田 倩，王卓然，劉 濤，王彥科

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056000）

近兩年，美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐盟均采取了較大的政策力度加碼氫能源產(chǎn)業(yè)，并出臺(tái)了相關(guān)經(jīng)濟(jì)路徑規(guī)劃，力爭(zhēng)領(lǐng)跑該賽道。截止到2021年初，全球共有約20個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)布了氫能發(fā)展規(guī)劃或路線 圖[1]。中國(guó)對(duì)光伏、風(fēng)電、新能源車的產(chǎn)業(yè)政策大獲成功，度電成本平價(jià)、汽車制造彎道超車，成為全球最具備競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)，成了中國(guó)制造的名片，給中國(guó)進(jìn)一步推動(dòng)氫能賦予了信心。占據(jù)氫能成本最大的電力會(huì)隨著光伏、風(fēng)能度電成本而下降，同時(shí)技術(shù)進(jìn)步及大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)的制造和人力成本的下降[2]。

因此，在全球氫能源產(chǎn)業(yè)資金跑步進(jìn)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)政策的逐步推進(jìn)，成本不斷下降的三重趨勢(shì)下，政府開(kāi)始密集出臺(tái)促進(jìn)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并提出相應(yīng)規(guī)劃。綠氫中的水電解制氫很適合與可再生能源構(gòu)建自體的能源儲(chǔ)備系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)包括存儲(chǔ)范圍大、應(yīng)用范圍廣等。

1 氫氣的來(lái)源

在氫氣制取上，目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。其中，化石能源制氫通過(guò)裂解煤炭或者天然氣獲得氫氣，俗稱“藍(lán)氫”。工業(yè)副產(chǎn)制氫則是對(duì)焦炭、純堿等行業(yè)的副產(chǎn)物進(jìn)行提純獲取氫氣，俗稱“灰氫”。本質(zhì)上兩者的氫氣來(lái)源仍為傳統(tǒng)的化石燃料。雖然通過(guò)碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，但長(zhǎng)期來(lái)看只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。

目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來(lái)源。根據(jù) IRENA 的測(cè)算，全球僅有 4%的氫氣來(lái)自電解水制氫，其余均來(lái)自煤炭、天然氣以及石油煉化領(lǐng)域。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游：氫生產(chǎn)與供應(yīng)；中游：燃料電池及核心零部件；下游：燃料電池應(yīng)用。而在“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)下，目前國(guó)內(nèi)煤制氫的占比超過(guò) 60%，電解水制氫的比例則不到 2%。可再生能源制氫仍然任重道遠(yuǎn)，未來(lái)的發(fā)展空間巨大。

1）化石能源制氫或者是化工副產(chǎn)，這個(gè)大概念下涵蓋了幾乎所有的通過(guò)以碳基能源為原料進(jìn)行各種裂解來(lái)獲得氫氣，無(wú)論“灰藍(lán)”，本質(zhì)差異就是是否對(duì)碳基能源中的碳進(jìn)行捕捉和收集，最終轉(zhuǎn)變成工業(yè)氣體進(jìn)行利用或者封存。

這個(gè)路徑的氫氣來(lái)源比重會(huì)逐步調(diào)整但大概率永遠(yuǎn)不會(huì)消失。一是富煤、缺油、少氣的能源基本面決定的，再生能源可以逐步提高比重，但不可能完整替代；二是整個(gè)化工產(chǎn)業(yè)也是會(huì)永遠(yuǎn)存在，盡管未來(lái)可能有不同的形態(tài)出現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中如果“氫氣”能產(chǎn)生它的附加價(jià)值，那就沒(méi)有不存在的道理。對(duì)于二氧化碳捕捉的問(wèn)題，目前CO2捕捉和利用的方式有很多，但有一個(gè)路徑需要特別關(guān)注[3]。將CO2模擬在大氣中的混合成分狀態(tài)下和水發(fā)生催化電解，獲得氫氣、氧氣、一氧化碳。同時(shí)產(chǎn)生三種工業(yè)氣體，方程式如下：CO2+H2O=H2+O2+CO，這種方式不需要高純度的CO2，可以模擬在各種化工或者電力場(chǎng)景下的CO2收集直接加工成可再利用的工業(yè)氣體。

