“雙碳”目標下綠色氫能技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

張利軍

摘要：據(jù)統(tǒng)計我國的電力系統(tǒng)每年碳排放占總碳排量的40%，我國近年來提出“碳中和”目標，并初步打算以氫氣作為潛在支撐，助力一些行業(yè)實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，包括電力交通，鋼鐵建筑等。對以上系統(tǒng)進行碳減排，不斷向“雙碳”目標靠近，氫氣在此過程有著重要作用，需要改良傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，建立新型能源系統(tǒng)，尋找新能源代替原有資源，實現(xiàn)資源的可再生，降低化石能源在總能源中的比重，建立現(xiàn)代高效能源體系，貫徹落實好低碳安全，清潔衛(wèi)生目標，助力“碳達峰”與“碳中和”的實現(xiàn)。建立綠色無碳的新產(chǎn)業(yè)鏈，通過可再生資源，知道氫氣及其氫能化合物，解決可再生資源的產(chǎn)出與使用問題，是一條擁有巨大潛力的發(fā)展路線。文章將重點放在我國目前行業(yè)內(nèi)，應用氫能相關產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀以及新發(fā)展，對于氫能關鍵技術，包括制造儲存，應用銷售等環(huán)節(jié)，結合市場新能源需要，研究未來發(fā)展趨勢，針對當下氫能發(fā)展現(xiàn)狀，與應用氫能主要產(chǎn)業(yè)或場景結合，為后續(xù)新能源與氫能的發(fā)展提供參考。

關鍵詞：“雙碳”目標;綠氫;可再生能源;關鍵技術;發(fā)展趨勢

我國原來提出不少政策，指導新能源技術的進步，在此支持下，我國氫能產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，但作為一項新能源技術，產(chǎn)業(yè)核心問題還有待解決，例如氫能材料技術并沒有實現(xiàn)自主研發(fā)，氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施夠理想有待加強等現(xiàn)象。本文將國內(nèi)國外新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息進行動態(tài)捕捉，結合氫能產(chǎn)業(yè)所需關鍵技術，結合未來新能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，對我國新能源產(chǎn)業(yè)在氫能中的投入和產(chǎn)出在具體場景中的使用提出問題與指導，期待對我國在氫能產(chǎn)業(yè)有更多的收獲。

1國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2021年2月22日，國務院發(fā)布《關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》指出，大力發(fā)展氫能，加大加氫等配套設施建設。

隨著氫能政策的制定與完善，大批的氫能示范項目也陸續(xù)開展，部分綠色氫能示范項目和加氫站分布情況如如表1、圖1所示。

2綠色氫能關鍵技術研究

綠色氫能的技術路線如圖2所示，

2.1綠色制氫技術

2.1.1電解水制氫

電解水技術設備簡單、技術成熟、無污染，由于其成本相對較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術的商業(yè)化推廣。

具體分析如下：

（1）堿性電解水制氫技術發(fā)展最為成熟，制氫成本也相對較低，已基本實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應用，但是能效較低;

（2）PEM制氫技術具有更寬泛的運行功率范圍及更短的啟動時間，可實現(xiàn)高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實現(xiàn)高壓化，能夠很好適應可再生能源的波動性，國外發(fā)展較為成熟，已開始商業(yè)應用，但在我國基本處于實驗研發(fā)階段;

（3）SOEC電解水制氫技術目前國內(nèi)外均處于研發(fā)階段。有研究發(fā)現(xiàn)SOEC可在動態(tài)電力輸出下工作，并不會有明顯衰減。

（4）堿性電解水制氫成本有限，后期的研究重點將在于成本、效率和靈活性之間的平衡。

（5）固體氧化物制氫技術是能耗最低、能量轉(zhuǎn)換效率最高的電解水制氫技術，隨著技術的突破有望實現(xiàn)大規(guī)模供應。

2.1.2太陽能制氫技術

目前，太陽能制氫技術主要有光催化法制氫、化學制氫、人工光合作用制氫等。

（1）光催化分解水制氫的過程比較復雜，當太陽光照射光催化劑受時，光催化劑進行捕獲、吸收、產(chǎn)生激子，少量存在的激子向表面發(fā)生遷移，遷移到反應活性中心分解水產(chǎn)生氫氣。光催化劑制氫有優(yōu)缺點并存，光催化劑可通過多種材料制造氫，但轉(zhuǎn)換率無法保證，轉(zhuǎn)化率普遍偏低。所以重點研究光催化制氫技術，將目標放在光催化劑的改良上，以穩(wěn)定性，活性，成本作為挑選標準。

