氫能技術發展趨勢與展望

　　1、氫能發展的背景

　　氫是重要工業原料，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。根據國際能源署(IEA)統計數據，中國2020年氫氣生產和消費量約3300萬噸，生產方面絕大多數來自于煤、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 中國氫氣生產與消費結構

　　(資料來源：國際能源署《中國耦合CCUS制氫機遇》)

　　傳統的氫工業，以集中的工業園區建設為主，制氫和用氫統一在園區內，在有限地理空間內實現系統集成，即完成了氫的制、儲、用的產業鏈條閉環。而隨著以燃料電池汽車產業為代表的移動氫用戶的興起，打破了傳統氫工業有限地理空間的限制，氫從工業原料屬性逐漸兼具能源屬性，同時對儲運的需求也應運而生。在雙碳戰略背景下，一方面，以風光等綠電制氫替代傳統化石能源制氫，是實現傳統氫工業減碳的關鍵技術路徑;另一方面，氫的高質量能量密度，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，風光等綠電制氫區別于傳統的化石能源制氫，技術上面臨電源高波動性的問題，成本上面臨傳統制氫方式比價問題。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，對氫的儲運技術提出了新的要求，大規模、低成本、高效安全的儲運技術顯得尤為迫切。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流程的重塑，重新達到系統能量和物料的平衡;對于電力方面，氫儲能和氫發電等面臨技術路線和商業模式的探索;對于交通方面，面臨燃料電池技術迭代進步和降成本等問題。在氫能場景下，如何解決和發展氫制、儲、用的技術問題，實現產業鏈條高效、安全和低成本的產業閉環，是行業發展的焦點所在。

　　2、氫能的制取

　　根據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，碳排放相對較低;綠氫是通過可再生能源電解制氫，基本實現零碳排放。目前，國內以灰氫為主，而綠氫發展速度最快。根據國家《氫能產業發展中長期規劃(2021-2025)》的要求，氫的制取方面“構建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發展可再生能源制氫，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;質子交換膜電解水制氫是被認為應對波動性電源極具發展潛力的制氫方式;固體氧化物電解水制氫是效率最高的制氫方式。

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

　　對比傳統化石燃料制氫，可再生能源制氫技術現階段并不具備經濟性競爭優勢，但是考慮減排效益，結合可再生能源的電解水制氫是綠色氫能發展的必然選擇。隨著可再生能源規模不斷擴大，可再生能源電力成本仍會進一步下降，相應的電解水制氫成本也將持續下降。

　　圖2 氫氣生產成本及碳排放情況對比

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

　　3、氫能的儲運

　　氫能產業興起，是以燃料電池汽車產業發展為先導，因此常見的氫氣儲存方式為移動的氣態儲氫、液態儲氫、固態合金儲氫三種方式，重點是安全、低成本地提高質量儲氫率問題。

　　隨著作為大規模可再生能源消納與化工生產耦合媒介，對大規模、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研究，逐漸完善相關標準體系。

　　鑒于氫氣可以和氨、甲醇靈活轉化，業內也在探索，利用氨和甲醇成熟的儲運體系，完成氫能的儲運。關鍵點在于提升相互轉化的效率。

　　圖3 各類儲氫技術成本及應用場景對比

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

　　現階段，我國主要采用20MPa氣態高壓儲氫與集束管車運輸的方式。當用氫規模擴大、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濟的要求。總體而言，氫的儲運體系建設，可以借鑒天然氣儲運體系，結合實際的應用場景，選擇合適的儲運方式。

　　4、氫能的利用

　　根據《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》劃分標準，氫能應用場景主要包括交通、儲能、發電和工業四大類。

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

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

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

　　工業應用方面，目前，95%以上的氫氣仍作為原料用于煉化行業加氫精煉以及化工行業合成氨、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的“綠氫”轉變。綠氫化工(綠氫替代灰氫)是實現這些行業深度脫碳的重要途徑。

　　5、前景展望

　　2023年全球氫能發展繼續加速，清潔氫能作為實現“碳達峰、碳中和”重要抓手的定位更加明確。隨著技術研發和產業資本的持續投入，未來十年將是全球氫能產業快速發展的重大機遇期。我國是世界第一大能源生產和消費國，“多煤貧油少氣”的能源結構特點，使我國在應對氣候變化、環境保護、能源安全等方面存在嚴峻挑戰，而氫能的巨大發展潛力則為我國的能源清潔轉型提供了新的解決方案。氫能產業鏈涉及制備-儲運-加注-利用等多個環節，目前各環節技術成熟度各不相同，亟需政府、企業、行業組織等多方協同發力，從政策引導、技術攻關、標準建設、產業鏈整合等多維度探索可行的發展模式，培育和壯大氫能產業。