（本文發表于2023年第4期）

第一作者簡介魏建設，正高級工程師，長期從事油氣及非常規能源地質調查工作。在國內期刊上發表學術論文80余篇（第一作者12篇），參與編寫專著2部。獲中國地質調查成果一等獎2項，國土資源科學技術獎二等獎2項。

氫：

綠色能源 蓄勢待發

> 我國最大規模光伏綠氫示范

項目在新疆庫車全面投產

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2023年8月30日，我國規模最大的光伏發電直接制綠氫項目——新疆庫車綠氫示范項目全面建成投產。隨著配套光伏電站實現全容量并網，該項目可以滿負荷生產綠氫，每年生產的2萬噸綠氫全部就近供應中國石化塔河煉化公司，用于替代煉油加工中使用的天然氣制氫。項目全面建成投產標志著我國綠氫規?；I應用實現零的突破。該項目是國內首次規模化利用光伏發電直接制綠氫的項目，利用新疆地區豐富的太陽能資源發電直接制綠氫，電解水制氫能力2萬噸/年，儲氫能力21萬標立方米、輸氫能力2.8萬標立方米每小時。今年6月30日，項目已成功貫通綠氫生產、輸送、利用全流程，部分制氫車間順利投產產氫。綠氫煉化被視為化工行業實現綠色轉型的重要路徑。以庫車綠氫示范項目為例，該項目生產的綠氫將替代塔河煉化的天然氣制氫，作為原料進行加氫反應，最終進入油品中，實現煉油產品綠色化。項目每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸，是綠氫煉化首次實現規模應用，對煉化企業大規模利用綠氫實現碳減排具有重大示范效應。

——《人民日報》

HYDROGENIUM

氫（hydrogenium）是一種化學元素，元素符號H，在元素周期表中位于第一位。氫通常的單質形態是氫氣，無色無味，極易燃燒，由雙原子分子組成。氫氣是質量最輕的氣體，氫能被譽為21世紀最具發展潛力的清潔能源，與其他傳統能源相比，它具備更多優勢：一是燃燒值高，除核燃料外，氫氣燃燒值是目前已知燃料中最高的，是汽油燃燒值的3倍；二是清潔無污染，產物只有水，水可以再次分解成氫氣，實現良性循環；三是安全性好，氫氣無毒，且由于其具有很高的擴散系數和浮力，在泄露時可迅速降低濃度，因此，氫氣遠比其他燃料安全；四是利用形式多樣，氫能能夠以氣態、液態或固態形式利用，能適應不同要求的儲運及應用環境；五是可儲能，氫氣可以多種形式儲存起來，便于儲存或供下游產業使用。氫能可以連接氣、電、熱等不同的能源形式，也可以應用在能源、工業、交通、建筑等多個領域，成為跨能源網絡協同發展的橋梁。

> 氫能優勢

氫的發現與研究歷史

人類從對氫的發現到認識、應用已經歷了500余年。1520年，瑞士著名醫生帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）將金屬（鐵、鋅和錫）溶解在硫酸中首次發現了氫氣；17世紀，科學家開始逐步發現氫的基本性能，例如，氫氣是氣體，具有單位體積密度低、易燃、易爆等特點；1766年，英國化學家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）發表了人類第一篇氫氣相關論文，開啟了氫氣研究；1783年，法國科學家雅克·查爾斯（Jacques Charles）和助手羅伯特兄弟實現了第一次無人氫氣球飛行；1784年，拉瓦錫·默斯尼埃（Lavoisier Meusnier）發明鐵—蒸氣工藝，通過使水蒸氣在600℃的熾熱鐵床上流過而產生氫氣，實現了人工首次制氫；1787年，法國化學家先驅、近代化學之父安東尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）確認氫是一種元素，并將氫氣命名為“hydrogen”，意為“水的生成者”；1789年，簡·魯道夫·戴曼（Jan Rudolph Deiman）和阿德里安·帕茨·范·特羅斯特（Adriaan Paets van Troost）使用靜電起電器產生的電通過萊頓罐實現了首次水電解制氫；19世紀，出現了以氫氣作為動力的研究成果，包括燃料電池、內燃機等，1839年，英國科學家威廉·羅伯特·格羅夫（William Robert Grove）開發并制作了首個燃料電池——格羅夫電池，1895年，第一架以氫氣為動力的齊柏林飛艇在德國獲得專利；20世紀是氫氣產業化的前一階段，主要體現在化工領域和成本不敏銳的行業，水煤氣、氨、褐煤裂解、電解水等制氫方式變得成熟，并實現產業化；進入21世紀，由于人類對氫氣的認識和掌控能力大幅提升，氫氣的制取、儲運以及應用技術都有了巨大進步，全球很多國家將發展氫能列為國家戰略。

