“雙碳”背景下，氫能正在得到越來越多的關(guān)注。與上一輪氫燃料電池主要應用于汽車領(lǐng)域不同，本輪氫能熱潮興起的動力何在？其未來應用前景有哪些？《能源評論》日前采訪了中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員、中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（簡稱“中國氫能聯(lián)盟”）戰(zhàn)略委員會委員衣寶廉。
在衣寶廉看來，脫碳是本輪氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第一驅(qū)動力。從木材、煤炭、石油、天然氣到氫，人類能源的進化是一個逐漸減碳的過程。我國碳達峰、碳中和目標的提出，讓減碳的過程進一步提速。
據(jù)世界氫能協(xié)會預測，到2050年，全球20%的二氧化碳減排可以通過氫能完成，氫能消費將占全球能源的18%，氫能汽車將占全球車輛的25%，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3000萬個就業(yè)崗位，創(chuàng)造2.5萬億美元以上的市場價值。
4月21日，中國氫能聯(lián)盟發(fā)布《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》。該報告認為，可再生能源制氫成本有望在2030年實現(xiàn)平價，在2060年碳中和情景下可再生能源制氫規(guī)模有望達到1億噸，并在終端能源消費占比中達到20%。
近年來，可再生能源電解水制氫在國際上呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。許多國家設定了氫能在交通領(lǐng)域之外如工業(yè)、建筑、電力等行業(yè)的發(fā)展目標，在政府規(guī)劃、應用示范等方面都有積極表現(xiàn)。
氫將成為能源載體
衣寶廉認為，從長期來看，氫是零碳能源，其能量密度是汽油的2～3倍，是人類的“終極能源”。從中近期來看，氫能是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的重要媒介，其在儲能、化工、冶金、分布式發(fā)電等領(lǐng)域的推廣應用，將成為控制溫室氣體排放、應對全球氣候變化的有效途徑之一。
根據(jù)國際能源署可持續(xù)發(fā)展情景預測，到2070年，全球?qū)錃獾男枨箢A計將在2019年7000萬噸的基礎(chǔ)上增長近7倍，達到5.2億噸。如果化石燃料相應減少，疊加氫氣的低碳化生產(chǎn)因素，全球能源行業(yè)和工業(yè)加工領(lǐng)域有望在2070年實現(xiàn)碳中和。
作為二次能源，氫能具有來源多樣、終端清潔、用途廣泛等多重優(yōu)勢，在保障國家能源安全、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、推進能源產(chǎn)業(yè)升級等方面具有重要意義。在可再生能源高速發(fā)展的背景下，采用電解水制氫可以解決其隨機性、波動性帶來的儲存、再分配問題，提高可再生能源的利用率。
歐洲清潔氫能聯(lián)盟的研究顯示，氫能在能源轉(zhuǎn)型過程中的作用主要包括如下方面：實現(xiàn)大規(guī)模、高效可再生能源的消納，在不同行業(yè)和地區(qū)間進行能量再分配，充當能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)韌性，代替焦炭用于冶金工業(yè)，降低交通運輸、工業(yè)用能、建筑采暖等領(lǐng)域的碳排放等。
據(jù)衣寶廉介紹，從效率上看，燃料電池是實現(xiàn)氫能高效利用的最佳技術(shù)，傳統(tǒng)的氫能利用，主要是在燃料電池移動動力、分布式電站、化工加氫等領(lǐng)域；新興的領(lǐng)域，包括氫燃料汽輪機、氫氣冶金和“新能源+儲能”等。
以氫為燃料的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池技術(shù)逐漸成熟，正在朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。目前，我國氫燃料電池汽車保有量超過7000輛，以商用車為主。與一般電動汽車相比，氫燃料電池汽車加氫過程僅需幾分鐘，且一次加氫的續(xù)航里程可達500至700千米。氫燃料電池汽車目前在加氫（油）時間、駕駛舒適度、行駛里程等方面，已經(jīng)能夠與燃油車保持同等水平。
氫能在非道路運輸方面的應用正在推廣。2018 年，法國阿爾斯通集團生產(chǎn)的燃料電池列車在德國投入運營，英國、荷蘭等國也在積極發(fā)展氫動力列車。中國中車股份有限公司 2019 年在廣東佛山開始運行燃料電池有軌電車，同時開展氫燃料列車方案的探索研究。
實際上，家庭熱電聯(lián)供和工業(yè)應用也增加了對低碳氫的需求。低碳工業(yè)對氫的需求量最大，尤其是煉油、化工、鋼鐵制造等行業(yè)，采用低碳氫替代高碳氫將是在短期內(nèi)擴大需求、減少溫室氣體排放的契機。國際上正進行低碳氫用于煉油、甲醇及氨生產(chǎn)的試驗。電解制水氫在鋼鐵行業(yè)的應用規(guī)模正在加快擴展，在無需對現(xiàn)有直接還原煉鋼爐進行重大改造的條件下，氫氣可替代35%的天然氣使用；還提出了氫氣與天然氣混合應用的過渡性策略，以加快推進利用純氫直接還原煉鐵的進度，這對氫的儲運方式將產(chǎn)生重要的影響。
