加快創新，助推氫能產業駛入快車道

　　氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想媒介，也是實現交通、化工、冶金和水泥等領域大規模深度脫碳及實現碳中和目標的絕佳能源。

　　氫能產業鏈長、參與主體多、應用領域廣闊，從能源戰略角度出發，氫能是實現各類能源轉換的“樞紐”，可以實現不同能源品種向各類終端的傳輸，能夠增強未來低碳能源網絡的靈活性和穩定性，是實現“零碳排放”的終極能源。

　　氫氣制備是氫能產業的關鍵，擴大制氫規模、減少二氧化碳排放和降低氫氣成本是今后努力的方向

　　根據生產原料和生產方式的不同，氫氣制備可分為化石燃料制氫、工業副產制氫、可再生能源電解水制氫、其他工藝制氫。其中，化石燃料制氫包括煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、石油制氫等;工業副產制氫包括氯堿副產制氫、焦爐煤氣制氫、丙烷脫氫副產氫、輕烴裂解制氫等;電解水制氫包括堿性電解水制氫(AWE)、質子交換膜電解水(PEM)制氫、固體氧化物電解池(SOEC)制氫等;其他工藝制氫包括生物質制氫、光催化分解水制氫、廢舊塑料裂解制氫等。

　　當前全球化石燃料制氫產量約占78%，工業副產制氫約占20%，電解水制氫及其他工藝制氫雖然占比不足2%，但發展前景非常廣闊。利用光伏、風能等可再生能源發電，再通過電解水制氫裝置產出的氫氣，稱為綠氫。電解水制氫技術中，堿性電解水制氫(AWE)、質子交換膜電解水(PEM)制氫處于市場化應用階段，固體氧化物電解池(SOEC)制氫處于項目示范階段。

　　在全球電解槽主要的技術路線中，堿水電解槽技術最為成熟，約占2/3的份額，質子交換膜電解槽約占1/3的份額，固態氧化物電解槽僅有一些示范應用項目，裝機容量僅為0.8兆瓦。

　　我國綠氫項目雖然起步較晚，但在“雙碳”目標驅動下正在加速實施，目前國內已有超過百個在建和規劃中的電解水制氫項目，涉及石油煉化、化工合成、鋼鐵冶煉和交通等多個領域，其中有75%的綠氫項目落地于三北地區。

　　中國石化新疆庫車綠氫示范項目于2021年11月30日啟動，是全球在建的最大光伏發電制綠氫項目，共有52臺堿水電解槽，總裝機容量260兆瓦，單槽制氫能力均為1000標準立方米/小時，計劃今年6月建成投產，年產綠氫可達兩萬噸，將供應塔河煉化，替代原有的天然氣制氫模式。

　　我國是全球最大的制氫國，2022年氫氣產量為3781萬噸，占比超過全球產量的1/3，2023年我國電解槽出貨量將保持高速增長，有望在1.4~2.1吉瓦，預計占全球出貨量的60%以上，制氫規模的擴大、二氧化碳排放的減少和氫氣成本的降低，將助推我國氫能產業發展進入快車道。

　　氫氣應用是氫能產業的核心，用氫需求規模化、利用方式多元化，將帶動氫能產業鏈長足發展

　　氫能應用非常廣泛。在石化工業中，氫氣是合成氨、甲醇、尼龍塑料、油脂化學、高品質油品的主要原料。在冶金工業中，氫氣是有色金屬冶煉過程中的還原劑和保護氣，是磁性材料、粉末冶金、帶鋼軋制生產過程中的保護氣。氫能也有一小部分應用于建筑和發電領域。除上述傳統用氫行業外，加氫站及氫燃料電池將是未來氫氣應用的主要場景。

　　加氫站。截至2022年底，國內共建成投運加氫站274座，約占全球總數的40%，加氫站數量居世界第一，主要分布在長三角、珠三角及京津冀區域。根據氫氣來源不同，加氫站分為外供氫加氫站和內制氫加氫站兩種。外供氫加氫站是指氫氣通過長管拖車、液氫槽車或管道輸運至加氫站后，在站內進行壓縮、存儲和加注等操作。內制氫加氫站是在加氫站內配備了制氫系統，制得的氫氣經純化、壓縮、存儲后，進行加注操作。外供氫加氫站由供銷系統、儲氫系統和壓縮系統組成，內制氫加氫站則相應增加了制氫系統。

　　我國目前應用最廣泛的是氣氫加氫站，可分為固定式加氫站和橇裝式加氫站。固定式加氫站是將供銷系統、儲氫系統和壓縮系統固定安裝在加氫站地面上;橇裝式加氫站是將供銷系統、儲氫系統和壓縮系統集成于集裝箱內，其中橇裝式加氫站又可分為一體式和分體式。加注機安裝在橇內的為一體式，加注機安裝在加氫站地面上的為分體式。我國已建成或在建的加氫站中，固定式加氫站是主要建設類型，占比達到70%;橇裝式加氫站為輔，占比22%;其他還有8%的實驗站、一體站等一些特殊類型。

　　氫燃料電池。氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。我國主要集中在質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等技術領域開展技術研發和產業化。其中，質子交換膜燃料電池由于工作溫度低、啟動快、比功率高等特點，非常適用于交通和固定式電源領域，逐步成為現階段主流技術。我國固體氧化物燃料電池尚未進行商業應用，處于試驗研究階段。截至2022年底，全球燃料電池車保有量達到6.7萬輛，比上年增長36.6%，其中我國燃料電池車保有量為12682輛，約占全球運營總量的19%，現階段以客車和重卡為主。