我國最早對氫進行研究的是清代化學家徐壽，他在19世紀60年代初翻譯《化學鑒原》，并創造出“氫”等化學元素漢語名稱，他把氫作為元素來研究，并認識到它“與水之氧同為至輕之物”；1967年，中國科學院大連化學物理研究所開始研制航天氫氧燃料電池，并于1978年設計制造出我國第一臺堿性燃料電池，拉開了我國氫燃料電池研究的序幕；2003年，我國自主開發的第一輛氫燃料電池轎車“超越一號”在上海問世；2006年，我國首座加氫站在北京中關村永豐高新技術產業基地新能源交通示范園落成；2021年，中國船級社向武漢眾宇動力系統科技有限公司頒發中國第一張船用燃料電池產品型式認可證書，這標志著我國船用氫燃料電池正式從科研階段轉入商用化軌道；2023年4月，我國首條“西氫東送”（內蒙古烏蘭察布—北京）輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》，標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新發展階段。

> 氫氣充電站 視覺中國 / 供

氫的用途

氫用途廣泛，適用性較強。氫氣燃燒產物只有水，對環境無污染，具有絕對的能源應用優勢。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能互相轉換的功能。氫能作為一種“電能替代”，其應用范圍之廣，可用作燃料（交通運輸、電力）、用于供熱（工業、建筑）及用作原料（化學品、產品），包括交通運輸、工業生產、能量傳輸、電網儲能調配等領域，是未來能源轉型的重要支柱產業。

交通運輸 氫氣可以通過燃料電池為交通運輸工具提供動力。氫氣作為原料可以合成綠色甲烷、綠色甲醇、綠色柴油汽油或綠色航空燃油等燃油產品，這些產品在現有的交通設備中均能夠直接使用。近年來，氫能源汽車增勢迅猛，我國已建成加氫站超過250座，約占全球數量的40%，居世界第一。

電網儲能調配 現代燃氣輪機可以使用氫氣和天然氣的混合氣運行，氫氣份額為5%到100%。同時，氫氣可以在燃氣網中進行存儲、運輸，并在燃氣輪機、內燃機或燃料電池發電廠中再發電。

工業和建筑物供熱 氫氣可以用于加熱食品和水等，也可以用于制備熱水器、熱風爐和干衣機等產品。

工業生產 氫氣是工業生產領域的重要原料，可以直接用于工業生產過程中，如作為國防工業的重要原料、制造電子器件的原料，等等。氫氣是一種輕而高活性的氣體，在很多石油精煉廠用于生產石油產品，如柴油和汽油，它有助于大大降低煉油廠最終產品中的雜質，如硫磺；有些化學工業需要氫氣來生產重要的氫基化合物，如合成氨和甲醇；化肥和其他農業產品的制造需要氫氣，因為氨是大多數化肥的重要組成部分，而氫氣是合成氨的重要原料；金屬產品的制造需要氫氣用于原子氫焊接，這是一種重要的電弧焊接設備；電子產品，如半導體、顯示屏幕和LED燈，需要氫氣進行還原程序；玻璃工業需要氫氣來防止玻璃中的雜質氧化，等等。

> 氫的應用領域

氫的生產消費現狀

從全球來看，目前制氫的主要來源是天然氣，全球每年產純氫約7 000萬噸，1/4為天然氣制氫。全球制氫結構以化石能源為主，天然氣制氫占比62%，煤制氫占比19%，低碳排放制氫占比僅0.7%，其中電解水制氫僅占0.04%（國際能源署，2022）。

目前我國氫主要作為工業原料，占比約84%，利用形式以分散制取、就地利用為主。根據中國煤炭工業協會數據，2021年，我國氫氣產量3 300萬噸，產量同比增長32%，達到工業氫氣質量標準的約1 200萬噸，我國已經成為世界第一產氫大國。由于煤炭在中國能源中占主導地位，目前，我國主要以煤制氫、工業副產氫為主，煤制氫技術成熟，制氫工藝體系和產業鏈條相對完整，煤制氫在氫氣產能結構中占比62%，工業副產制氫占比19%，天然氣制氫占18.1%，電解水制氫因技術難度大和成本高，占比僅0.9% 。

目前，我國是世界上最大的氫能生產國和消費國，每年氫產能約4 000萬噸。全球投入運營的煤氣化廠為130座，其中我國占80%。國家能源集團擁有煤氣化爐80座，年產氫氣總量可達800萬噸，約占全球總產氫量的12%。由于我國有近2/3的氫為煤制氫，污染最為嚴重，對我國實現“雙碳”目標影響較大。

