氫能技術(shù)發(fā)展趨勢與展望

　　1、氫能發(fā)展的背景

　　氫是重要工業(yè)原料，在合成氨、合成甲醇、石油煉化中廣泛使用，也是金屬冶煉的重要原料，廣泛用于鎢、鉬、鈷、鐵等金屬和鍺、硅的生產(chǎn)。根據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國2020年氫氣生產(chǎn)和消費量約3300萬噸，生產(chǎn)方面絕大多數(shù)來自于煤、天然氣等化石能源，消費方面主要是合成氨、合成甲醇、石油煉化等。

　　圖1 中國氫氣生產(chǎn)與消費結(jié)構(gòu)

　　(資料來源：國際能源署《中國耦合CCUS制氫機遇》)

　　傳統(tǒng)的氫工業(yè)，以集中的工業(yè)園區(qū)建設(shè)為主，制氫和用氫統(tǒng)一在園區(qū)內(nèi)，在有限地理空間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)集成，即完成了氫的制、儲、用的產(chǎn)業(yè)鏈條閉環(huán)。而隨著以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)為代表的移動氫用戶的興起，打破了傳統(tǒng)氫工業(yè)有限地理空間的限制，氫從工業(yè)原料屬性逐漸兼具能源屬性，同時對儲運的需求也應(yīng)運而生。在雙碳戰(zhàn)略背景下，一方面，以風光等綠電制氫替代傳統(tǒng)化石能源制氫，是實現(xiàn)傳統(tǒng)氫工業(yè)減碳的關(guān)鍵技術(shù)路徑;另一方面，氫的高質(zhì)量能量密度，為風光等高波動性電源的消納和儲存提供了可選方案;氫與電的深度耦合，使得氫的能源屬性進一步明確，“氫能”的內(nèi)涵和場景由此定性和確立。

　　在氫能場景下，氫制取方面，風光等綠電制氫區(qū)別于傳統(tǒng)的化石能源制氫，技術(shù)上面臨電源高波動性的問題，成本上面臨傳統(tǒng)制氫方式比價問題。氫儲運方面，燃料電池汽車移動氫用戶的興起和風光資源時空分布的廣泛性，對氫的儲運技術(shù)提出了新的要求，大規(guī)模、低成本、高效安全的儲運技術(shù)顯得尤為迫切。氫利用方面，對于合成氨、合成甲醇和石油煉化等面臨工藝生產(chǎn)流程的重塑，重新達到系統(tǒng)能量和物料的平衡;對于電力方面，氫儲能和氫發(fā)電等面臨技術(shù)路線和商業(yè)模式的探索;對于交通方面，面臨燃料電池技術(shù)迭代進步和降成本等問題。在氫能場景下，如何解決和發(fā)展氫制、儲、用的技術(shù)問題，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈條高效、安全和低成本的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，是行業(yè)發(fā)展的焦點所在。

　　2、氫能的制取

　　根據(jù)氫氣制取方式和碳排放情況不同，氫氣分為灰氫、藍氫和綠氫，其中灰氫是利用煤、天然氣等化石燃料制取，碳排放高;藍氫則利用化石燃料制取，配合CCUS技術(shù)，碳排放相對較低;綠氫是通過可再生能源電解制氫，基本實現(xiàn)零碳排放。目前，國內(nèi)以灰氫為主，而綠氫發(fā)展速度最快。根據(jù)國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2025)》的要求，氫的制取方面“構(gòu)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，嚴控化石能源制氫。”

　　目前，綠氫的主要生產(chǎn)方式為電解水制氫，三種常見的電解水方式如下：

　　堿性電解水制氫是目前使用最廣泛的電解水制氫方式;質(zhì)子交換膜電解水制氫是被認為應(yīng)對波動性電源極具發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞?固體氧化物電解水制氫是效率最高的制氫方式。

　　此外，熱化學(xué)反應(yīng)制氫、光解水制氫、生物發(fā)酵制氫等新型制氫方式處于理論研究和實驗室階段。

　　對比傳統(tǒng)化石燃料制氫，可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)階段并不具備經(jīng)濟性競爭優(yōu)勢，但是考慮減排效益，結(jié)合可再生能源的電解水制氫是綠色氫能發(fā)展的必然選擇。隨著可再生能源規(guī)模不斷擴大，可再生能源電力成本仍會進一步下降，相應(yīng)的電解水制氫成本也將持續(xù)下降。

　　圖2 氫氣生產(chǎn)成本及碳排放情況對比

　　(資料來源：能源轉(zhuǎn)型委員會《Making the Hydrogen Economy Possible》)

