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“新能源是國際能源競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，也是綠色發(fā)展的未來。我國能源對(duì)外依存度大，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大幅提升新能源占比、加速高碳能源向低碳能源轉(zhuǎn)型，對(duì)我國能源革命和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。氫氣隨著制取、儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用技術(shù)的不斷突破，已逐步實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)化工原料向能源載體的轉(zhuǎn)變。基于風(fēng)光等可再生能源制取的綠氫將成為推動(dòng)能源、工業(yè)、交通等領(lǐng)域綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵抓手。”同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)聘特聘教授張存滿在國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂上發(fā)表如上觀點(diǎn)。

從能源安全到“雙碳”驅(qū)動(dòng)的氫能演進(jìn)

張存滿

人類能源利用史歷經(jīng)數(shù)次重大變革。遠(yuǎn)古先民以鉆木取火肇始，木炭應(yīng)用標(biāo)志著薪柴時(shí)代的文明啟蒙。工業(yè)革命催生了能源結(jié)構(gòu)的根本性轉(zhuǎn)變，煤鐵與油氣資源的深度開發(fā)與利用構(gòu)筑起全球工業(yè)化基石。上世紀(jì)90年代，能源革命浪潮再起，風(fēng)能、太陽能等清潔能源技術(shù)迭代加速。

我國的能源條件是富煤、貧油、少氣，石油和天然氣的進(jìn)口依賴度高，能源安全問題較為突出。然而，我國風(fēng)光資源豐富，在新能源時(shí)代，我國有望實(shí)現(xiàn)能源自給自足，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源出口。

2020年，我國正式提出“雙碳”戰(zhàn)略，錨定全球能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一重大戰(zhàn)略目標(biāo)，我國產(chǎn)業(yè)體系必須實(shí)施根本性變革：從依賴高碳化石能源向構(gòu)建低碳可持續(xù)能源體系演進(jìn)。作為關(guān)鍵戰(zhàn)略支撐，“雙碳”目標(biāo)正在加速能源結(jié)構(gòu)迭代進(jìn)程，核心在于通過大幅提升新能源占比驅(qū)動(dòng)能源革命縱深發(fā)展。

隨著能源轉(zhuǎn)型的深入，能源體系出現(xiàn)新需求，即在風(fēng)能和太陽能之外，需要一種新型能源作為支撐。由此，我們提出了對(duì)氫能的利用。

新能源時(shí)代下的氫能應(yīng)用

氫能并非創(chuàng)新概念。作為宇宙中豐度最高的元素，氫在工業(yè)領(lǐng)域早已建立成熟的應(yīng)用體系：化工產(chǎn)業(yè)中，千萬噸級(jí)氫耗支撐著化肥產(chǎn)業(yè)鏈；煉油工藝中，加氫脫硫技術(shù)用于提升油品質(zhì)量。化石能源體系下，氫氣長(zhǎng)期作為工業(yè)氣體或化工原料存在。新能源革命賦予氫新的定位。依托清潔化一次能源制取的“綠氫”，正突破傳統(tǒng)化工原料邊界，基于零碳屬性向交通動(dòng)力、綠色工業(yè)轉(zhuǎn)型、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能等多維能源載體跨越。

交通是氫能優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域。

過去，氫能產(chǎn)業(yè)研究重點(diǎn)集中在燃料電池汽車，技術(shù)路線主要分為燃料電池發(fā)電驅(qū)動(dòng)和氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。前者是指，燃料電池汽車通過燃料電池發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電氣化驅(qū)動(dòng)；而氫內(nèi)燃機(jī)則是通過燃燒氫氣做功驅(qū)動(dòng)車輛，排放物主要是水。對(duì)比而言，燃料電池發(fā)電驅(qū)動(dòng)有著明顯優(yōu)勢(shì)：其效率可達(dá)50%以上，且能真正實(shí)現(xiàn)零排放，而氫內(nèi)燃機(jī)的效率通常低于40%，綜合功率在30%上下。

