氢能源将在内蒙古自治区实现碳达峰和碳中和发挥重要作用

扎其劳, 赛希拉图

(1.内蒙古师范大学 数学科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022;2.内蒙古师范大学 应用数学中心,内蒙古 呼和浩特 010022;3.内蒙古宜和氢能研究院,内蒙古 乌兰察布 012000)

随着现代科学技术和社会经济的迅速发展,人类活动导致二氧化碳的排放量不断增加,降低碳排放已成为全球普遍关注的领域。***总书记高瞻远瞩地提出我国碳达峰目标与碳中和愿景,向国际社会作出庄严承诺,充分展现了大国领袖卓越的战略眼光。目前,“碳中和”已成为研究热点,与碳中和相关的议题不断增多。越来越多的人开始关注、了解并学习该领域的相关知识,更有越来越多的专家学者在寻找碳中和背景下蕴含的发展机遇。值得一提的是,2021年崔宜筠等[1]在世界顶尖期刊《自然·通讯》杂志上发表了题为《一厂一策: 中国煤电厂逐个退役的策略》的论文。文章假设完全不考虑技术革新和突破,中国想顺利实现“碳中和”的目标,从现在开始,就不能增加任何一家新的煤电厂,而且中国现有的煤电厂可能全部需要退役。这篇论文对于能源行业低碳转型这个艰巨任务,进行了一个非常极端的推演。

事实证明,一方面中国的碳排量还未达到峰值,另一方面中国能源的需求也没有达到顶峰。如果煤电厂全部退役,会造成巨大的经济影响。由此可见中国实现碳中和目标的艰巨性和复杂性,以及实现它需要的巨大决心。中国实现碳中和目标和承诺,需要解决的难题之一是“既让煤电厂退役,又满足持续增长的能源需求”。

中国是汽车拥有量大国,目前汽车的主要能源仍是化石燃料。从减少碳排放考虑,找寻能够代替化石能源作为动力成为必然趋势,其中氢能是非常理想的能源之一。本文对氢能的一些特性和优点进行分析,指明氢能为替换化石能源的理想能源。推算了内蒙古自治区在2030年碳达峰时预计消耗化石能源和需要替换的新能源数量,以及在2060年碳中和时需要清洁(无碳)能源的数量的统计需求,并比较氢能、太阳能和风能相互转化的比例。以内蒙古宜和新能源科技有限公司发展氢能为例,采用应用数学方法破解企业高质量创新发展中的一些难题,如降能增效、优化氢能厂址和氢能站点的布局等,同时促进应用数学学科自身的发展。

1 可替换化石能源的理想能源

氢能是目前发现最好的无碳能源之一,氢气不管是燃烧还是电化学反应,其产物均为水,对生态环境非常友好。氢气的热值比高,约为天然气的2.4倍,汽油的2.7倍,煤炭的7倍。所以使用氢气可以实现效能增倍。氢气、天然气、汽油和柴油四种车用燃料的部分理化性质见表1[2-3]。

表1 车用氢气、天然气、汽油和柴油的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of hydrogen,natural gas,gasoline and diesel for vehicles

当前行业内公认的制氢基本方式有两种: 一种是化石能源制氢,即利用碳和天然气制氢气; 另一种是电解水制氢。 在化石能源制氢中,煤制氢具有产量大和分布范围广的特点,但在煤制氢过程中会排放大量的二氧化碳,需要配套的节能减排技术和专用设备。相比之下,在电解水制氢过程中不存在二氧化碳排放问题,而且工序简单,但因成本较高尚未形成规模生产。从环境友好角度、实现碳达峰和碳中和的目标要求来说,电解水制氢更适用于长期高质量发展的需求。

2020年10月20日,中国工业和信息化部原部长、中国工业经济联合会会长李毅中强调,氢能发展必须选择绿氢方向,即无碳绿氢(电解水制氢)。不能因生产氢气而产生大量的二氧化碳排放,不能背离2030年碳达峰和2060年碳中和的两大目标。