　　3、氫能的儲運

　　氫能產(chǎn)業(yè)興起，是以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展為先導(dǎo)，因此常見的氫氣儲存方式為移動的氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫、固態(tài)合金儲氫三種方式，重點是安全、低成本地提高質(zhì)量儲氫率問題。

　　隨著作為大規(guī)模可再生能源消納與化工生產(chǎn)耦合媒介，對大規(guī)模、低成本的儲運方式日益迫切，有管道輸送、大型儲氫罐、地下巖穴儲氫等。重點是穩(wěn)持久的需求，分攤投資成本過高的問題;同時，通過工程示范和科學(xué)研究，逐漸完善相關(guān)標準體系。

　　鑒于氫氣可以和氨、甲醇靈活轉(zhuǎn)化，業(yè)內(nèi)也在探索，利用氨和甲醇成熟的儲運體系，完成氫能的儲運。關(guān)鍵點在于提升相互轉(zhuǎn)化的效率。

　　圖3 各類儲氫技術(shù)成本及應(yīng)用場景對比

　　(資料來源：能源轉(zhuǎn)型委員會《Making the Hydrogen Economy Possible》)

　　現(xiàn)階段，我國主要采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運輸?shù)姆绞健．斢脷湟?guī)模擴大、運輸距離增長后，提高氣氫運輸壓力或采用液氫槽車、輸氫管道等運輸方案才可以滿足高效經(jīng)濟的要求。總體而言，氫的儲運體系建設(shè)，可以借鑒天然氣儲運體系，結(jié)合實際的應(yīng)用場景，選擇合適的儲運方式。

　　4、氫能的利用

　　根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》劃分標準，氫能應(yīng)用場景主要包括交通、儲能、發(fā)電和工業(yè)四大類。

　　氫能在交通領(lǐng)域應(yīng)用包括乘用車、商用車、火車、船舶、航空器等，主要技術(shù)涉及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。目前，PEMFC雙極板和催化劑材料的成本占據(jù)主導(dǎo)地位，未來技術(shù)進步、材料升級以及規(guī)模化生產(chǎn)是降成本的重要方式。

　　氫儲能是化學(xué)儲能的一種形式，氫儲能可與新型電力系統(tǒng)高度耦合，克服新能源電力儲存的難題，實現(xiàn)大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)儲能，是少有的能夠儲存百GWh規(guī)模能量以上的儲能方式，支撐新能源成為新型電力系統(tǒng)的低碳能源。目前處于起步研究階段。

　　氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源電力并網(wǎng)穩(wěn)定性問題，有利于提高電網(wǎng)安全性和靈活性，并大幅度降低碳排放。目前，以SOFC燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達國家和地區(qū)開始初步商業(yè)化。我國分布式電源技術(shù)正在加緊應(yīng)用示范推廣，隨著技術(shù)進步和成本下降，不斷向商業(yè)化進程推進。摻氫燃氣輪機發(fā)電，則是另外一個技術(shù)方向，目前相比于燃料電池發(fā)電，具有較好的成本優(yōu)勢。

　　工業(yè)應(yīng)用方面，目前，95%以上的氫氣仍作為原料用于煉化行業(yè)加氫精煉以及化工行業(yè)合成氨、合成甲醇等。未來，氫氣作為化工原料仍將是其主要用途，但是氫的來源將從目前以化石能源制氫為主即“灰氫”向可再生能源電解水生產(chǎn)的“綠氫”轉(zhuǎn)變。綠氫化工(綠氫替代灰氫)是實現(xiàn)這些行業(yè)深度脫碳的重要途徑。

　　5、前景展望

　　2023年全球氫能發(fā)展繼續(xù)加速，清潔氫能作為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”重要抓手的定位更加明確。隨著技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來十年將是全球氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重大機遇期。我國是世界第一大能源生產(chǎn)和消費國，“多煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點，使我國在應(yīng)對氣候變化、環(huán)境保護、能源安全等方面存在嚴峻挑戰(zhàn)，而氫能的巨大發(fā)展?jié)摿t為我國的能源清潔轉(zhuǎn)型提供了新的解決方案。氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及制備-儲運-加注-利用等多個環(huán)節(jié)，目前各環(huán)節(jié)技術(shù)成熟度各不相同，亟需政府、企業(yè)、行業(yè)組織等多方協(xié)同發(fā)力，從政策引導(dǎo)、技術(shù)攻關(guān)、標準建設(shè)、產(chǎn)業(yè)鏈整合等多維度探索可行的發(fā)展模式，培育和壯大氫能產(chǎn)業(yè)。