美國(guó)能源部日前發(fā)布《氫能項(xiàng)目計(jì)劃2020》（下稱“《計(jì)劃》”），為美國(guó)的氫能研究、開發(fā)和示范應(yīng)用提供了戰(zhàn)略支撐。
《計(jì)劃》指出，美國(guó)政府致力于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)，并將加大示范和部署力度，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?。根據(jù)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室預(yù)測(cè)，到2050年，美國(guó)本土氫能需求將增至4100萬(wàn)噸/年，占未來(lái)能源消費(fèi)總量的14%。
與其他能源不同的是，氫能需要化石能源、核能與可再生能源系統(tǒng)的整合。因此，美國(guó)能源部將協(xié)同下屬所有能源部門，合作推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《計(jì)劃》介紹了美國(guó)能源部氫能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及美國(guó)氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和應(yīng)用的現(xiàn)狀及未來(lái)規(guī)劃。
美國(guó)氫能商業(yè)化應(yīng)用初具規(guī)模
經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，美國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)已逐漸從專業(yè)化應(yīng)用過(guò)渡到商業(yè)化應(yīng)用。目前，美國(guó)已經(jīng)在數(shù)以千計(jì)的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動(dòng)力裝置中應(yīng)用了燃料電池，并已建成145個(gè)加氫站（包括試驗(yàn)項(xiàng)目）。
在發(fā)電方面，以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機(jī)也已經(jīng)進(jìn)入到商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。在過(guò)去的20年里，美國(guó)能源部在氫能和相關(guān)領(lǐng)域投資了超過(guò)40億美元，主要包括氫氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、以及燃料電池和氫能渦輪機(jī)發(fā)電等技術(shù)的研發(fā)。這些研究成果與工業(yè)項(xiàng)目相結(jié)合，取得了許多成功，例如：應(yīng)用配備碳捕獲和儲(chǔ)氫裝置的制氫技術(shù)，以低于2美元/公斤的成本生產(chǎn)無(wú)碳?xì)?；燃料電池的制造成本降低?0%，耐久性提高了四倍。截止目前，美國(guó)能源部已頒發(fā)了1100多項(xiàng)美國(guó)專利，并在市場(chǎng)上推出了30多項(xiàng)商業(yè)技術(shù)。
當(dāng)前美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)瓶頸主要集中在各環(huán)節(jié)的成本、耐久性、安全性以及缺乏基礎(chǔ)設(shè)施等方面。為了實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)化，氫能應(yīng)用必須拓展更大的市場(chǎng)，并且能夠在成本、壽命、性能、耐久性和環(huán)境影響等方面得到提高，同時(shí)也需要解決非技術(shù)性的障礙，例如制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，完善安全測(cè)試，最終建立一個(gè)健全的氫能供應(yīng)和應(yīng)用體系。
多年來(lái)，美國(guó)能源部為滿足每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵需求，已經(jīng)開發(fā)了一些技術(shù)選項(xiàng)（如表1）。
表1 美國(guó)氫能近中遠(yuǎn)期關(guān)鍵技術(shù)選項(xiàng)
產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：降成本、提性能、擴(kuò)應(yīng)用
美國(guó)能源部將聯(lián)合工業(yè)部、科技部、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、聯(lián)邦和國(guó)際機(jī)構(gòu)以及其他相關(guān)機(jī)構(gòu)共同推進(jìn)氫能項(xiàng)目計(jì)劃。
美國(guó)能源部的最終目標(biāo)是以多種資源和多種途徑制氫，并在各種規(guī)模下（從小型分布式到大規(guī)模制氫），都能以最低的成本生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用氫能。
表2 美國(guó)氫能消費(fèi)現(xiàn)狀和未來(lái)消費(fèi)預(yù)測(cè)（百萬(wàn)噸/年）
美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還對(duì)氫能消費(fèi)情景進(jìn)行了評(píng)估和預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，到2050年美國(guó)的氫能需求或?qū)⒃鲩L(zhǎng)至4100萬(wàn)噸/年，是當(dāng)前消費(fèi)量的4倍。而隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，氫能的消費(fèi)潛力還將繼續(xù)增長(zhǎng)，初步預(yù)計(jì)2050年氫能將占美國(guó)總能源消費(fèi)需求的14%。
