張利軍

摘要：據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)的電力系統(tǒng)每年碳排放占總碳排量的40%，我國(guó)近年來提出“碳中和”目標(biāo)，并初步打算以氫氣作為潛在支撐，助力一些行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，包括電力交通，鋼鐵建筑等。對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行碳減排，不斷向“雙碳”目標(biāo)靠近，氫氣在此過程有著重要作用，需要改良傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，建立新型能源系統(tǒng)，尋找新能源代替原有資源，實(shí)現(xiàn)資源的可再生，降低化石能源在總能源中的比重，建立現(xiàn)代高效能源體系，貫徹落實(shí)好低碳安全，清潔衛(wèi)生目標(biāo)，助力“碳達(dá)峰”與“碳中和”的實(shí)現(xiàn)。建立綠色無碳的新產(chǎn)業(yè)鏈，通過可再生資源，知道氫氣及其氫能化合物，解決可再生資源的產(chǎn)出與使用問題，是一條擁有巨大潛力的發(fā)展路線。文章將重點(diǎn)放在我國(guó)目前行業(yè)內(nèi)，應(yīng)用氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀以及新發(fā)展，對(duì)于氫能關(guān)鍵技術(shù)，包括制造儲(chǔ)存，應(yīng)用銷售等環(huán)節(jié)，結(jié)合市場(chǎng)新能源需要，研究未來發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)當(dāng)下氫能發(fā)展現(xiàn)狀，與應(yīng)用氫能主要產(chǎn)業(yè)或場(chǎng)景結(jié)合，為后續(xù)新能源與氫能的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：“雙碳”目標(biāo);綠氫;可再生能源;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)原來提出不少政策，指導(dǎo)新能源技術(shù)的進(jìn)步，在此支持下，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，但作為一項(xiàng)新能源技術(shù)，產(chǎn)業(yè)核心問題還有待解決，例如氫能材料技術(shù)并沒有實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施夠理想有待加強(qiáng)等現(xiàn)象。本文將國(guó)內(nèi)國(guó)外新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，結(jié)合氫能產(chǎn)業(yè)所需關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合未來新能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)在氫能中的投入和產(chǎn)出在具體場(chǎng)景中的使用提出問題與指導(dǎo)，期待對(duì)我國(guó)在氫能產(chǎn)業(yè)有更多的收獲。

1國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2021年2月22日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》指出，大力發(fā)展氫能，加大加氫等配套設(shè)施建設(shè)。

隨著氫能政策的制定與完善，大批的氫能示范項(xiàng)目也陸續(xù)開展，部分綠色氫能示范項(xiàng)目和加氫站分布情況如如表1、圖1所示。

2綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)研究

綠色氫能的技術(shù)路線如圖2所示，

2.1綠色制氫技術(shù)

2.1.1電解水制氫

電解水技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、無污染，由于其成本相對(duì)較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術(shù)的商業(yè)化推廣。

具體分析如下：

（1）堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展最為成熟，制氫成本也相對(duì)較低，已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，但是能效較低;

（2）PEM制氫技術(shù)具有更寬泛的運(yùn)行功率范圍及更短的啟動(dòng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實(shí)現(xiàn)高壓化，能夠很好適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性，國(guó)外發(fā)展較為成熟，已開始商業(yè)應(yīng)用，但在我國(guó)基本處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段;

（3）SOEC電解水制氫技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外均處于研發(fā)階段。有研究發(fā)現(xiàn)SOEC可在動(dòng)態(tài)電力輸出下工作，并不會(huì)有明顯衰減。

（4）堿性電解水制氫成本有限，后期的研究重點(diǎn)將在于成本、效率和靈活性之間的平衡。

（5）固體氧化物制氫技術(shù)是能耗最低、能量轉(zhuǎn)換效率最高的電解水制氫技術(shù)，隨著技術(shù)的突破有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供應(yīng)。

2.1.2太陽能制氫技術(shù)

目前，太陽能制氫技術(shù)主要有光催化法制氫、化學(xué)制氫、人工光合作用制氫等。

（1）光催化分解水制氫的過程比較復(fù)雜，當(dāng)太陽光照射光催化劑受時(shí)，光催化劑進(jìn)行捕獲、吸收、產(chǎn)生激子，少量存在的激子向表面發(fā)生遷移，遷移到反應(yīng)活性中心分解水產(chǎn)生氫氣。光催化劑制氫有優(yōu)缺點(diǎn)并存，光催化劑可通過多種材料制造氫，但轉(zhuǎn)換率無法保證，轉(zhuǎn)化率普遍偏低。所以重點(diǎn)研究光催化制氫技術(shù)，將目標(biāo)放在光催化劑的改良上，以穩(wěn)定性，活性，成本作為挑選標(biāo)準(zhǔn)。