2）以水為原材料、采用電解或者光解或者熱解等方式，脫離碳基能源為原料的方式。這個(gè)路徑上產(chǎn)生的氫氣一般統(tǒng)稱為“綠氫”。

3）其他方式：如生物質(zhì)、廢棄物制氫等方式，暫且忽略催化手段，本質(zhì)上要根據(jù)產(chǎn)生氫氣的直接物質(zhì)是碳基還是水基以及用來(lái)水解的能量來(lái)源是否清潔來(lái)區(qū)分定義為最佳方式。

2 綠氫的本質(zhì)和意義

從全球范圍的政策以及各種研報(bào)以及前沿研究等來(lái)看，綠氫逃離不開(kāi)是以再生能源或清潔能源為能量來(lái)源進(jìn)行水電解獲得氫氣以及副產(chǎn)氧氣，至于水電解的能量和催化方式可以是多元化的組合[4]。

綠氫的基本面是基于再生能源的利用，忽略再生能源裝備制造以及水電解制氫設(shè)備生產(chǎn)的碳足跡，基于取之不盡用之不竭的再生能源轉(zhuǎn)化成氫氣這個(gè)過(guò)程是脫碳的，所以稱之為綠氫。當(dāng)然核能作為一種特殊的能源，用其來(lái)水電解制氫，這種途徑的來(lái)源定義成綠氫也可勉強(qiáng)說(shuō)得過(guò)去[5]。

隨著人類社會(huì)能源形式從柴薪到煤炭到油氣，再到低碳可再生能源的演變，能源作為人類生存和發(fā)展的基石，向來(lái)都是全球各個(gè)區(qū)域體關(guān)注和爭(zhēng)奪的主要物質(zhì)，未來(lái)對(duì)相對(duì)無(wú)形的再生能源轉(zhuǎn)化成的相對(duì)有形的能源體掌控也不會(huì)例外[6]。再生能源和其他能源一樣也存在地域分配不均的問(wèn)題，所以針對(duì)如何轉(zhuǎn)變?cè)偕茉闯捎行蔚奈镔|(zhì)，如何解決大距離、跨地域的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸也成了關(guān)注的重點(diǎn)。

制約綠氫發(fā)展的因素是成本，綠氫生產(chǎn)成本中占比最高的為電力和電解槽，占比分別為50%和40%，所以降低電價(jià)和電解槽成本是中國(guó)實(shí)現(xiàn)綠氫工業(yè)化、規(guī)模化的兩大核心環(huán)節(jié)。隨著光伏、風(fēng)電的進(jìn)一步降本，到 2030 年國(guó)內(nèi)部分可再生資源優(yōu)勢(shì)區(qū)域，其度電成本到達(dá)到 0.1～0.15 元/kW·h，電解槽目前單位造價(jià)2 500元/W；隨著更大的槽體、更優(yōu)質(zhì)的制造工藝，以及技術(shù)環(huán)節(jié)的精進(jìn)和材料的優(yōu)化，有望降至1 300元/W。屆時(shí)，綠氫成本將從 2020 年的 30.8 元/kg 快速降至 16.9 元/kg，實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià)。這種上游原材料的平價(jià)前景一旦達(dá)成，意味著氫能源的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。

3 綠氫的價(jià)值

1）以當(dāng)下來(lái)看，基于電價(jià)或者接近于零成本的電價(jià)（0.2元/kW·h以內(nèi)）才可能和現(xiàn)有的灰藍(lán)氫一較高下。如果僅以淺顯和粗暴的對(duì)比綠氫似乎沒(méi)有未來(lái)，但是賦予其另外一種意義，即不需要額外的碳排，也意味著當(dāng)真正全球交易市場(chǎng)追蹤所有交易物品的碳足跡時(shí)，再額外地征收高額碳稅，這個(gè)時(shí)候綠氫的價(jià)值就不是其他所能比擬的。