早期，燃料電池技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)是乘用車，通用、豐田、現(xiàn)代、奔馳等企業(yè)均以乘用車為研發(fā)重點(diǎn)。近年來，我國在探索氫動(dòng)力汽車商業(yè)化路線時(shí)發(fā)現(xiàn)，乘用車路線面臨基礎(chǔ)設(shè)施依賴強(qiáng)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)難度大等問題。由此，我們提出了以商用車為先行的商業(yè)化路線。

從商用車的角度來看，純電動(dòng)動(dòng)力電池在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。雖然我國已探索出快充、換電等替代方案，但從汽車的本質(zhì)特性來看，氫燃料電池由于加氫速度快，續(xù)航里程長(zhǎng)，更適合商用車場(chǎng)景。

此外，氫能也適用于其他交通領(lǐng)域。在軌道交通領(lǐng)域，雖然是德國較早在機(jī)車采用氫燃料電池，但我國在研發(fā)和應(yīng)用方面也取得了良好示范，首列氫能源市域列車，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)、全場(chǎng)景、多層級(jí)性能驗(yàn)證；在船舶領(lǐng)域，我國也已開啟氫燃料驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)型，首艘入級(jí)中國船級(jí)社氫燃料電池動(dòng)力船“三峽氫舟1”號(hào)運(yùn)行情況良好；在航空領(lǐng)域，美國、歐盟等國家已在加速推動(dòng)大中型商務(wù)飛機(jī)、小型無人機(jī)和輕型飛機(jī)等氫燃料電池技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

工業(yè)是氫能需求最大的領(lǐng)域。

工業(yè)領(lǐng)域的碳排放量極大，僅次于電力行業(yè)。其中，鋼鐵、化工、冶金碳排放量約占全國碳排放量的25%以上。

這些行業(yè)如何在新能源革命過程中實(shí)現(xiàn)清潔化和低碳化是關(guān)鍵問題。

氫能在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，首先是綠色冶金。以鋼鐵領(lǐng)域?yàn)槔瑐鹘y(tǒng)的煉鋼過程需要用焦炭作為還原劑，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放，而使用氫氣替代焦炭，可以從根本上解決這個(gè)問題，這就是我們常說的“氫冶金”技術(shù)。目前，國內(nèi)已在部分鋼廠開展示范工程，預(yù)計(jì)未來10至20年，“氫冶金”將成為推動(dòng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的重要抓手。

我國在氫冶金領(lǐng)域已經(jīng)形成“氫基豎爐”與“高爐富氫”并行的技術(shù)格局。其中氫基豎爐技術(shù)是通過氫氣與三氧化二鐵的直接還原反應(yīng)制備海綿鐵，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用突破。但基于我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)2040年之前，仍會(huì)以高爐富氫冶煉為主要模式，逐步邁向全氫時(shí)代。

其次是合成氨。合成氨工業(yè)作為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域，其碳排放主要集中于制氫環(huán)節(jié)（占總投資90%以上）。通過能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，以風(fēng)電、光伏等綠電驅(qū)動(dòng)電解水制氫，可重構(gòu)傳統(tǒng)合成氨產(chǎn)業(yè)鏈。

按照綠氨產(chǎn)業(yè)全球布局分析，中東地區(qū)憑借資源稟賦，能夠以0.07元/度的超低光伏發(fā)電成本，實(shí)現(xiàn)氫氣制取并合成綠氨，并通過打造相關(guān)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在未來5到10年內(nèi)形成數(shù)十吉瓦甚至超過100吉瓦級(jí)的制氫能力。而中國隨著綠氨產(chǎn)能中心加速崛起，也有望在未來5到10年成為全球綠氨產(chǎn)能重要供給基地之一。

再次是綠色煉化。傳統(tǒng)煉化工業(yè)長(zhǎng)期依賴重油、渣油及煤氣化制氫工藝，未來，以綠氫替代化石能源制氫將成為行業(yè)深度脫碳的核心路徑。中國石化塔河煉化示范工程已先行先試，利用光伏和電解水制氫，并取得了良好效果。

建筑是氫能新階段應(yīng)用的另一方向，主要有燃料電池?zé)犭娐?lián)供、天然氣摻氫建筑供暖供熱、分布式能源系統(tǒng)集成等三種應(yīng)用形式。

燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)在商場(chǎng)、酒店、社區(qū)等場(chǎng)景中展現(xiàn)出顯著應(yīng)用價(jià)值，可以滿足這些場(chǎng)所供電、供熱及制冷等多元能源需求。在北方地區(qū)，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)制熱效率較低，而通過氫氣管網(wǎng)替代或與現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)混合輸送，可以推動(dòng)電-熱-冷三聯(lián)供技術(shù)在建筑物中的應(yīng)用，可以大幅提升綜合能源利用效率，同時(shí)為北方社區(qū)能源體系從分布式向集中式轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐，集中式熱電聯(lián)供技術(shù)正成為北方社區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)的更優(yōu)選擇。而在南方地區(qū)則面臨差異化需求，既有建筑普遍缺乏集中供暖設(shè)施，新建住宅的分散式供暖系統(tǒng)又存在效率偏低問題。針對(duì)南方冬季適度供暖的發(fā)展趨勢(shì)，需要構(gòu)建更高效的熱電聯(lián)供體系。

天然氣摻氫燃燒是相對(duì)簡(jiǎn)單的供暖供熱方式，優(yōu)勢(shì)在于無需對(duì)現(xiàn)有燃?xì)忮仩t進(jìn)行大規(guī)模改造，氫氣利用成本較低。以山東“氫進(jìn)萬家”科技示范工程為代表的一系列實(shí)踐正在推動(dòng)對(duì)區(qū)域性氫能利用的嘗試。

在分布式能源系統(tǒng)集成方面，國內(nèi)尚未形成社區(qū)級(jí)多能協(xié)同體系，而國際實(shí)踐已呈現(xiàn)突破性進(jìn)展，比如美國就已經(jīng)在高耗能的數(shù)據(jù)中心部署氫燃料電池備用電源。這也啟示我國分布式能源發(fā)展不應(yīng)局限于現(xiàn)狀，可對(duì)新能源發(fā)電調(diào)峰做部分支撐，或與傳統(tǒng)火電改造相銜接。由于風(fēng)光發(fā)電具有間歇性和不可控性，而火電可控性強(qiáng)，因此，在電力輸配與調(diào)節(jié)過程中，氫能支撐下的分布式能源有望成為未來的重要應(yīng)用方向。

氫儲(chǔ)能應(yīng)用：可再生能源消納的關(guān)鍵支撐

能源革命的核心在于電力系統(tǒng)的革命。在未來能源終端需求中，70%-80%的能量來源于電力，這決定了能源發(fā)展必然依賴于電氣化路徑。近年來，我國大力發(fā)展的新能源電力系統(tǒng)，尤其是特高壓輸電技術(shù)，已成為中國的一張新名片。然而，新能源發(fā)電具有波動(dòng)性、氣候隨機(jī)性、難以預(yù)測(cè)性以及間歇性等特征，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)電力能源的可持續(xù)、高效、穩(wěn)定儲(chǔ)存和輸配，我們不僅需要短時(shí)儲(chǔ)能以匹配即時(shí)需求，還需要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)來支撐跨天、跨周，甚至更長(zhǎng)周期的電力能源儲(chǔ)存與輸配。

此外，在電力輸配與調(diào)度過程中，保障電網(wǎng)供需平衡是最大的難點(diǎn)。由于電以光速傳輸，發(fā)電側(cè)與用電側(cè)要保持同步運(yùn)行。若缺乏有效調(diào)節(jié)能力，發(fā)電側(cè)的功率波動(dòng)將實(shí)時(shí)影響用電側(cè)的穩(wěn)定用電。隨著新能源占比持續(xù)攀升，電力調(diào)度壓力顯著增大，因此，要進(jìn)一步加大儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用與開發(fā)力度，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

2014年，我們提出氫儲(chǔ)能的概念，這將為可再生能源消納提供了關(guān)鍵支撐。

要理解氫儲(chǔ)能的作用與優(yōu)勢(shì)，需與其他儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)前，儲(chǔ)能技術(shù)大致可分為三類：電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能。