圖1 美國(guó)工業(yè)、運(yùn)輸、儲(chǔ)能行業(yè)中氫能消費(fèi)潛力
探索氫能大規(guī)模綜合利用系統(tǒng)
《計(jì)劃》中列舉了當(dāng)前美國(guó)能源部氫能項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)、需求和挑戰(zhàn)，涉及氫氣生產(chǎn)、輸送、儲(chǔ)存、能量轉(zhuǎn)化、終端應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)和教育相關(guān)的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。
《計(jì)劃》中還重點(diǎn)提及了氫能在混合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。廣義而言，混合能源系統(tǒng)（HES）將發(fā)電、儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)總體控制系統(tǒng)將這些技術(shù)集成在一起。與獨(dú)立能源系統(tǒng)相比，混合能源系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的性能和更低成本（如圖2）。HES中集成的氫能技術(shù)在電網(wǎng)和非電網(wǎng)電力應(yīng)用中都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：中長(zhǎng)期/季節(jié)性儲(chǔ)能；利用電解槽快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)峰功能；生產(chǎn)氫氣、其他氫基燃料、化學(xué)品及其他多種產(chǎn)品的能力。
圖2 混合氫能系統(tǒng)示例
隨著電網(wǎng)的發(fā)展，各種可再生能源的滲透性越來(lái)越高，電網(wǎng)集成氫能相關(guān)技術(shù)可以提供儲(chǔ)能和其他電網(wǎng)功能：通過(guò)電解產(chǎn)生的氫氣可以作為一種雙向儲(chǔ)能載體，通過(guò)燃料電池或燃燒渦輪機(jī)等低排放發(fā)電技術(shù)，按需將其轉(zhuǎn)換回電能；也可用于單向化學(xué)能源應(yīng)用，例如注入天然氣管道基礎(chǔ)設(shè)施，或作為原料生產(chǎn)氨或甲醇等增值商品；氫能技術(shù)還有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率的輔助功能。
目前，美國(guó)能源部正在與電力公司合作進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以確定將氫能與可再生能源整合在電網(wǎng)、微電網(wǎng)和離網(wǎng)應(yīng)用的最佳配置。
氫能發(fā)展將推動(dòng)美國(guó)能源變革
美國(guó)能源部下屬的可再生能源、化石能源、核能、電力和科技部門參與了此項(xiàng)目。該項(xiàng)目還與其他相關(guān)的部門進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，包括高級(jí)能源項(xiàng)目部門（ARPA-E）；網(wǎng)絡(luò)安全、能源安全和應(yīng)急響應(yīng)部門；以及能源部以外的國(guó)家相關(guān)部門，如儲(chǔ)能技術(shù)，先進(jìn)制造業(yè)、電網(wǎng)現(xiàn)代化、綜合能源系統(tǒng)和人工智能。每一個(gè)部門都管理與其任務(wù)有關(guān)的氫能項(xiàng)目，所有部門經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)合作，以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略管理和項(xiàng)目執(zhí)行的凝聚力。
為了使氫能產(chǎn)業(yè)從專項(xiàng)應(yīng)用過(guò)渡到大眾市場(chǎng)，開發(fā)大規(guī)模制氫、配套設(shè)施、氫能應(yīng)用的技術(shù)和工藝至關(guān)重要。強(qiáng)大的自主供應(yīng)鏈也將確保美國(guó)在全球氫能產(chǎn)業(yè)中處于領(lǐng)先地位。受快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求影響，研發(fā)工作需要克服技術(shù)挑戰(zhàn)并加快進(jìn)展。通過(guò)研發(fā)，將提高氫能產(chǎn)業(yè)的工藝和技術(shù)，并逐漸擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)集成還可以帶來(lái)更多的技術(shù)改進(jìn)，從而進(jìn)一步降低產(chǎn)業(yè)鏈成本。
總的來(lái)說(shuō)，美國(guó)能源部主導(dǎo)的氫能和相關(guān)技術(shù)研發(fā)，在其各部門的一致努力下，以及廣泛的利益相關(guān)者的投入和協(xié)作下，該計(jì)劃的實(shí)施將有助于實(shí)現(xiàn)美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愿景：清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景，并成為美國(guó)能源體系中的重要組成部分，推動(dòng)美國(guó)的能源體系變革。（氫促會(huì)）
評(píng)論