丁達(dá)一副沮喪的樣子，頭都懶得抬起來(lái)，任由臉朝下埋在地上。盡管希望渺茫，他還是忍不住問(wèn)道：“鏡心羽衣，你呢？你也像壺天曉一樣，把我看透了嗎？你們智能生物都是這樣先斬后奏嗎？”

2）盡管當(dāng)下碳排的追溯和結(jié)算體制還在摸索和建立的過(guò)程中；也盡管這件事在全球范圍內(nèi)會(huì)不會(huì)有很多的約束力也是未知數(shù)，但低碳或者脫碳已經(jīng)是全球主要國(guó)家體的基本共識(shí)。

3）在通過(guò)累積大容量裝機(jī)堆出來(lái)的再生能源無(wú)法在高峰出力階段完整消納的問(wèn)題也需要一個(gè)出口，要想再生能源裝機(jī)量能被最大可能的利用背景下，跨季的儲(chǔ)能尤為重要，至少當(dāng)下除了“綠氫”還沒(méi)看到更好的載體，盡管再生能源——?dú)錃猓ɑ蛘邭涞妮d體）—電這個(gè)環(huán)節(jié)還有很多問(wèn)題沒(méi)有克服，但大體上的方向和趨勢(shì)是清晰的。氫氣在跨季節(jié)儲(chǔ)能的示范和應(yīng)用在歐洲已經(jīng)有部分家庭或者社區(qū)的應(yīng)用案例，采用蓄電池進(jìn)行短儲(chǔ)，采用氫氣進(jìn)行跨季儲(chǔ)被證明是有效可行的方式[7]。

4 綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景

綠氫的應(yīng)用一是作為再生能源的載體；二是部分替代原有的灰藍(lán)氫氣作為一種珍貴工業(yè)原料，比如在化工加氫合成、半導(dǎo)體、特殊燃料、浮法玻璃、新材料、冶煉鋼鐵等行業(yè)；當(dāng)然也包括“氫健康”產(chǎn)業(yè)。

總之，綠氫不僅可以部分替代原有的一些使用場(chǎng)景，更重要的是擔(dān)當(dāng)再生能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的角色之 大任。

5 如何實(shí)現(xiàn)再生能源資源的再分配問(wèn)題

當(dāng)下比較熱的名詞“液態(tài)陽(yáng)光”和“氨能”也是這種原理，液態(tài)陽(yáng)光的基本邏輯是采用再生能源綠氫和CO2合成綠色甲醇，然后把甲醇作為燃料、工業(yè)原料或者重整成氫氣實(shí)現(xiàn)氫氣額遠(yuǎn)距離輸送和便于存儲(chǔ)之目的?！鞍蹦堋币卜Q之為氫能2.0，也是基于綠氫的再加工，和“液態(tài)陽(yáng)光”有異曲同工之妙。

以上兩種方式表面上看起來(lái)是在解決氫氣的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。也看起來(lái)比現(xiàn)有的高壓氣態(tài)、超高壓氣態(tài)、液氫、固體儲(chǔ)氫（含配位儲(chǔ)氫）、有機(jī)物儲(chǔ)氫等有更高的儲(chǔ)氫密度，但當(dāng)下的轉(zhuǎn)換效率以及經(jīng)濟(jì)賬仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智，當(dāng)然現(xiàn)狀都是基于一個(gè)規(guī)模下的成本預(yù)測(cè)都會(huì)有些偏頗。

放在全球?qū)用鎭?lái)看，實(shí)現(xiàn)綠氫跨區(qū)域的運(yùn)輸其更大意義在于實(shí)現(xiàn)了再生能源的再分配。這一點(diǎn)的屬性對(duì)于能源的利用和開(kāi)發(fā)具有極大的意義。如果再生能源是未來(lái)的能源主體之一，各區(qū)域體對(duì)其的控制和爭(zhēng)奪激烈程度和任何一種形式的能源爭(zhēng)奪方式并無(wú)二般。

