羅志斌，孫瀟，孫翔，林海周，朱光濤

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 510663）

0 引言

碳中和已成為了人類社會應(yīng)對全球氣候變化達成的共識，世界各國都在積極采取措施努力實現(xiàn)碳中和目標(biāo)[1-2]。氫能既是清潔零碳的新能源，又是重要的儲能載體，具有燃料與原料的雙重屬性，是碳替代的重要手段[3]。隨著新能源的大發(fā)展，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中，風(fēng)電、光伏等可再生能源的比例將大幅度攀升，但其間歇性和波動性容易使得發(fā)/用電匹配失衡，電力系統(tǒng)可調(diào)容量、慣量下降。儲能是高比例的可再生能源接入電網(wǎng)后，維持電力系統(tǒng)平穩(wěn)運行的必然選擇。在全球碳中和的時代背景下，氫能與儲能的交叉、融合發(fā)展，將迎來巨大發(fā)展前景。

1 氫能在新型電力系統(tǒng)中的作用

氫能作為一種清潔靈活的二次能源，在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中可作為電力介質(zhì)的載體，實現(xiàn)氫-電靈活轉(zhuǎn)化。氫能也是廣義上的能量存儲形式之一，如圖1 所示，在眾多的儲能技術(shù)中，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，支撐新能源成為新型電力系統(tǒng)的低碳能源[4]。

圖1 各類儲能技術(shù)的自放電時間與單元規(guī)模[4]Fig. 1 All storage technologies, mapped by self-discharge time and unit size[4]

氫氣作為能源載體，本身并不含有碳元素，其是否能發(fā)揮脫碳作用取決于其生產(chǎn)方式。根據(jù)國際可再生能源機構(gòu)（International Renewable Energy Agency, IRENA）報道，按照氫氣的來源，可以將其劃分為綠氫、藍氫和灰氫[5]。其中，通過可再生能源電力電解水制取的氫氣為綠氫，這一過程中沒有二氧化碳（CO2）的產(chǎn)生，實現(xiàn)100%綠色氫氣生產(chǎn)；通過化石燃料制取氫氣（如天然氣裂解制氫、含氫工業(yè)尾氣提取氫氣等），產(chǎn)生的CO2會被捕集、存儲并被利用，整個過程實現(xiàn)CO2零排放，生產(chǎn)的氫氣被認(rèn)為是藍氫；而通過化石燃料生產(chǎn)氫氣，產(chǎn)生的CO2直接排放到大氣中，生產(chǎn)的氫氣稱為灰氫。從碳中和目標(biāo)的角度而言，要實現(xiàn)脫碳，綠氫是最終的選擇。

根據(jù)IRENA 的預(yù)測，如按照《巴黎協(xié)定》約定的將本世紀(jì)全球氣溫升幅控制在1.5 ℃以內(nèi)，到2050年全球需要5 TW 可再生能源電力用于生產(chǎn)綠氫，折合約4×108t 綠氫[6]。而根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的報道，2030 年我國的氫氣需求量在3.5×107t，2050 年則達到6×107t，在我國的終端能源體系中的比重將超過10%[7]。

現(xiàn)階段，由于電解水制氫的成本相對于化石燃料制氫仍然較高，直接推廣使用綠氫仍缺乏經(jīng)濟性，因此氫能的推廣是從減少灰氫過渡到以藍氫為主，最終將廣泛采用綠氫。除了政策與市場，綠氫的生產(chǎn)成本是其規(guī)?；闹卮笞枇?。綠氫成本的兩大組成部分包括可再生能源電價與電解水裝置。新能源規(guī)模的擴大與發(fā)電技術(shù)進步會使可再生能源電價逐步降低。2021 年，全球光伏發(fā)電最低中標(biāo)電價1.04 美分/kW（折合人民幣約0.066 元/kW，沙特），而我國光伏發(fā)電最低中標(biāo)電價約0.147 元/kW（四川甘孜）。但僅依靠降電價并不能使綠氫相比于藍氫更具備經(jīng)濟優(yōu)勢，還需要提高電解水技術(shù)成熟度及降低其電解槽的生產(chǎn)成本。目前，全球有四種主流的電解水技術(shù)，包括堿性（Alkaline）電解水技術(shù)、質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）電解水技術(shù)、陰離子交換膜（Anion Exchange Membrane，AEM）電解水技術(shù)和固體氧化物（Solid Oxide）電解水技術(shù)，如圖2 所示，其中堿性和PEM 的商業(yè)化成熟度較高，盡管AEM 和固體氧化物擁有巨大的發(fā)展前景，但是其仍處于實驗室階段，僅有少量企業(yè)和原型機制造商在推動其生產(chǎn)制造及商業(yè)化[8]。