　　質子交換膜燃料電池主要由膜電極、雙極板、墊片、端板和拉桿等部件組合而成，其中膜電極和雙極板合稱電堆，膜電極由質子交換膜、氣體擴散層和催化層組成。目前，我國掌握了燃料電池及核心零部件自主化開發核心技術，雖然在功率密度、低溫啟動能力和經濟性等方面取得了明顯進步，但質子交換膜、碳紙、密封膠等主要原材料仍處于批量化驗證階段。

　　雖然目前氫能利用以工業原料消費為主，但未來在交通領域應用潛力巨大。要加快加氫基礎設施規劃建設，推進氫燃料電池技術創新和示范應用，構建多元用氫生態，通過規模效應持續降低氫能產業鏈成本，提升氫能在終端能源消費中的比重。

　　氫氣儲運是氫能產業的基礎，多方式、多路徑、多選擇性將成為行業發展的特點

　　氫氣儲運主要有氣態儲運、液態儲運和固態儲運三種方式，其中氣態儲運和液態儲運技術工業化應用較為廣泛，固態儲運領域技術尚未成熟，主要處于研發示范階段。

　　氣態儲運。氣態儲運是目前使用最普遍、最直接的氫能儲運方式，主要采用高壓氣態儲運。國內已建成的加氫站采用的主要儲氫容器類型分為固定式儲氫罐和儲氫瓶組，占比分別為30%和70%。其中，高壓氣態儲氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)等四種類型。從應用場景看，I型瓶和II型瓶主要應用于加氫站等固定儲氫設施，III型瓶和IV型瓶主要應用于氫燃料電池汽車等移動儲氫設施。我國車載儲氫瓶目前主要為III型瓶(35兆帕)，III型瓶(70兆帕)處于示范階段，IV型瓶處于研發階段。美、日等國應用的車載儲氫瓶多為IV型瓶(70兆帕)，且開始研發V型儲氫瓶(無內膽纖維纏繞)。

　　高壓氣態運輸主要分為長管拖車和管道運輸兩種。長管拖車運輸技術較為成熟，我國目前常以20兆帕長管拖車運氫，單車運氫約為300千克，正在積極發展45兆帕運氫技術;國外則采用45兆帕纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫，單車運氫可提至700千克。管道運輸是氫能產業發展成熟階段實現氫氣長距離、大規模運輸的必然趨勢，當前階段可積極探索天然氣管道摻氫輸送;歐美國家是世界上最早發展氫氣管網的國家，距今已有70多年歷史，全球有超過5000千米的氫氣管道，其中90%以上位于美國及歐洲;我國氫氣管網發展相對不足，有關標準尚需完善，已投用約100千米輸氫管道，如中國石化濟源—洛陽全長25千米、巴陵—長嶺全長42千米，目前正在規劃布局遠距離輸氫管道項目。

　　液態儲運。氫氣由氣態轉化為液態可分為物理法和化學法，其中物理法有低溫液態儲運，化學法主要為有機液體儲氫、氨-氫儲運等。目前低溫液氫儲運全球液氫產能約400噸/日，其中美國占比在85%以上，應用技術最為成熟;我國液氫產能僅5噸/日，生產的液氫基本上應用于航空航天領域。有機液體儲氫和氨-氫儲運尚處于試驗研究和示范應用階段，尤其是氨-氫儲運，利用可再生能源電解水制氫后，通過“氫-氨-氫”這一流程完成“綠氫”運輸，氨作為理想的儲氫介質，有望解決氫能產業發展存在的儲運成本高、能量密度低和本質安全性弱等挑戰性難題，發展空間廣闊。

　　固態儲運。固態儲氫可分為物理吸附類和化學氫化物，是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過物理吸附和化學吸附的方式實現氫的存儲。常用的儲氫材料有稀土類化合物、鈦系化合物、鎂系化合物及釩、鈮等金屬合金。雖然這種儲氫方式存在一些缺點，但在燃料電池汽車上的應用優點明顯，未來潛力較大。

　　我國要在氫氣儲運環節加大研發試驗和示范應用投入力度，探索和優化更安全、高效、綠色的氫氣儲運方式，采取經濟高效的多種儲運路徑并行的方案，逐步構建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫儲運體系。

　　加快氫能關鍵核心材料和技術的研發應用，形成完備的氫能產業技術創新體系，為碳達峰、碳中和目標實現提供支撐

　　堿性電解水制氫因技術成熟、成本相對較低，當前及今后一段時期仍是綠氫生產的主要方式;質子交換膜電解水制氫成本為堿水的4~5倍，隨著技術進步和整個氫能供應鏈成本的降低，質子交換膜電解水制氫因其靈活多樣的適應性，將會迎來快速發展。

　　遠距離管道輸氫將會得到越來越廣泛的應用，國家需完善相關標準支持產業發展。液態儲運和固態儲運未來前景廣闊，研發的持續投入會帶來成本的不斷降低，為氫能產業快速發展創造條件。

　　加氫站加注壓力將由45兆帕向90兆帕過渡。膜電極和雙極板是氫燃料電池的核心部件，我國需加快研發應用、實現技術突破，打造氫能多元化應用生態，趕超世界先進水平。

　　“十四五”是能源技術革命的關鍵時期，也是推進碳達峰、碳中和戰略的重要窗口期。氫能產業實現關鍵核心技術自主可控，是推動我國氫能產業高質量發展的必行之舉。要加強基礎研發領域創新，以技術先行、產業驅動為原則，有效整合氫能產業研發資源，實現聯合攻關、知識產權共享，加快氫能全產業鏈關鍵核心技術、材料研發及裝備制造自主化，對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用。(劉曉飛 文/圖 作者系中石化國際事業天津有限公司專家