6 儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵指標(biāo)：?jiǎn)挝惑w積密度

氫氣在元素周期表位于第一位，意味著其質(zhì)量小，體積小，因此密度低。氫氣的性質(zhì)十分活躍，很容易泄漏和爆炸，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程消耗也大，所以在儲(chǔ)氫罐投入的安全設(shè)計(jì)、存量設(shè)計(jì)成本很高。因此，相較于石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，氫氣在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)具有天然的劣勢(shì)，發(fā)展進(jìn)度緩慢。如果按照方式劃分，氫氣儲(chǔ)運(yùn)可分為氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以及固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種。

氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的成本較低、充放氫速度較快，但儲(chǔ)氫密度與運(yùn)輸半徑較為有限，所以適用于短途運(yùn)輸。氫氣氣態(tài)經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑局限在200km以內(nèi)，每公斤氫運(yùn)輸成本為2元，0～100km運(yùn)輸成本是4元/kg，運(yùn)輸壓縮氫氣的魚(yú)雷車每車僅可運(yùn)300kg。

中長(zhǎng)距離大規(guī)模運(yùn)輸考慮管道和液氫運(yùn)輸，液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的儲(chǔ)氫密度較大，但設(shè)備投資與能耗成本較高；固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)則在潛艇等特殊領(lǐng)域有所應(yīng)用，整體仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段。因此，只要是運(yùn)氫氣，總會(huì)面臨這個(gè)問(wèn)題：怎樣在儲(chǔ)運(yùn)瓶里裝更多的氫氣？這又延伸出一條技術(shù)路線：如何增加氫氣單位體積密度。但這個(gè)問(wèn)題，并不能只靠單一環(huán)節(jié)解決，它需要一整套體系的匹配。

與電解水制氫類似，產(chǎn)業(yè)化程度的提升將有效降低氫氣儲(chǔ)運(yùn)的成本，儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與完善是后續(xù)氫能規(guī)?；l(fā)展的前提?？紤]到未來(lái)氫能的終端應(yīng)用場(chǎng)景將更為豐富，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)也將朝多層次、體系化的方向演進(jìn)。氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)方面就是增壓減重，從儲(chǔ)氫密度、輕量化等角度出發(fā)，提升技術(shù)及相應(yīng)材料。

液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)可以有效增加運(yùn)輸量，達(dá)到氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的10倍，也是一個(gè)很好的方向，目前國(guó)外技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在航空領(lǐng)域，未來(lái)隨著規(guī)模化開(kāi)展以及技術(shù)成熟，商用/民用有望得到進(jìn)一步發(fā)展。另外就是建立輸氫管道，加強(qiáng)基礎(chǔ)建設(shè)。而終端用氫需求，加氫站是必不可少的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

新能源的商業(yè)化應(yīng)用一定是基礎(chǔ)建設(shè)先行，加氫基礎(chǔ)建設(shè)是未來(lái)中國(guó)新基建的重點(diǎn)內(nèi)容，隨著氫燃料電池汽車應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，加氫站的市場(chǎng)需求也逐步提升。

目前加氫站建設(shè)成本仍然過(guò)高，隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備突破和規(guī)?；a(chǎn)，加氫成本會(huì)大幅下降，預(yù)計(jì)2050年成本為800萬(wàn)左右，將達(dá)到1.2萬(wàn)座，在2050年達(dá)到千億元的市場(chǎng)規(guī)模。

新能源能否大力發(fā)展下去不只要看其物理、化學(xué)屬性，也要看商用場(chǎng)景，氫能源車就是最有發(fā)展前景的應(yīng)用，新能源車的動(dòng)力是最核心的環(huán)節(jié)，同時(shí)適用于氫能能源。

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)氫氣不再是氫氣，而是一種再生能源的載體，甚至是未來(lái)的主要能源形式之一，那其本身的屬性也發(fā)生了質(zhì)的變化，衡量其的價(jià)值或者是定價(jià)規(guī)則也不僅是當(dāng)下的基礎(chǔ)電價(jià)和電解槽設(shè)備的攤銷，更多的可能是一種國(guó)際認(rèn)可與能源消耗的關(guān)注與創(chuàng)新。