氢气易于存储,消耗低,储存设备简单,对气温的影响低。目前,人类发现替换化石能源理想的清洁能源是氢能,使用氢能代替化石能源,可以早日实现碳中和的目标(1)中华人民共和国外交部《中国落实 2030 年可持续发展议程 进展报告(2019)》 2019年9月。。

2 数据采集与解决方案

2.1 主要数据的统计

(1) 2021年全区燃油车有多少？全年用燃油量是多少？

(2) 到2030年全区预计燃油车是多少？用燃油量是多少？

(3) 2021年全区使用化石能源的工厂有多少？全年消耗化石能源量是多少？

(4) 到2030年全区使用化石能源的工厂预计有多少？全年消耗化石能源量预计是多少？

(5) 到2060年碳中和时需要多少无碳能源来替换这些化石能源？

2.2 解决方案

(1) 以应用数学方法精准计算从2030年碳达峰到2060年碳中和时所替换化石能源的每年需求氢能的数量是多少;

(2) 以应用数学方法精准计算出这些氢能需要多少个风电厂和光伏厂才能制造出来;

(3) 以应用数学方法精确计算出在内蒙古自治区布局多少制氢能厂和加氢站才能满足社会需求。

统计并精准分析数据能为内蒙古自治区政府实现碳达峰和碳中和提供可靠参考,并为杜绝新能源重复建设、不合理布局造成新的浪费提供依据,也成为内蒙古宜和新能源科技有限公司今后发展布局氢能产业的重要依据。

3 内蒙古宜和新能源科技有限公司简介

3.1 公司基本情况

内蒙古宜和新能源科技有限公司是一家集氢能源的生产、应用、研发为一体的高科技企业,主营业务是通过电解水制氢技术将自然界的光能、风能转化生产氢能,储存、运输氢能,为氢燃料电池汽车加注氢能,等。

公司于2018年9月26日成立,目前有全资子公司乌兰察布市宜和新能源科技有限公司和内蒙古宜和氢能研究院两个分支机构。

(1) 建设规模: 总占地面积为3.467 hm2(52亩),设计4条氢能生产能力500 Nm3/h(99.999%,高纯氢),氧气生产能力1 000 Nm3/h(≥99.2%,工业氧),年生产8 000 h。

(2) 建设期限: 一期一条500 Nm/h生产线已建成并投入生产,二期3条500 Nm3/h生产线计划在2021年开工建设,2022年全部竣工投产。

(3) 项目总投资: 1.2亿元。

3.2 公司发展方向

实施内蒙古“科技兴蒙”行动(2)内蒙古自治区党委、自治区人民政府印发《关于加快推进“科技兴蒙”行动支持科技创新若干政策措施》,2020年10月。是内蒙古自治区党委、政府作出的重大战略决策,结合内蒙古自治区实际,重点围绕稀土、大规模储能、石墨烯、氢能、碳捕集封存五大领域开展攻关,着力推进体制机制创新、政策先行先试、创办研发机构、加强平台建设、引进企业及人才、建设成果转化基地等创新工作。

公司为深入落实“科技兴蒙”行动,围绕国家和内蒙古自治区重点优先发展领域,着力在规模储能和氢能两大领域探索创新,在全区各盟市布局制氢能工厂和加氢能站点。

内蒙古宜和新能源科技有限公司已在乌兰察布市天皮山化工园区成功建成了第一个储能、制氢能工厂——乌兰察布市宜和新能源有限公司,是内蒙古自治区首家通过电解水技术把多余的风电和光电成功储存转化成氢能(电无法大量储存,而氢可以)的工厂,并且已成功入围 2022 年冬季奥运会氢能供应保障基地之一。

4 结语

本文的选题是在内蒙古师范大学应用数学中心与内蒙古宜和新能源科技有限公司合作洽谈时产生的。尝试由企业提出问题和需求,由高校通过数据分析、给出检验和预测解决问题的方案,实现高校和企业联合攻关(3)国务院印发《关于全面加强基础科学研究的若干意见》,2018年1月19日。(4)科技部办公厅、教育部办公厅、中科院办公厅、自然科学基金委办公室印发《关于加强数学科学研究工作方案》,2019年7月12日。,发挥氢能源在内蒙古自治区实现碳达峰和碳中和应有的作用。