（2）熱化學(xué)制氫技術(shù)，利用聚光器加熱水，當(dāng)溫度達(dá)到2500K以上時(shí)分解為氫氣和氧氣。熱化學(xué)制氫技術(shù)方法簡(jiǎn)單，效率高，但是需要高倍聚光器才能獲得分解需要的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，熱化學(xué)制氫技術(shù)在光照條件下可以利用光催化劑降低對(duì)溫度的要求。

（3）植物在太陽能下進(jìn)行光合作用，這種模式人工光合作用可以模仿，用來改良?xì)渲圃旒夹g(shù)，此過程的最大優(yōu)點(diǎn)為，操作簡(jiǎn)單，知青效率有保證，且不會(huì)造成環(huán)境污染。但發(fā)展緩慢，轉(zhuǎn)化效率不理想也是缺點(diǎn)。

2.1.3生物質(zhì)制氫技術(shù)

微生物法制氫技術(shù)包括光發(fā)酵法制氫、暗發(fā)酵法制氫和光合生物制氫。

（1）熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制氫技術(shù)包括生物質(zhì)氣化法制氫、生物質(zhì)熱解法制氫、生物質(zhì)超臨界法制氫。

（2）微生物法制氫技術(shù)與生物質(zhì)超臨界法制氫技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。生物質(zhì)氣化法制氫的關(guān)鍵氣化技術(shù)雖已成熟，但由于生物質(zhì)氣化規(guī)模小，目前還沒有生物質(zhì)氣化制氫工業(yè)化裝置建設(shè)。

2.2氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)

儲(chǔ)氫技術(shù)闡述如下：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，此項(xiàng)儲(chǔ)存技術(shù)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)，日本等得到廣泛商業(yè)化應(yīng)用。但我國(guó)在此方面要求較為嚴(yán)格，此項(xiàng)技術(shù)僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域中也有所涉及。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，此儲(chǔ)存對(duì)核心設(shè)備要求較高，氫透平膨脹機(jī)是第一核心設(shè)備，低溫閥門是第二核心設(shè)備，我國(guó)有技術(shù)無法生產(chǎn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)進(jìn)口依賴較大。與國(guó)外技術(shù)與裝備相比，我國(guó)在液氫儲(chǔ)罐制造方面能力也有所缺失。

金屬或合金物理儲(chǔ)存氫技術(shù)，將氫氣以固態(tài)方式儲(chǔ)存，但在運(yùn)輸方面有一定困難，燃料電池車為發(fā)展到一定規(guī)模，使得氫氣運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)要求較低，氫氣加油站較為分散稀少，長(zhǎng)管拖車作為氫氣的主要運(yùn)輸工具，其優(yōu)點(diǎn)在于，技術(shù)成熟，運(yùn)輸快捷，補(bǔ)幾方便。普遍應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外加氫站氫氣的補(bǔ)給。

3綠色氫能發(fā)展趨勢(shì)及典型場(chǎng)景展望

3.1綠氫關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1.1綠色制氫發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)制氫產(chǎn)業(yè)有以下困難，基礎(chǔ)設(shè)施不達(dá)標(biāo)，能量大量耗損，生產(chǎn)成本較高。制氫成本的75%～85%，小號(hào)在電解水制氫過程中，電力耗損巨大。電價(jià)也有波動(dòng)不穩(wěn)定性，這與經(jīng)濟(jì)性在綠色氫能中的體現(xiàn)直接掛鉤。國(guó)家不斷出臺(tái)減排政策，并對(duì)碳排量做出承諾，有國(guó)家發(fā)展政策來支撐新能源系統(tǒng)，新能源發(fā)電成本不斷降低，且有風(fēng)電和光伏，越來越多的研究使制氫技術(shù)得到眾多關(guān)注，并出臺(tái)眾多扶持政策，投入資金也十分可觀。在優(yōu)良環(huán)境下，制氫技術(shù)的進(jìn)步會(huì)不斷加快，開發(fā)效率也會(huì)逐步提高，晚上我國(guó)新能源缺口，并充分利用太陽能的作用。

3.1.2氫氣儲(chǔ)運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)

在儲(chǔ)氫技術(shù)中，行業(yè)普遍采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式，我國(guó)在儲(chǔ)存方的優(yōu)勢(shì)為國(guó)產(chǎn)化容器罐體材料可大規(guī)模生產(chǎn)，但劣勢(shì)在于美國(guó)和日本發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷了關(guān)鍵設(shè)備材料，高性能碳纖材料仍需依賴對(duì)外進(jìn)口。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)未來發(fā)展較為平緩，原因在于此項(xiàng)技術(shù)難度系數(shù)較大，絕緣材料投入巨大，液化成本不可估計(jì)，能量消耗較為嚴(yán)重。以上對(duì)液體儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明，小規(guī)模示范研究在我國(guó)某些地區(qū)已經(jīng)開展。與傳統(tǒng)氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相比，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)安全性好，儲(chǔ)清量較大，方便后續(xù)操作。未來發(fā)展前景十分廣闊，特別是后續(xù)在生產(chǎn)成本控制，設(shè)備與材料能夠方便使用，儲(chǔ)氫方式由多種歸納為以固態(tài)儲(chǔ)氫為主要方式。氫燃料應(yīng)用于電池汽車中，得到一定推廣，但仍處于示范運(yùn)行階段。我國(guó)汽車行業(yè)對(duì)氫氣需求量不高，因此現(xiàn)階段氫氣需求可通過場(chǎng)館拖車運(yùn)輸氫氣，在加氫站中實(shí)現(xiàn)氫氣的自由補(bǔ)給。但未來氫氣需求量，會(huì)隨著燃料電池車的不斷推廣和普及加大，基礎(chǔ)設(shè)施輔助氫氣的補(bǔ)給會(huì)逐漸完善，滿足氫氣運(yùn)輸方式，通過管道運(yùn)輸，逐漸形成規(guī)模，提高氫氣新能源的經(jīng)濟(jì)性。