圖2 各種商業(yè)化電解水技術(shù)的類型[8]Fig. 2 Different types of commercial electrolysis technologies[8]

根據(jù)對全球電解水技術(shù)研究機構(gòu)的發(fā)展情況進行總結(jié)，四大類電解水技術(shù)現(xiàn)階段的研究成果（以2020 年為例）和未來的發(fā)展目標(biāo)（以2050 年為例）具有比較明確的指標(biāo)和攻關(guān)方向，如表1 所示。

表1 各類電解水技術(shù)現(xiàn)階段性能及未來研發(fā)目標(biāo)[8]Tab. 1 Current and future key performance indicators for all electrolyser technologies[8]

可再生能源大規(guī)模發(fā)展可以為綠氫的生產(chǎn)提供大量的廉價能源，并且隨著電解水技術(shù)的不斷成熟，

綠氫的生產(chǎn)成本將快速下降[9]。盡管部分領(lǐng)域可以采用綠電（可再生能源電力）進行替代實現(xiàn)碳減排，但是冶金、化工、水泥的生產(chǎn)過程中需要大量的高品位熱能（溫度高于400 ℃），這部分熱能難以采用電氣化的方式來解決，這些難減排領(lǐng)域則適用氫能替代。因此，綠氫也為可再生能源的進一步發(fā)展提供廣闊的應(yīng)用場景。宜電則電、宜氫則氫、電氫耦合將是能源應(yīng)用體系發(fā)展的新形勢。

2 綠氫的應(yīng)用場景及技術(shù)路線

綠氫的應(yīng)用場景主要包括交通、建筑、電力、工業(yè)等領(lǐng)域，如圖3 所示。其中交通領(lǐng)域是目前氫能應(yīng)用的主要領(lǐng)域，綠氫是各經(jīng)濟領(lǐng)域深度脫碳的重要實現(xiàn)路徑，同時各經(jīng)濟領(lǐng)域的大規(guī)模用氫也將進一步促進氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖3 綠氫的應(yīng)用場景Fig. 3 Application scenarios for the green hydrogen

2.1 交通

氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展使氫能可以廣泛應(yīng)用于公路交通、軌道交通、船舶、航空等各種交通領(lǐng)域。氫能源汽車是人們最熟悉的氫能應(yīng)用場景，其在國際上應(yīng)用已非常廣泛。截至2021 年，全球各類氫燃料電池汽車保有量已經(jīng)達到近四萬輛，乘用車、公交車、物流車、叉車等多種氫燃料電池汽車已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運營。隨著氫能源交通技術(shù)的進一步完善和普及，氫能交通的市場發(fā)展前景在不斷壯大[10]。

2.2 電力

氫能在電力領(lǐng)域的應(yīng)用主要依托燃料電池技術(shù)。其中，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是發(fā)電領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的燃料電池，也是未來大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對象。集中式可再生能源發(fā)電方案可以將周邊的氫氣運輸?shù)桨l(fā)電站進行發(fā)電，并利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)進行電力輸配。分布式發(fā)電一般是指靠近終端用戶的小型發(fā)電裝置，其具有發(fā)電技術(shù)種類多、發(fā)電規(guī)模高度可控、設(shè)備安裝便捷等優(yōu)點，可為工商業(yè)和住宅的電力需求提供靈活解決方案。目前，以SOFC 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，不斷推進商業(yè)化進程。

特殊電源主要依托質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）技術(shù)，包括通信基站、數(shù)據(jù)中心的備用電源和應(yīng)急電源車等。

摻氫/純氫燃氣輪機也是基于氫能發(fā)電清潔能源系統(tǒng)的一部分，如今國際上關(guān)于富氫燃料燃氣輪機的研究與應(yīng)用已有較多的業(yè)績，全球掌握比較領(lǐng)先技術(shù)的企業(yè)包括日本三菱重工、美國通用電氣和德國西門子。

氫能發(fā)電可用來解決電網(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，大幅度降低碳排放。傳統(tǒng)的抽水蓄能在儲能領(lǐng)域中占據(jù)絕對主導(dǎo)，氫儲能等新型儲能技術(shù)也在不斷發(fā)展[11]。眾多燃料中，單位質(zhì)量氫氣的能量密度高，具備規(guī)模大、響應(yīng)快、可實現(xiàn)跨季節(jié)儲能的特點，是少有的能夠儲存百吉瓦時規(guī)模能量以上的儲能方式，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