（2）熱化學制氫技術，利用聚光器加熱水，當溫度達到2500K以上時分解為氫氣和氧氣。熱化學制氫技術方法簡單，效率高，但是需要高倍聚光器才能獲得分解需要的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，熱化學制氫技術在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求。

（3）植物在太陽能下進行光合作用，這種模式人工光合作用可以模仿，用來改良氫制造技術，此過程的最大優(yōu)點為，操作簡單，知青效率有保證，且不會造成環(huán)境污染。但發(fā)展緩慢，轉(zhuǎn)化效率不理想也是缺點。

2.1.3生物質(zhì)制氫技術

微生物法制氫技術包括光發(fā)酵法制氫、暗發(fā)酵法制氫和光合生物制氫。

（1）熱化學轉(zhuǎn)化法制氫技術包括生物質(zhì)氣化法制氫、生物質(zhì)熱解法制氫、生物質(zhì)超臨界法制氫。

（2）微生物法制氫技術與生物質(zhì)超臨界法制氫技術尚處于實驗室研究階段。生物質(zhì)氣化法制氫的關鍵氣化技術雖已成熟，但由于生物質(zhì)氣化規(guī)模小，目前還沒有生物質(zhì)氣化制氫工業(yè)化裝置建設。

2.2氫能儲運技術

儲氫技術闡述如下：低溫液態(tài)儲氫，此項儲存技術在許多發(fā)達國家，例如美國，日本等得到廣泛商業(yè)化應用。但我國在此方面要求較為嚴格，此項技術僅應用于航空航天領域，軍事領域中也有所涉及。

高壓氣態(tài)儲氫，此儲存對核心設備要求較高，氫透平膨脹機是第一核心設備，低溫閥門是第二核心設備，我國有技術無法生產(chǎn)相應標準設備，對進口依賴較大。與國外技術與裝備相比，我國在液氫儲罐制造方面能力也有所缺失。

金屬或合金物理儲存氫技術，將氫氣以固態(tài)方式儲存，但在運輸方面有一定困難，燃料電池車為發(fā)展到一定規(guī)模，使得氫氣運輸?shù)氖袌鲆筝^低，氫氣加油站較為分散稀少，長管拖車作為氫氣的主要運輸工具，其優(yōu)點在于，技術成熟，運輸快捷，補幾方便。普遍應用于國內(nèi)外加氫站氫氣的補給。

3綠色氫能發(fā)展趨勢及典型場景展望

3.1綠氫關鍵技術發(fā)展趨勢

3.1.1綠色制氫發(fā)展趨勢

我國制氫產(chǎn)業(yè)有以下困難，基礎設施不達標，能量大量耗損，生產(chǎn)成本較高。制氫成本的75%～85%，小號在電解水制氫過程中，電力耗損巨大。電價也有波動不穩(wěn)定性，這與經(jīng)濟性在綠色氫能中的體現(xiàn)直接掛鉤。國家不斷出臺減排政策，并對碳排量做出承諾，有國家發(fā)展政策來支撐新能源系統(tǒng)，新能源發(fā)電成本不斷降低，且有風電和光伏，越來越多的研究使制氫技術得到眾多關注，并出臺眾多扶持政策，投入資金也十分可觀。在優(yōu)良環(huán)境下，制氫技術的進步會不斷加快，開發(fā)效率也會逐步提高，晚上我國新能源缺口，并充分利用太陽能的作用。

3.1.2氫氣儲運發(fā)展趨勢

在儲氫技術中，行業(yè)普遍采用高壓氣態(tài)儲氫方式，我國在儲存方的優(yōu)勢為國產(chǎn)化容器罐體材料可大規(guī)模生產(chǎn)，但劣勢在于美國和日本發(fā)達國家壟斷了關鍵設備材料，高性能碳纖材料仍需依賴對外進口。低溫液態(tài)儲氫技術未來發(fā)展較為平緩，原因在于此項技術難度系數(shù)較大，絕緣材料投入巨大，液化成本不可估計，能量消耗較為嚴重。以上對液體儲氫技術的優(yōu)缺點進行說明，小規(guī)模示范研究在我國某些地區(qū)已經(jīng)開展。與傳統(tǒng)氣態(tài)和液態(tài)儲氫技術相比，固態(tài)儲氫技術安全性好，儲清量較大，方便后續(xù)操作。未來發(fā)展前景十分廣闊，特別是后續(xù)在生產(chǎn)成本控制，設備與材料能夠方便使用，儲氫方式由多種歸納為以固態(tài)儲氫為主要方式。氫燃料應用于電池汽車中，得到一定推廣，但仍處于示范運行階段。我國汽車行業(yè)對氫氣需求量不高，因此現(xiàn)階段氫氣需求可通過場館拖車運輸氫氣，在加氫站中實現(xiàn)氫氣的自由補給。但未來氫氣需求量，會隨著燃料電池車的不斷推廣和普及加大，基礎設施輔助氫氣的補給會逐漸完善，滿足氫氣運輸方式，通過管道運輸，逐漸形成規(guī)模，提高氫氣新能源的經(jīng)濟性。