電化學(xué)儲(chǔ)能以鋰電池、鈉電池、液硫電池等為代表，物理儲(chǔ)能則包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。這兩類技術(shù)均采用電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或物理勢(shì)能，使用時(shí)再將其轉(zhuǎn)換回電能，完成“儲(chǔ)能-釋能”的循環(huán)。但存在顯著局限性，電化學(xué)儲(chǔ)能放電時(shí)長(zhǎng)通常不足4小時(shí)，且成本隨儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，難以滿足長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求；物理儲(chǔ)能雖然可以實(shí)現(xiàn)12小時(shí)的儲(chǔ)能，但受限于地理?xiàng)l件約束，無法實(shí)現(xiàn)能量的跨區(qū)域靈活調(diào)配。

相比之下，氫儲(chǔ)能突破了時(shí)間和空間的限制，它將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，氫氣既可以通過跨區(qū)域運(yùn)輸，滿足工業(yè)、交通等多領(lǐng)域用能需求，也可以用于發(fā)電，為電網(wǎng)提供支撐，有效補(bǔ)充了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方式及能源的空間轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化能力。這些優(yōu)勢(shì)使氫儲(chǔ)能成為支撐我國實(shí)現(xiàn)深度脫碳以及新能源大規(guī)模高效利用的關(guān)鍵手段，為新型電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)路徑。

未來能源供給體系將形成以“電網(wǎng)為主，氣網(wǎng)為輔”的新型架構(gòu)。目前，氫氣正在以天然氣為主體的氣網(wǎng)中逐步提高占比。構(gòu)建長(zhǎng)短結(jié)合、電氣電氫融合的能源體系將極大提升電力調(diào)度的靈活性與空間范圍，這是未來能源體系的理想架構(gòu)。

此外，氫能的離網(wǎng)型應(yīng)用是另一關(guān)鍵所在。電網(wǎng)建設(shè)需采用特高壓輸電技術(shù)以降低電損。但面臨建設(shè)成本高、周期長(zhǎng)、區(qū)域局限性等問題，使電力輸配調(diào)節(jié)靈活性受限。因此，氫能賦能的離網(wǎng)型風(fēng)光發(fā)電成為重要發(fā)展方向，其中，“風(fēng)光氫醇”一體化模式尤為典型，即利用風(fēng)電、光伏以離網(wǎng)形式發(fā)電，通過電解水制取綠氫，再將氫合成甲醇，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的多元化利用。

氫能關(guān)鍵技術(shù)及研究趨勢(shì)

在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，制氫技術(shù)是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)制取方式，氫氣可分為三類：由化石能源制取的氫氣稱為灰氫；由工業(yè)副產(chǎn)氣中提取的氫氣稱為藍(lán)氫；通過可再生能源、純生物質(zhì)或綠色電力制取的氫氣稱為綠氫，綠氫在制取過程中不涉及二氧化碳排放。目前，我國氫氣能供給結(jié)構(gòu)仍以灰氫和藍(lán)氫為主，綠氫占比較少，不足5%。

綠氫制取的核心技術(shù)是電解水制氫，根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，電解水制氫主要分四種類型：堿性電解水制氫（ALK）、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、固體氧化物水電解（SOEC），以及陰離子交換膜水電解（AEM）。

堿性電解水制氫（ALK）：電解質(zhì)是氫氧化鉀的水溶液；

質(zhì)子交換膜水電解（PEM）：電解質(zhì)是質(zhì)子膜的固體質(zhì)子；

固體氧化物水電解（SOEC）：電解質(zhì)是固體氧化物陶瓷；

陰離子交換膜水電解（AEM）：電解質(zhì)是陰離子交換膜。

目前，堿性電解水制氫已成為最成熟且快速實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的應(yīng)用，我國在該領(lǐng)域已取得顯著優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)螜C(jī)產(chǎn)能最大已達(dá)3,000方每小時(shí)，單槽功率達(dá)到15兆瓦，而國外單槽功率大多僅在5兆瓦、1,000方每小時(shí)左右。盡管如此，我國在堿水電解的細(xì)節(jié)技術(shù)攻關(guān)方面仍有許多工作要做。