隨著氫能在終端能源消費體系中的占比逐漸升高，氫能作為電力儲能介質(zhì)，將發(fā)揮連接可再生能源與電力的紐帶作用，成為新型電力系統(tǒng)的有機組成部分，如圖4 所示。與此同時，電力網(wǎng)絡(luò)和氫能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同優(yōu)化，不僅有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，還可以實現(xiàn)電網(wǎng)碳減排、增強氫電耦合體系的時間和空間靈活性[12]。

圖4 氫電耦合能源輸送系統(tǒng)Fig. 4 The energy delivery system for power coupling hydrogen

2.3 建筑

建筑領(lǐng)域主要針對滿足電和熱的需求，基于SOFC 的熱電聯(lián)供系統(tǒng)是主流場景。日本的家用燃料電池發(fā)展領(lǐng)先于世界，目前其家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的安裝量已達數(shù)十萬套。其次，摻氫供熱和純氫供熱技術(shù)也在不斷研發(fā)。現(xiàn)階段天然氣管道內(nèi)摻入3%以內(nèi)的氫氣對新建的天然氣管道無影響，終端用戶設(shè)備燃燒方式不變。

氫能社區(qū)是實現(xiàn)氫能“制-儲-輸-用”綜合應(yīng)用的重要方式，是開拓氫能燃料電池分布式能源和智慧能源產(chǎn)業(yè)的新途徑，也是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。

2019 年日本率先建立了全球第一個氫能社區(qū)。我國2021 年國家重點研發(fā)計劃也重點支持氫能社區(qū)綜合示范，推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2021 年，廣東佛山在南海區(qū)規(guī)劃投資80 億元打造全國首個“氫能進萬家”智慧能源示范社區(qū)，推廣可再生能源互聯(lián)互通的智慧能源型城市建設(shè)。

2.4 工業(yè)

工業(yè)領(lǐng)域包括化工、冶金等，氫氣在其中主要扮演原料和燃料的角色[13]。工業(yè)用氫的消費量巨大，僅是存量灰氫的綠氫替代就是巨大的市場。

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。

無機化工中，綠氫應(yīng)用主要是合成氨；有機化工中，綠氫應(yīng)用除了石油煉化、合成甲醇，還應(yīng)用于與CO2合成高端化學(xué)品，如表2 所示。

表2 中國的二氧化碳加氫合成化學(xué)品研究進展情況Tab. 2 Recent advances in carbon dioxide hydrogenation to chemicals in China

冶金工業(yè)也是碳排放大戶，焦炭作為還原劑使用是冶金行業(yè)高碳排放的重要原因。當(dāng)前全球75%的鋼鐵來自高爐還原工藝，采用焦炭作為還原劑，高爐還原過程的碳排放量占整個煉鋼流程的90%。氫能冶金的原理是利用氫氣的高還原性，將氫氣替代煤炭作為高爐的還原劑，以減少乃至完全避免鋼鐵生產(chǎn)帶來的碳排放。

隨著鋼鐵行業(yè)CO2減排壓力日益增大，日本、瑞典、德國等國紛紛探索應(yīng)用氫冶金技術(shù)并取得一定進展。我國相關(guān)鋼鐵企業(yè)也在積極布局氫冶金項目。氫能冶金是鋼鐵行業(yè)碳減排的必然路徑，也是鋼鐵產(chǎn)業(yè)進入一個新時代的標(biāo)志[14]。

全球的工業(yè)供熱需求巨大，并且90%以上依靠化石燃料，而工業(yè)供熱需求近一半是高品位熱能。盡管可再生能源電力可以滿足低、中品位熱能的需求，但是冶金、化工、水泥等行業(yè)生產(chǎn)過程中高品位熱能則需要氫燃料來替代。因此，工業(yè)供熱也是綠氫的一個重要應(yīng)用場景。

3 氫能和儲能的共性關(guān)鍵技術(shù)