如今，歐美等發(fā)達國家紛紛制定氫能發(fā)展路線圖，加快推進氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局。衣寶廉認為，完善低碳清潔氫政策體系是氫能助力碳中和的關(guān)鍵，建議我國將氫能產(chǎn)業(yè)作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，積極出臺相關(guān)政策，培育我國的氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)真正實現(xiàn)商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，走向?qū)こ０傩占?。為此，科研機構(gòu)要發(fā)揚敢于攻堅、能打硬仗的精神，鉆研先進技術(shù)，集中解決氫能與燃料電池領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵材料與技術(shù)的自主可控；產(chǎn)業(yè)界要從實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)化的角度出發(fā)，積極布局產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，依托商業(yè)化示范運行，探索應用場景，打造世界知名品牌。
最近的消息是，科技部正在組織實施的“氫進萬家”科技示范工程，目前已與山東省政府簽署框架協(xié)議。這一項目旨在致力于構(gòu)建標準化、可復制、可推廣的氫能示范工程和管理運維體系，為將來的氫能社會搭建良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
綠氫將迎來高潮
氫能的利用需要從制氫開始，由于氫氣在自然界極少以單質(zhì)形式存在，需要通過工業(yè)過程制取。在業(yè)界看來，制氫過程按照碳排放強度分為灰氫（煤制氫）、藍氫（天然氣制氫）、綠氫（可再生能源電解水制氫）。
衣寶廉表示，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初衷是零碳或低碳排放，因此灰氫、藍氫將會逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代，綠氫是未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
在低碳和能源轉(zhuǎn)型背景下，目前最有價值的氫能制備途徑是可再生能源電解水制氫。利用光伏、風電等新能源電力電解水制氫，既能做到近零碳排放，還可以大大降低制氫成本，是生產(chǎn)“綠氫”的重要技術(shù)。
據(jù)了解，當前，國際上在建的電解水制氫項目規(guī)模增長顯著。2010年前后的多數(shù)電解水制氫項目規(guī)模低于 0.5兆瓦，而 2017～2019 年的項目規(guī)?；緸?～5 兆瓦。2019 年，德國天然氣管網(wǎng)運營商 OGE 公司、Amprion 公司聯(lián)合實施 Hybridge 100 兆瓦電解水制氫項目，計劃將現(xiàn)有的 OGE 管道更換為專用的氫氣管道。同年，荷蘭啟動了PosHYdon項目，將集裝箱式制氫設備與荷蘭北海的電氣化油氣平臺相結(jié)合，探索海上風電制氫的可行性。2020年，日本投產(chǎn)了10兆瓦項目，加拿大正在建設20 兆瓦項目。
據(jù)衣寶廉介紹，在技術(shù)層面，電解水制氫主要分為堿性水（AWE）電解、固體聚合物（ PEM）電解、固體聚合物陰離子交換膜（AEM）電解、固體氧化物（SOE）電解。其中，AWE 是最早工業(yè)化的水電解技術(shù)，已有數(shù)十年的應用經(jīng)驗，最為成熟，PEM 技術(shù)近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，SOE技術(shù)處于初步示范階段，而AEM技術(shù)的研究剛起步。
在市場化進程方面，AWE作為最為成熟的電解水制氫技術(shù)占據(jù)著主導地位，尤其是一些大型項目的應用。盡管AWE具有成本優(yōu)勢，但其難以快速啟動或變載、無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。
PEM 電解水制氫技術(shù)具有運行電流密度高、生產(chǎn)能力高、產(chǎn)氫壓力高、適應可再生能源發(fā)電波動、占地緊湊的特點，具備了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的基礎(chǔ)條件。歐盟規(guī)定電解槽制氫響應時間應小于5秒，目前只有 PEM 電解水技術(shù)可達到這一要求。
