1、氫能發(fā)展的背景
氫是重要工業(yè)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(chǎn)。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)2020年氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)量約3300萬(wàn)噸，生產(chǎn)方面絕大多數(shù)來(lái)自于煤、天然氣等化石能源，消費(fèi)方面主要是合成氨、合成甲醇、石油煉化等。
圖1 中國(guó)氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)
(資料來(lái)源：國(guó)際能源署《中國(guó)耦合CCUS制氫機(jī)遇》)
傳統(tǒng)的氫工業(yè)，以集中的工業(yè)園區(qū)建設(shè)為主，制氫和用氫統(tǒng)一在園區(qū)內(nèi)，在有限地理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，即完成了氫的制、儲(chǔ)、用的產(chǎn)業(yè)鏈條閉環(huán)。而隨著以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)為代表的移動(dòng)氫用戶的興起，打破了傳統(tǒng)氫工業(yè)有限地理空間的限制，氫從工業(yè)原料屬性逐漸兼具能源屬性，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)的需求也應(yīng)運(yùn)而生。在雙碳戰(zhàn)略背景下，一方面，以風(fēng)光等綠電制氫替代傳統(tǒng)化石能源制氫，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)氫工業(yè)減碳的關(guān)鍵技術(shù)路徑;另一方面，氫的高質(zhì)量能量密度，為風(fēng)光等高波動(dòng)性電源的消納和儲(chǔ)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(jìn)一步明確，“氫能”的內(nèi)涵和場(chǎng)景由此定性和確立。
在氫能場(chǎng)景下，氫制取方面，風(fēng)光等綠電制氫區(qū)別于傳統(tǒng)的化石能源制氫，技術(shù)上面臨電源高波動(dòng)性的問(wèn)題，成本上面臨傳統(tǒng)制氫方式比價(jià)問(wèn)題。氫儲(chǔ)運(yùn)方面，燃料電池汽車移動(dòng)氫用戶的興起和風(fēng)光資源時(shí)空分布的廣泛性，對(duì)氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)提出了新的要求，大規(guī)模、低成本、高效安全的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)顯得尤為迫切。氫利用方面，對(duì)于合成氨、合成甲醇和石油煉化等面臨工藝生產(chǎn)流程的重塑，重新達(dá)到系統(tǒng)能量和物料的平衡;對(duì)于電力方面，氫儲(chǔ)能和氫發(fā)電等面臨技術(shù)路線和商業(yè)模式的探索;對(duì)于交通方面，面臨燃料電池技術(shù)迭代進(jìn)步和降成本等問(wèn)題。在氫能場(chǎng)景下，如何解決和發(fā)展氫制、儲(chǔ)、用的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈條高效、安全和低成本的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，是行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)所在。
2、氫能的制取
根據(jù)氫氣制取方式和碳排放情況不同，氫氣分為灰氫、藍(lán)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(lán)氫則利用化石燃料制取，配合CCUS技術(shù)，碳排放相對(duì)較低;綠氫是通過(guò)可再生能源電解制氫，基本實(shí)現(xiàn)零碳排放。目前，國(guó)內(nèi)以灰氫為主，而綠氫發(fā)展速度最快。根據(jù)國(guó)家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2025)》的要求，氫的制取方面“構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)控化石能源制氫。”
目前，綠氫的主要生產(chǎn)方式為電解水制氫，三種常見(jiàn)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(zhì)子交換膜電解水制氫是被認(rèn)為應(yīng)對(duì)波動(dòng)性電源極具發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞?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(xué)反應(yīng)制氫、光解水制氫、生物發(fā)酵制氫等新型制氫方式處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室階段。
對(duì)比傳統(tǒng)化石燃料制氫，可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)階段并不具備經(jīng)濟(jì)性競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但是考慮減排效益，結(jié)合可再生能源的電解水制氫是綠色氫能發(fā)展的必然選擇。隨著可再生能源規(guī)模不斷擴(kuò)大，可再生能源電力成本仍會(huì)進(jìn)一步下降，相應(yīng)的電解水制氫成本也將持續(xù)下降。
圖2 氫氣生產(chǎn)成本及碳排放情況對(duì)比
(資料來(lái)源：能源轉(zhuǎn)型委員會(huì)《Making the Hydrogen Economy Possible》)
3、氫能的儲(chǔ)運(yùn)
