氢能技术发展趋势与展望

　　1、氢能发展的背景

　　氢是重要工业原料，在合成氨、合成甲醇、石油炼化中广泛使用，也是金属冶炼的重要原料，广泛用于钨、钼、钴、铁等金属和锗、硅的生产。根据国际能源署(IEA)统计数据，中国2020年氢气生产和消费量约3300万吨，生产方面绝大多数来自于煤、天然气等化石能源，消费方面主要是合成氨、合成甲醇、石油炼化等。

　　图1 中国氢气生产与消费结构

　　(资料来源：国际能源署《中国耦合CCUS制氢机遇》)

　　传统的氢工业，以集中的工业园区建设为主，制氢和用氢统一在园区内，在有限地理空间内实现系统集成，即完成了氢的制、储、用的产业链条闭环。而随着以燃料电池汽车产业为代表的移动氢用户的兴起，打破了传统氢工业有限地理空间的限制，氢从工业原料属性逐渐兼具能源属性，同时对储运的需求也应运而生。在双碳战略背景下，一方面，以风光等绿电制氢替代传统化石能源制氢，是实现传统氢工业减碳的关键技术路径;另一方面，氢的高质量能量密度，为风光等高波动性电源的消纳和储存提供了可选方案;氢与电的深度耦合，使得氢的能源属性进一步明确，“氢能”的内涵和场景由此定性和确立。

　　在氢能场景下，氢制取方面，风光等绿电制氢区别于传统的化石能源制氢，技术上面临电源高波动性的问题，成本上面临传统制氢方式比价问题。氢储运方面，燃料电池汽车移动氢用户的兴起和风光资源时空分布的广泛性，对氢的储运技术提出了新的要求，大规模、低成本、高效安全的储运技术显得尤为迫切。氢利用方面，对于合成氨、合成甲醇和石油炼化等面临工艺生产流程的重塑，重新达到系统能量和物料的平衡;对于电力方面，氢储能和氢发电等面临技术路线和商业模式的探索;对于交通方面，面临燃料电池技术迭代进步和降成本等问题。在氢能场景下，如何解决和发展氢制、储、用的技术问题，实现产业链条高效、安全和低成本的产业闭环，是行业发展的焦点所在。

　　2、氢能的制取

　　根据氢气制取方式和碳排放情况不同，氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢，其中灰氢是利用煤、天然气等化石燃料制取，碳排放高;蓝氢则利用化石燃料制取，配合CCUS技术，碳排放相对较低;绿氢是通过可再生能源电解制氢，基本实现零碳排放。目前，国内以灰氢为主，而绿氢发展速度最快。根据国家《氢能产业发展中长期规划(2021-2025)》的要求，氢的制取方面“构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，重点发展可再生能源制氢，严控化石能源制氢。”

　　目前，绿氢的主要生产方式为电解水制氢，三种常见的电解水方式如下：

　　碱性电解水制氢是目前使用最广泛的电解水制氢方式;质子交换膜电解水制氢是被认为应对波动性电源极具发展潜力的制氢方式;固体氧化物电解水制氢是效率最高的制氢方式。

　　此外，热化学反应制氢、光解水制氢、生物发酵制氢等新型制氢方式处于理论研究和实验室阶段。

　　对比传统化石燃料制氢，可再生能源制氢技术现阶段并不具备经济性竞争优势，但是考虑减排效益，结合可再生能源的电解水制氢是绿色氢能发展的必然选择。随着可再生能源规模不断扩大，可再生能源电力成本仍会进一步下降，相应的电解水制氢成本也将持续下降。

　　图2 氢气生产成本及碳排放情况对比

　　(资料来源：能源转型委员会《Making the Hydrogen Economy Possible》)

　　3、氢能的储运

　　氢能产业兴起，是以燃料电池汽车产业发展为先导，因此常见的氢气储存方式为移动的气态储氢、液态储氢、固态合金储氢三种方式，重点是安全、低成本地提高质量储氢率问题。

　　随着作为大规模可再生能源消纳与化工生产耦合媒介，对大规模、低成本的储运方式日益迫切，有管道输送、大型储氢罐、地下岩穴储氢等。重点是稳持久的需求，分摊投资成本过高的问题;同时，通过工程示范和科学研究，逐渐完善相关标准体系。

　　鉴于氢气可以和氨、甲醇灵活转化，业内也在探索，利用氨和甲醇成熟的储运体系，完成氢能的储运。关键点在于提升相互转化的效率。

　　图3 各类储氢技术成本及应用场景对比

　　(资料来源：能源转型委员会《Making the Hydrogen Economy Possible》)

　　现阶段，我国主要采用20MPa气态高压储氢与集束管车运输的方式。当用氢规模扩大、运输距离增长后，提高气氢运输压力或采用液氢槽车、输氢管道等运输方案才可以满足高效经济的要求。总体而言，氢的储运体系建设，可以借鉴天然气储运体系，结合实际的应用场景，选择合适的储运方式。

　　4、氢能的利用

　　根据《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》划分标准，氢能应用场景主要包括交通、储能、发电和工业四大类。

　　氢能在交通领域应用包括乘用车、商用车、火车、船舶、航空器等，主要技术涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。目前，PEMFC双极板和催化剂材料的成本占据主导地位，未来技术进步、材料升级以及规模化生产是降成本的重要方式。

　　氢储能是化学储能的一种形式，氢储能可与新型电力系统高度耦合，克服新能源电力储存的难题，实现大规模、长周期、跨季节储能，是少有的能够储存百GWh规模能量以上的储能方式，支撑新能源成为新型电力系统的低碳能源。目前处于起步研究阶段。

　　氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、可再生能源电力并网稳定性问题，有利于提高电网安全性和灵活性，并大幅度降低碳排放。目前，以SOFC燃料电池为主的分布式发电已在欧美日韩等发达国家和地区开始初步商业化。我国分布式电源技术正在加紧应用示范推广，随着技术进步和成本下降，不断向商业化进程推进。掺氢燃气轮机发电，则是另外一个技术方向，目前相比于燃料电池发电，具有较好的成本优势。

　　工业应用方面，目前，95%以上的氢气仍作为原料用于炼化行业加氢精炼以及化工行业合成氨、合成甲醇等。未来，氢气作为化工原料仍将是其主要用途，但是氢的来源将从目前以化石能源制氢为主即“灰氢”向可再生能源电解水生产的“绿氢”转变。绿氢化工(绿氢替代灰氢)是实现这些行业深度脱碳的重要途径。

　　5、前景展望

　　2023年全球氢能发展继续加速，清洁氢能作为实现“碳达峰、碳中和”重要抓手的定位更加明确。随着技术研发和产业资本的持续投入，未来十年将是全球氢能产业快速发展的重大机遇期。我国是世界第一大能源生产和消费国，“多煤贫油少气”的能源结构特点，使我国在应对气候变化、环境保护、能源安全等方面存在严峻挑战，而氢能的巨大发展潜力则为我国的能源清洁转型提供了新的解决方案。氢能产业链涉及制备-储运-加注-利用等多个环节，目前各环节技术成熟度各不相同，亟需政府、企业、行业组织等多方协同发力，从政策引导、技术攻关、标准建设、产业链整合等多维度探索可行的发展模式，培育和壮大氢能产业。