3.2綠氫典型應用場景展望

3.2.1海上風電氫能耦合應用場景

海洋能源應用范圍較廣，利用效率可以通過海上風電與氫能耦合提高，作為能源運輸新思路，幫助海上風電的消納順利進行。如圖三所示，將此種技術的應用場景進行展示，你線路圖方式說明技術線路的具體位置。一條技術線路通過海水淡化分解間接制造氫能;另一條技術線路通過利用咸水實現(xiàn)氫能的直接轉(zhuǎn)換。前者技術比后者成熟。但制氫成本也隨著海水淡化需求而增加，咸水制氫在技術上還有所不足，需要研究關鍵材料和催化劑，實現(xiàn)技術上的突破。

3.2.2綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應用場景

提高多種不同類型資源的綜合利用率，需要有完善的綜合能源系統(tǒng)，將電氣，冷氣，熱氣，水氣等充分利用起來。而氫儲能可以作為多能聯(lián)供媒介，起到能量平衡工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)的作用，有效改善工業(yè)園區(qū)能量不平衡現(xiàn)象，提高工業(yè)園區(qū)的整體效益，完善綜合能源系統(tǒng)。在未來能源系統(tǒng)發(fā)展中，綜合能源系統(tǒng)結合綠色氫能發(fā)展行業(yè)，共同打造出兩種能力耦合應用，并作為典型適用于多個不同場景。

3.2.3氫能在交通領域的應用場景

對比傳統(tǒng)純電動汽車，采用新能源氫燃料電池汽車有以下優(yōu)點，續(xù)航里程長，燃料補給方便，燃料補充時間短。在未來隨著規(guī)模化的生產(chǎn)以及氫能行業(yè)的發(fā)展，氫燃料電池汽車的成本不斷降低，廣泛應用于交通運輸領域中。

4結論

作為一種理想清潔能源，也成為平衡環(huán)境問題與能源問題的重要載體，綠色氫能有助于穩(wěn)定我國能源狀態(tài)，也是構建新型能源系統(tǒng)一大助力。本篇從發(fā)展情況的角度對比國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)，將不同環(huán)節(jié)所應用的關鍵技術與我國綠色氫能結合，提出改良開發(fā)建議，應針對我國新能源應用情況，模擬典型應用場景。

（1）與國外應用綠色性能相比，無論是開發(fā)利用技術，還是發(fā)展現(xiàn)狀，我國有一定不足。氫能作為清潔能源轉(zhuǎn)型的重要組成，其發(fā)揮作用還有待研究。國家需要從戰(zhàn)略方便進行布局，加大對關鍵政策的研發(fā)，出臺政策繼續(xù)扶持氫能的發(fā)展。

（2）綠色氫能制造取用過程較為艱難，運輸方面也存在一些技術性難題。使得氫能其相關操作成本無法控制，無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?。政府的扶持與引導，院校的努力研發(fā)，企業(yè)的支持與合作三者共同促進綠色氫能技術的成熟，加快商業(yè)化推廣腳步，為其他行業(yè)起到示范作用，加大投資實驗的資金支持，研發(fā)力度上也需下更多功夫。

（3）在未來可再生資源應用中，氫能可以占據(jù)主要應用場景，在未來制氫方式中，可再生能源也作為重要原料，海上風電，工業(yè)園區(qū)大規(guī)模建設，離不開完善的綜合能源系統(tǒng)，未來交通運輸也會有一定規(guī)模發(fā)展。在良好環(huán)境下，氫能發(fā)揮主要作用，保障整個能源系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，提高系統(tǒng)的商業(yè)價值，提高系統(tǒng)應用于其他場景的效益。

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