双碳目标及其实现途径

习近平主席在第七十五届联合国大会上指出，中国将努力实现2030之前的二氧化碳排放碳达峰，即2060之前的碳中和。“碳达峰”意味着二氧化碳在某一点达到峰值，不再增加，然后逐渐回落。“碳中和”是指企业、团体或个人在一定时期内，通过植树造林、节能减排，直接或间接产生的温室气体排放总量，为了抵消自身的二氧化碳排放量，实现二氧化碳的“零排放”。

实现双碳目标有两种途径，即减少二氧化碳排放和增加碳汇。固碳主要来自森林、草原等自然生态系统，以及碳捕获与封存（CCS）、碳捕获、封存与利用（CCUs）等人工除碳技术，这就要求我们完善森林、草原、湿地等生态补偿机制，提高固碳能力和质量。在二氧化碳排放方面，中国主要以能源碳排放为主。从图1可以看出，我国能源消费结构显示，碳基化石能源占能源消费总量的84.7%。显然，在减排方面，我们需要节能降耗，降低能源消费总量，进而减少能源系统的碳排放；调整能源结构，减少化石能源消费，提高太阳能、风能、核能、地热能等非化石能源的比重。也就是说，能源的生产和消费应该走绿色低碳之路。氢能将在这条道路上发挥重要作用。

氢能系统有助于实现碳目标的双重化

氢能的优点：氢能是氢（H）在物理化学变化过程中释放的能量。清洁能源：氢气燃烧的产物仅为水，不会产生有毒气体或粉尘颗粒等对环境有害的污染物。用氢气代替化石燃料可以最大限度地减少温室效应。它来源广泛，生产方便：产品水还可以电解制氢，作为分布式能源供能。热值高：除核燃料外，在化石燃料和化学燃料中，氢的热值最高，容易燃烧。此外，氢可以转化成各种能源。

氢能将在我国碳中和路径中发挥重要作用：如图2所示，氢能产业链、制氢环节：氢能的利用可以实现可再生能源的大规模高效消费；氢能储运：氢能可在不同行业和地区间重新分配；作为能量缓冲载体，提高能量系统的韧性；氢能应用环节：减少运输过程中的碳排放；减少工业能源使用领域的碳排放。氢能将清洁能源结构与电气化联系起来。它利用水、风、光等可再生能源产生的剩余电力生产氢气。也就是说，剩余的电力储存在氢气中。当有需求缺口时，采用燃料电池发电来满足电力供应的需求，或将产生的氢气用于工业和国内生产，以避免弃风，水电废弃光电造成的能源浪费，可以最大限度地跨地区、跨季节利用可再生能源，减少碳排放。然而，氢能储运的关键技术是制约氢能经济性的瓶颈技术。氢具有很强的扩散能力，易燃易爆。氢和金属的结合容易导致氢脆和难以储存。因此，妥善解决氢能储运问题是氢能安全高效利用的必要前提，也是降低整个氢能产业链成本的关键环节。

氢能应用的核心——燃料电池

目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）是燃料电池的主要研究领域。这里只讨论SOFC。如图3a所示，固体氧化物燃料电池组由连接器和多个单体电池组成。SOFC单电池主要由三部分组成：阴极、阳极和氧离子导电电解质。在阴极，O2（来自空气）被还原，产生的O2-离子通过电解液被输送到阳极，在那里它们与氢或碳氢燃料反应生成热量、H2O和（碳氢燃料）CO2，并将电子e-释放到外部电路以进行工作。

如图3B所示，多个SOFC单电池（10× 10 cm2）通过连接器串联，连接器在单个电池之间提供电接触和气体通道。由此产生的“栈”被安排在串联和并联配置，以提供所需的电压和功率输出。不同规格的电堆可用于便携式发电或分布式发电以及交通、民用和军用的大规模发电，以避免或减少碳基化石能源的使用，减少碳排放。而SOFC要解决的主要问题是改善阴极氧还原的orr反应动力学，降低极化损耗，将反应温度降低到500～800℃℃ 在中低温地区。

氢能应用，家用热电联产装置

如下图2所示，氢燃料电池热电联产装置利用燃料电池中氢能产生的余热进行回收，从而实现热电联产，进一步实现电力资源的更大利用，大大减少了电力资源的浪费，降低煤炭能源的消耗，实现更高效的能源利用，促进环境友好，提高能源利用率。

氢气作为一种无碳、清洁、高效的能源形式，在促进能源结构转变方面发挥着越来越重要的作用。然而，从制氢到氢能应用是一条复杂的产业链。要实现氢能的发展，必须降低氢能产业链各个环节的成本。

如前所述，能源结构调整是实现碳中和、碳达峰的重要途径：控制煤炭、石油等化石能源消费比重，提高可再生能源、氢能等清洁能源消费比重，上游以光伏、风电、水电为主的可再生能源充足，下游可吸收可再生能源的氢能产业。这样，可再生能源和氢能的发展将成为我国碳达峰和碳中和的催化剂。但是，单一的能源结构调整不足以实现双碳目标，碳汇收入还需要增加，如发展碳捕获、固碳技术和建设森林草原等自然生态系统。