氫能產(chǎn)業(yè)興起，是以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展為先導(dǎo)，因此常見(jiàn)的氫氣儲(chǔ)存方式為移動(dòng)的氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)合金儲(chǔ)氫三種方式，重點(diǎn)是安全、低成本地提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫率問(wèn)題。
隨著作為大規(guī)?？稍偕茉聪{與化工生產(chǎn)耦合媒介，對(duì)大規(guī)模、低成本的儲(chǔ)運(yùn)方式日益迫切，有管道輸送、大型儲(chǔ)氫罐、地下巖穴儲(chǔ)氫等。重點(diǎn)是穩(wěn)持久的需求，分?jǐn)偼顿Y成本過(guò)高的問(wèn)題;同時(shí)，通過(guò)工程示范和科學(xué)研究，逐漸完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。
鑒于氫氣可以和氨、甲醇靈活轉(zhuǎn)化，業(yè)內(nèi)也在探索，利用氨和甲醇成熟的儲(chǔ)運(yùn)體系，完成氫能的儲(chǔ)運(yùn)。關(guān)鍵點(diǎn)在于提升相互轉(zhuǎn)化的效率。
圖3 各類儲(chǔ)氫技術(shù)成本及應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比
(資料來(lái)源：能源轉(zhuǎn)型委員會(huì)《Making the Hydrogen Economy Possible》)
現(xiàn)階段，我國(guó)主要采用20MPa氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞健．?dāng)用氫規(guī)模擴(kuò)大、運(yùn)輸距離增長(zhǎng)后，提高氣氫運(yùn)輸壓力或采用液氫槽車、輸氫管道等運(yùn)輸方案才可以滿足高效經(jīng)濟(jì)的要求?？傮w而言，氫的儲(chǔ)運(yùn)體系建設(shè)，可以借鑒天然氣儲(chǔ)運(yùn)體系，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的儲(chǔ)運(yùn)方式。
4、氫能的利用
根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》劃分標(biāo)準(zhǔn)，氫能應(yīng)用場(chǎng)景主要包括交通、儲(chǔ)能、發(fā)電和工業(yè)四大類。
氫能在交通領(lǐng)域應(yīng)用包括乘用車、商用車、火車、船舶、航空器等，主要技術(shù)涉及質(zhì)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(jù)主導(dǎo)地位，未來(lái)技術(shù)進(jìn)步、材料升級(jí)以及規(guī)?；a(chǎn)是降成本的重要方式。
氫儲(chǔ)能是化學(xué)儲(chǔ)能的一種形式，氫儲(chǔ)能可與新型電力系統(tǒng)高度耦合，克服新能源電力儲(chǔ)存的難題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)周期、跨季節(jié)儲(chǔ)能，是少有的能夠儲(chǔ)存百GWh規(guī)模能量以上的儲(chǔ)能方式，支撐新能源成為新型電力系統(tǒng)的低碳能源。目前處于起步研究階段。
氫能發(fā)電可以用來(lái)解決電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源電力并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，有利于提高電網(wǎng)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(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始初步商業(yè)化。我國(guó)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(jìn)步和成本下降，不斷向商業(yè)化進(jìn)程推進(jìn)。摻氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，則是另外一個(gè)技術(shù)方向，目前相比于燃料電池發(fā)電，具有較好的成本優(yōu)勢(shì)。
工業(yè)應(yīng)用方面，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(lái)，氫氣作為化工原料仍將是其主要用途，但是氫的來(lái)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(shí)現(xiàn)這些行業(yè)深度脫碳的重要途徑。
5、前景展望
2023年全球氫能發(fā)展繼續(xù)加速，清潔氫能作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”重要抓手的定位更加明確。隨著技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來(lái)十年將是全球氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重大機(jī)遇期。我國(guó)是世界第一大能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，“多煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使我國(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化、環(huán)境保護(hù)、能源安全等方面存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而氫能的巨大發(fā)展?jié)摿t為我國(guó)的能源清潔轉(zhuǎn)型提供了新的解決方案。氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及制備-儲(chǔ)運(yùn)-加注-利用等多個(gè)環(huán)節(jié)，目前各環(huán)節(jié)技術(shù)成熟度各不相同，亟需政府、企業(yè)、行業(yè)組織等多方協(xié)同發(fā)力，從政策引導(dǎo)、技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)鏈整合等多維度探索可行的發(fā)展模式，培育和壯大氫能產(chǎn)業(yè)。
評(píng)論