對(duì)比分析堿性電解水制氫與質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)，二者在技術(shù)特性與應(yīng)用場(chǎng)景上存在顯著差異。從溫度適應(yīng)性來看，質(zhì)子交換膜水電解技術(shù)對(duì)溫度不敏感，常規(guī)運(yùn)行溫度通常在60攝氏度以下，而堿性電解水制氫技術(shù)一般在85-95攝氏度之間，目前也在研究更高溫度工況的可行性。由于溫度和電解質(zhì)不同，二者在安全性、氫氧互串特性以及功率波動(dòng)適應(yīng)性、催化劑體系方面也存在差異。此外，質(zhì)子交換膜水電解的功率負(fù)荷范圍較寬，響應(yīng)速度較快，運(yùn)行壓力的適應(yīng)性較好，但在快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的耐久性上面臨挑戰(zhàn)。受限于催化劑和膜的高昂成本，質(zhì)子交換膜水電解總投資約為堿性電解水的3-5倍。因此，將質(zhì)子交換膜水電解與堿性電解水協(xié)同應(yīng)用是一種新的方向，當(dāng)前也已開展小規(guī)模示范應(yīng)用。

儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中連接制備與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。作為元素周期表中最輕的物質(zhì)，氫氣具有較低的體積能量密度，導(dǎo)致其儲(chǔ)存和輸配技術(shù)難度較大。目前，氫氣的儲(chǔ)存方式主要包括氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫、低溫液氫儲(chǔ)存以及將氫氣轉(zhuǎn)化為液體或固體燃料、化學(xué)品的化學(xué)儲(chǔ)氫。此外，氫氣的輸配成本較高，尤其是遠(yuǎn)距離輸配，若采用方式不當(dāng)，成本曲線陡升嚴(yán)重制約氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫氣的輸配是氫能產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題之一。氫氣制取高度依賴可再生能源，而我國的風(fēng)、光、水等資源主要分布于西北與西南地區(qū)，用能終端則主要集中在東部和中部。這意味著氫氣需要像電力一樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模跨區(qū)域調(diào)配。未來，氫氣的應(yīng)用需要建設(shè)類似天然氣管道的管網(wǎng)，從制氫、輸氫、混摻到最終的氫氣管網(wǎng)輸配，都需要解決區(qū)域間不平衡性問題。

在氫-電轉(zhuǎn)化技術(shù)方面，燃料電池與熱機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)是兩大主要化學(xué)方式，但技術(shù)突破方向呈現(xiàn)顯著差異。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電，關(guān)鍵在于提高材料壽命和發(fā)電效率，燃料電池發(fā)電涉及氫氣和空氣，提升氧氣增壓是重要環(huán)節(jié)，解決思路是采取與壓縮空氣儲(chǔ)能相結(jié)合的方式。在熱機(jī)動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，氫氣摻混天然氣或直接作為燃料的難點(diǎn)在于氫氣在高溫下對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)部件的耐久性損傷，材料和結(jié)構(gòu)壽命是當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)。

從宏觀層面來看，預(yù)計(jì)到2060年，我國綠電制氫的規(guī)模將突破1.3億噸。其中，交通和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒊蔀闅淠苄枨蟮闹攸c(diǎn)方向。

全球氫能技術(shù)的發(fā)展起源于美國，曾由歐洲推動(dòng)，亞洲一度處于跟隨狀態(tài)。如今，亞洲在氫能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面已明顯領(lǐng)先歐美。歐美地區(qū)因能源轉(zhuǎn)型成本難以控制、政策驅(qū)動(dòng)力不足，且以企業(yè)為主導(dǎo)的模式難以快速推動(dòng)轉(zhuǎn)型，導(dǎo)致多數(shù)項(xiàng)目仍停留在規(guī)劃層面。

我國新能源產(chǎn)業(yè)的快速崛起，離不開國家的大力支撐。未來的氫能發(fā)展看中國，更看中國的年輕一代。