過去數(shù)年，歐盟、美國、日本的企業(yè)紛紛推出了 PEM 電解水制氫產(chǎn)品，促進了應用推廣和規(guī)?；瘧?，PEM電解槽規(guī)格規(guī)模也提高到兆瓦級。2016 年西門子股份公司參與建造的6兆瓦PEM 電解槽與風電聯(lián)動的電解水制氫系統(tǒng)，年產(chǎn)氫氣達到200噸，已于2018年實現(xiàn)盈利。
我國 PEM電解水制氫技術(shù)正在經(jīng)歷從實驗室研發(fā)向市場化、規(guī)?；瘧玫霓D(zhuǎn)變，逐步開展示范工程建設，如國網(wǎng)安徽省電力有限公司的兆瓦級氫能示范工程將于 2021 年年底建成投產(chǎn)。中國科學院大連化學物理研究所已研制成功幾百千瓦的質(zhì)子交換膜電解槽樣機，并進行了較全面的性能測試，為上述兆瓦級質(zhì)子交換膜電解水制氫項目奠定了堅實基礎(chǔ)。
為此，衣寶廉建議，要從電催化劑、膜電極、雙極板等關(guān)鍵材料與部件方面入手，通過產(chǎn)能提升和技術(shù)進步來壓降成本，進而支持 PEM 電解水制氫綜合成本的穩(wěn)步下降；改善催化劑活性，提高催化劑利用率，有效降低貴金屬用量；研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結(jié)構(gòu)，進一步提高PEM電解的運行電流密度；提升雙極板的材料性能與表面工藝，在降低成本的同時提高耐蝕性能。
管道儲運是新方向
衣寶廉強調(diào)，利用好氫的重要前提，是氫的綠色制取，以及如何與終端用戶通過安全可靠、經(jīng)濟便捷的方式聯(lián)系起來，這就需要解決氫的儲運問題。盡管氫的能量密度比較高，但其體積能量密度很低，所以發(fā)展的難點還在于氫的儲運。
氫的儲運方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機化合物儲運氫、管道輸氫等，其中高壓儲氫、液氫、管道輸氫均需加壓氫氣。因而，較高壓力的 PEM 電解水制氫具有與儲氫需求匹配的天然優(yōu)勢。
高壓儲運氫是中小量用氫的常用方法，在200千米距離以內(nèi)，單輛魚雷車每天可運輸10噸氫，包括壓縮、存儲設備折舊費用在內(nèi)的綜合運費約為2元/千克。材料儲氫安全性好，但儲氫容量低（1%～2%），僅適合原地儲氫；若用于運輸，運輸費用明顯過高。有機化合物儲運氫的儲氫容量可達5%～6%，運輸要求與液體燃料類似，到達目的地后需應用脫氫設備進行處理，脫氫溫度約為200攝氏度。日本計劃采用甲苯與甲基環(huán)己烷的轉(zhuǎn)化來進行氫儲運，從澳大利亞向本土運氫。
據(jù)衣寶廉介紹，一個快速儲運氫的新方向是利用現(xiàn)有天然氣管道輸氫：在運氫端，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送；在用氫端，從管道提取天然氣/氫氣混合氣，進行重整制氫。德國已有天然氣管網(wǎng) 20%混氫的工程案例。法國 GRHYD 項目在 2018 年開始向天然氣管網(wǎng)注入含氫氣（摻混率為 6%）的天然氣，2019 年氫氣摻混率達到20%。英國在HyDeploy 項目中實施了零碳制氫，2020 年向天然氣管網(wǎng)注入氫氣（摻混率為 20%），驗證了電解水制氫注入氣體管網(wǎng)的技術(shù)可行性。更為理想的情況是新建純氫管道，歐洲多國啟動了輸送純氫管網(wǎng)的初步規(guī)劃論證，但開工建設尚需時日。
我國西北、東北地區(qū)的風能、太陽能資源豐富，西南地區(qū)的水電資源豐富，需要將電能輸送至東部能源負荷中心。我國海上風電資源也比較豐富，是繼英國、德國之后的世界第三大海上風電國家，快速發(fā)展的海上風電也需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。利用這些可再生能源電力，通過 PEM電解水方式獲得綠氫，將氫通過現(xiàn)有的天然氣管道輸送至用氫地區(qū)，將為氫的長距離輸送、氫能產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的可行方案。據(jù)計算，基于這一方案，終端加氫成本預計小于40元/千克，完全可以和燃油進行競爭。
隨著我國風、光、水等可再生能源的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)消納的壓力將逐步加大，預計電解水制氫技術(shù)與應用將進入穩(wěn)步上升期。堅持氫能綠色利用的初衷，積極發(fā)展以PEM電解水制氫為代表的綠氫制備技術(shù)，有利于實現(xiàn)可再生能源的規(guī)?；l(fā)展。
為此，衣寶廉建議，結(jié)合我國西北、西南、東北、沿海等地區(qū)可再生能源豐富的天然稟賦，加大利用可再生能源進行PEM電解水制氫的示范力度。結(jié)合商業(yè)化推廣，全面降低PEM電解水制氫的成本，適應可再生能源規(guī)模化發(fā)展態(tài)勢。在西北、西南、東北、沿海等地區(qū)進行大規(guī)模的電解水制氫裝備應用，將高壓氫摻混后送入天然氣管網(wǎng)，用氫地區(qū)則從天然氣管道中取氫。天然氣中的氫濃度為5%～20%時，用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫；氫濃度低于5%時，采用混合氣重整制氫方法，由此既不增加二氧化碳排放，也具有長距離輸氫的技術(shù)可實現(xiàn)性。