抽水蓄能、壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）以及氫儲能是具備大規(guī)模儲能能力的儲能技術(shù)。抽水蓄能電站受到地理條件的限制較為苛刻，并且我國可再生能源資源集中的地區(qū)往往其水資源也比較有限，無法滿足抽水蓄能電站的建設(shè)需求，因此，我國抽水蓄能的發(fā)展?jié)摿⒉粩鄿p小。壓縮空氣儲能與氫儲能的儲能容量大、壽命長，隨著其技術(shù)的進步和完善，具有強大的發(fā)展?jié)摿15-16]?，F(xiàn)階段，壓縮空氣儲能的技術(shù)較為成熟，我國壓縮空氣儲能的示范項目也正在不斷布局。氫儲能，尤其氫液化工藝與壓縮空氣儲能（包括液化空氣儲能）工藝具有較好的耦合性，耦合工藝可以進行能量的梯次利用以提高聯(lián)合工藝的整體能效，如圖5 所示。此外，這兩類儲能技術(shù)具有相同的關(guān)鍵設(shè)備，如壓縮機、膨脹機、換熱器等，如表3 所示。因此可以進行協(xié)同研發(fā)攻關(guān)，形成互相促進的產(chǎn)業(yè)格局。

表3 壓縮空氣儲能、液化空氣儲能與氫液化工藝的關(guān)鍵設(shè)備對比Tab. 3 Comparison of key equipment of compressed air energy storage, liquid air energy storage and hydrogen liquefaction process

圖5 液氫耦合液化空氣工藝流程圖Fig. 5 Process flow chart of liquid hydrogen coupling liquid air

壓縮空氣儲能與氫儲能（地下儲氫）的建設(shè)條件也具有高度相似之處。壓縮空氣儲能是利用電能將空氣壓縮至高壓并存儲在地下洞穴（高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等）或壓力容器中[17]。國外也已開展利用地下洞穴進行氫氣儲存的研究，壓縮空氣儲能技術(shù)相對成熟，其在地質(zhì)勘探、洞穴密封性、環(huán)境保護等方面可作為發(fā)展地下儲氫的重要借鑒[18-19]。

4 氫能在新型工業(yè)系統(tǒng)中的作用

氫氣在工業(yè)上的應(yīng)用早已非常廣泛，如圖6 所示?；剂现茪涫菤錃赓Y源的主要來源，包括煤制氫、天然氣制氫等，綠氫的比例極低，不足1%。氫氣作為工業(yè)原料用于合成氨、合成甲醇、石油煉化等，其作為燃料直接燃燒用于工業(yè)供熱的比例也近15%[20]。因此，在工業(yè)中綠氫取代灰氫或者藍氫也具有相當(dāng)大的規(guī)模和潛力，如圖7 所示。常規(guī)的電力來源于化石能源，但是會帶來嚴(yán)重的碳排放及環(huán)境污染，在碳中和的發(fā)展原則下，尤其國家鼓勵新能源電力“能建盡建、能發(fā)盡發(fā)”，新能源電力的比重將不斷增大，其也將以綠氫作為載體應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

圖6 我國的氫氣生產(chǎn)及消費結(jié)構(gòu)圖[20]Fig. 6 Illustration of the structure for hydrogen production and consumption in China[20]

圖7 綠氫在工業(yè)上的應(yīng)用場景Fig. 7 Application scenarios for the green hydrogen in the industry

根據(jù)相關(guān)研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)估算，我國2020 年氫氣的消耗總量在3.5×107t 左右，其中綠氫約5×105t；而到2060 年實現(xiàn)碳中和，我國氫氣的消耗總量將達到1.3×108t，其中綠氫的規(guī)模也將達到108t[21]。綠氫替代無疑是工業(yè)領(lǐng)域降低碳排放，實現(xiàn)碳中和的重要抓手。

5 總結(jié)與展望

“碳達峰、碳中和”目標(biāo)下，可再生能源的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大，但是鑒于其波動性、間歇性的特點，并不能全部以電能的形式融合到電力系統(tǒng)中。儲能可以快速、大規(guī)模地在電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)全面發(fā)展，有利于保障新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。氫能也是廣義上的儲能，其具備燃料與原料的雙重屬性，是新能源滲透工業(yè)領(lǐng)域，促進其低碳轉(zhuǎn)型的重要介質(zhì)。新能源通過電解水制氫的形式轉(zhuǎn)化成綠氫，對工業(yè)領(lǐng)域中的用氫場景進行替代（綠氫替代灰氫），并解決無法通過綠電替代減碳的場景。

氫能與儲能都是現(xiàn)在與未來明確的發(fā)展方向，并具備巨大的產(chǎn)業(yè)市場前景，現(xiàn)階段，兩者面臨的共同問題是技術(shù)不夠成熟、工程示范經(jīng)驗不足、利用成本高昂等。除了政策和資金的支持，應(yīng)該更關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和核心裝備的研發(fā)，基于可靠的成套技術(shù)，合理布局，有序進行工程應(yīng)用示范，積累運營經(jīng)驗，實現(xiàn)技術(shù)進步與成本降低。