> 全球與中國制氫結構

氫的分類

根據氫能的生產來源和生產過程中碳排放情況，一般將氫分為灰氫、藍氫、綠氫和金氫。

灰氫是通過石油、天然氣、煤炭等化石燃料燃燒制取的氫氣，在生產過程中會產生二氧化碳等溫室氣體，碳排放量較大?；覛涞膬瀯菔巧a成本較低，制氫技術較為簡單。

藍氫是將天然氣通過蒸氣甲烷重整或自熱蒸氣重整制取的氫氣。在此過程中使用了碳捕捉、利用與儲存等先進技術，對溫室氣體進行捕獲，實現了低碳排放制氫。

綠氫是利用太陽能、風電、水電、核電等再生能源發電進行電解水制取的氫氣，制氫過程中碳排放為零。

金氫是天然氫，是由地殼中某些區域天然存在的氫分子匯集而成的。金氫的利用方式更為安全、清潔、低成本，這種氫可能比其他類型的氫更可持續，更能被環境所接受。馬里共和國、美國、澳大利亞、巴西、法國和西班牙等國已啟動金氫項目，以提取地下的天然氫。美國地質調查局于2022年10月在美國地質學會上提出的一個模型估計，地下金氫的儲量可能足夠滿足全球數千年的需求。

> 綠氫的制備過程

趨勢與展望

氫能是一種來源廣泛、綠色低碳、應用范圍廣的二次能源，對減少二氧化碳等溫室氣體的排放，實現碳達峰、碳中和的目標具有重要意義。中國氫能聯盟預測，可再生能源制氫占比不斷攀升，預計2030年、2050年的占比分別為15%、70%。世界能源理事會預測，到2050年氫能將占全球能源消耗的25%。

國家能源局、國家發展和改革委員會聯合發布我國首個氫能產業中長期規劃——《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，明確了氫能產業發展定位和目標并作出部署，首次明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。到2025年，將形成較為完善的氫能產業發展制度政策環境，產業創新能力將顯著提高，基本掌握核心技術和制造工藝，初步建立較為完整的供應鏈和產業體系；到2030年，有望形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源制氫及供應體系，產業布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應用，有力支撐碳達峰目標實現；到2035年，基本形成氫能產業體系，構建涵蓋交通、儲能、工業等領域的多元氫能應用生態。

氫能作為二次能源，要實現真正意義上的零排放，制氫技術的發展將不可避免地依賴于太陽能、風能等可再生能源技術的突破。通過電力與設備成本的協同降低，方可體現綠氫的經濟優勢。與日本、韓國等國相比，我國幅員遼闊，具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源，可以提供豐富的太陽能、風能、潮汐能等可再生能源資源，在發展綠氫方面具有先天優勢，可以加快實現“氫能中國”戰略。

在儲運氫方面，氫的長距離儲運將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，中短距離要與氨等多種儲運技術相結合，并因地制宜發展。隨著制氫端技術的突破，通過輸氫管網交聯，在氫能下游（如工業、交通和建筑等領域）大規模普及，綠色“氫經濟”概念將轉變為現實。

在應用氫方面，隨著行業聚焦與技術發展，快速升級的氫燃料電池，帶動交通運輸領域的應用變革。隨著新能源汽車技術的發展，氫能源汽車將逐漸成為燃料電池最為關鍵的應用方向之一，未來也將保持高速增長趨勢。氫能燃料汽車續航能力較電動汽車強，更適合大功率貨運汽車應用，又能夠實現與純電動汽車相近的環境效應，是未來比較理想的車用能源技術選擇。因此，國際能源署對氫能燃料汽車市場占比有較高預期，有機會與純電動汽車、插電式混合動力汽車實現三分天下。在煉油、合成氨、甲醇生產以及煉鋼等化工領域，灰氫將逐步被綠氫所取代。在其他諸多傳統能源密集型產業，氫能也將代替化石能源作為能量載體進行供能。在建筑領域，采用綠色氫能的分布式冷熱電聯供系統，也是節能減排重要方式。同時，更多的氫能應用領域將逐步開發。

未來，實行綠氫與金氫并行發展戰略，更有利于我國早日實現“雙碳”目標，且松遼盆地和柴達木盆地個別井發現了金氫，證明我國具備金氫的資源潛力。因此，在我國尋找地下金氫，發展金氫產業，尤其是首先開展金氫勘探刻不容緩?！熬G氫+金氫”將成為全球實現碳中和的長遠發展方向。

> 可持續能源循環示意圖

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作者： 魏建設 周俊林 李玉宏 張云鵬

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

官網： https://kpwhbjb.cgl.org.cn