3.2綠氫典型應(yīng)用場(chǎng)景展望

3.2.1海上風(fēng)電氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景

海洋能源應(yīng)用范圍較廣，利用效率可以通過海上風(fēng)電與氫能耦合提高，作為能源運(yùn)輸新思路，幫助海上風(fēng)電的消納順利進(jìn)行。如圖三所示，將此種技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行展示，你線路圖方式說明技術(shù)線路的具體位置。一條技術(shù)線路通過海水淡化分解間接制造氫能;另一條技術(shù)線路通過利用咸水實(shí)現(xiàn)氫能的直接轉(zhuǎn)換。前者技術(shù)比后者成熟。但制氫成本也隨著海水淡化需求而增加，咸水制氫在技術(shù)上還有所不足，需要研究關(guān)鍵材料和催化劑，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破。

3.2.2綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景

提高多種不同類型資源的綜合利用率，需要有完善的綜合能源系統(tǒng)，將電氣，冷氣，熱氣，水氣等充分利用起來。而氫儲(chǔ)能可以作為多能聯(lián)供媒介，起到能量平衡工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)的作用，有效改善工業(yè)園區(qū)能量不平衡現(xiàn)象，提高工業(yè)園區(qū)的整體效益，完善綜合能源系統(tǒng)。在未來能源系統(tǒng)發(fā)展中，綜合能源系統(tǒng)結(jié)合綠色氫能發(fā)展行業(yè)，共同打造出兩種能力耦合應(yīng)用，并作為典型適用于多個(gè)不同場(chǎng)景。

3.2.3氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)比傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車，采用新能源氫燃料電池汽車有以下優(yōu)點(diǎn)，續(xù)航里程長(zhǎng)，燃料補(bǔ)給方便，燃料補(bǔ)充時(shí)間短。在未來隨著規(guī)模化的生產(chǎn)以及氫能行業(yè)的發(fā)展，氫燃料電池汽車的成本不斷降低，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域中。

4結(jié)論

作為一種理想清潔能源，也成為平衡環(huán)境問題與能源問題的重要載體，綠色氫能有助于穩(wěn)定我國(guó)能源狀態(tài)，也是構(gòu)建新型能源系統(tǒng)一大助力。本篇從發(fā)展情況的角度對(duì)比國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)，將不同環(huán)節(jié)所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與我國(guó)綠色氫能結(jié)合，提出改良開發(fā)建議，應(yīng)針對(duì)我國(guó)新能源應(yīng)用情況，模擬典型應(yīng)用場(chǎng)景。

（1）與國(guó)外應(yīng)用綠色性能相比，無論是開發(fā)利用技術(shù)，還是發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)有一定不足。氫能作為清潔能源轉(zhuǎn)型的重要組成，其發(fā)揮作用還有待研究。國(guó)家需要從戰(zhàn)略方便進(jìn)行布局，加大對(duì)關(guān)鍵政策的研發(fā)，出臺(tái)政策繼續(xù)扶持氫能的發(fā)展。

（2）綠色氫能制造取用過程較為艱難，運(yùn)輸方面也存在一些技術(shù)性難題。使得氫能其相關(guān)操作成本無法控制，無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用。政府的扶持與引導(dǎo)，院校的努力研發(fā)，企業(yè)的支持與合作三者共同促進(jìn)綠色氫能技術(shù)的成熟，加快商業(yè)化推廣腳步，為其他行業(yè)起到示范作用，加大投資實(shí)驗(yàn)的資金支持，研發(fā)力度上也需下更多功夫。

（3）在未來可再生資源應(yīng)用中，氫能可以占據(jù)主要應(yīng)用場(chǎng)景，在未來制氫方式中，可再生能源也作為重要原料，海上風(fēng)電，工業(yè)園區(qū)大規(guī)模建設(shè)，離不開完善的綜合能源系統(tǒng)，未來交通運(yùn)輸也會(huì)有一定規(guī)模發(fā)展。在良好環(huán)境下，氫能發(fā)揮主要作用，保障整個(gè)能源系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值，提高系統(tǒng)應(yīng)用于其他場(chǎng)景的效益。

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