(guī)模儲能、石墨烯、氫能、碳捕集封存五大領(lǐng)域開展攻關(guān),著力推進體制機制創(chuàng)新、政策先行先試、創(chuàng)辦研發(fā)機構(gòu)、加強平臺建設(shè)、引進企業(yè)及人才、建設(shè)成果轉(zhuǎn)化基地等創(chuàng)新工作。

公司為深入落實“科技興蒙”行動,圍繞國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)重點優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域,著力在規(guī)模儲能和氫能兩大領(lǐng)域探索創(chuàng)新,在全區(qū)各盟市布局制氫能工廠和加氫能站點。

內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司已在烏蘭察布市天皮山化工園區(qū)成功建成了第一個儲能、制氫能工廠——烏蘭察布市宜和新能源有限公司,是內(nèi)蒙古自治區(qū)首家通過電解水技術(shù)把多余的風(fēng)電和光電成功儲存轉(zhuǎn)化成氫能(電無法大量儲存,而氫可以)的工廠,并且已成功入圍 2022 年冬季奧運會氫能供應(yīng)保障基地之一。

4 結(jié)語

本文的選題是在內(nèi)蒙古師范大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心與內(nèi)蒙古宜和新能源科技有限公司合作洽談時產(chǎn)生的。嘗試由企業(yè)提出問題和需求,由高校通過數(shù)據(jù)分析、給出檢驗和預(yù)測解決問題的方案,實現(xiàn)高校和企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)(3)國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于全面加強基礎(chǔ)科學(xué)研究的若干意見》,2018年1月19日。(4)科技部辦公廳、教育部辦公廳、中科院辦公廳、自然科學(xué)基金委辦公室印發(fā)《關(guān)于加強數(shù)學(xué)科學(xué)研究工作方案》,2019年7月12日。,發(fā)揮氫能源在內(nèi)蒙古自治區(qū)實現(xiàn)碳達峰和碳中和應(yīng)有的作用。