氫能被視為21世紀最具潛力的清潔能源，是未來能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。2024年我國政府工作報告中提到加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)展氫能不僅關(guān)系到我國能源安全和環(huán)境保護，更是推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)綠色發(fā)展的關(guān)鍵力量。
氫能目前主要應用在能源、冶金、化工等領(lǐng)域，隨著頂層政策設(shè)計和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，氫能的應用呈現(xiàn)多元化發(fā)展，在交通、儲能、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域的運用也在逐步擴展并成熟。
陸地交通：
成本下降助推氫燃料電池廣泛運用
打開環(huán)衛(wèi)車“油箱蓋”，向內(nèi)加注氫燃料，幾分鐘后，拔槍、啟動，車輛緩緩開走……這樣的場景是廣州高新區(qū)加氫站里的日常一幕。
在廣州高新區(qū)，這樣的加氫站有11座，為500輛氫燃料電池車提供加氫服務，創(chuàng)造了全國最大規(guī)模的氫燃料電池車示范項目。
不止廣州，就在距離廣州2153公里的天津，同樣有一座氫能交通樞紐。這座位于天津的氫能交通集群有這樣3條零碳貨運線路——“天津港-榮程鋼鐵廠區(qū)-靜海區(qū)客戶端”“天津港-河北定州旭陽焦化-榮程鋼鐵廠區(qū)”“榮程鋼鐵廠區(qū)-河北霸州客戶端”，自2021年8月以來，4座加氫站已建成投用，275輛氫燃料電池重卡實現(xiàn)穩(wěn)定運營，氫能重卡累計減排二氧化碳近10000噸。
氫能在交通領(lǐng)域得到快速發(fā)展，原因有多個方面，其中之一就是氫燃料電池技術(shù)的成熟。氫燃料電池是交通領(lǐng)域中氫能應用最為成熟的部分，氫燃料電池將化學能轉(zhuǎn)換為電能，進而驅(qū)動車輛行駛。這種車輛類型具有零排放、高效率、低噪音、續(xù)航能力強、加氫快、載重量大等優(yōu)勢，適用于重型和長途運輸。
還是以廣州高新區(qū)氫燃料電池車示范項目為例，500輛氫燃料電池車里除了重卡，還包括4.5噸冷藏車、清掃車、物流車、公共巴士等眾多車型，是廣州在氫燃料電池車應用場景中的一項重大突破，也是粵港澳大灣區(qū)首次實現(xiàn)雙極板、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)器三大關(guān)鍵零部件及燃料電池系統(tǒng)本地化生產(chǎn)，車輛采用國內(nèi)領(lǐng)先的動力配置，燃料電池系統(tǒng)綜合效率超63.8%。
氫燃料電池是交通領(lǐng)域中氫能應用最為成熟的部分，其將化學能轉(zhuǎn)換為電能，進而驅(qū)動車輛行駛。圖為廣州高新區(qū)氫燃料電池車示范項目。
全工作周期只排放水，并且能實現(xiàn)多種場景應用的氫燃料電池之所以能大面積推廣，還有高成本問題得以攻堅的原因。
幾年前在制造環(huán)節(jié)，國內(nèi)的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，大多尚未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，部分核心材料、技術(shù)存在發(fā)展瓶頸，企業(yè)研發(fā)投入較高，產(chǎn)品產(chǎn)量較小，制造成本居高不下。現(xiàn)在氫燃料電池已進入成本下降的快速通道，與十多年前動力電池成本快速下降軌跡相似。中國科學院院士、清華大學教授、國際氫能與燃料電池協(xié)會理事長歐陽明高表示，技術(shù)進步和規(guī)?；a(chǎn)使得燃料電池系統(tǒng)成本正在快速下降，預計到2030年會降到500元/kW。
航運領(lǐng)域：
可滿足港口和不同船舶的能源需求
國際海事組織的數(shù)據(jù)顯示，全球航運業(yè)的溫室氣體排放量約占世界總排放量的2.5%，航運業(yè)向更可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型具有緊迫性。氫能作為一種清潔能源，正在被廣泛研究和探索，以實現(xiàn)港口和遠洋航運的脫碳目標。
氫能在船舶運輸方面的運用同樣體現(xiàn)在氫燃料電池上。氫燃料電池船舶因其零排放的特性，被視為實現(xiàn)航運業(yè)減排目標的有效解決方案之一。氫能船舶除了環(huán)保優(yōu)勢外，還具備續(xù)航里程長、動力穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。根據(jù)市場研究，預計到2025年，氫燃料電池系統(tǒng)船舶的數(shù)量將顯著增加，市場規(guī)模有望達到百億元級別。
氫燃料電池適用于不同類型的船舶和應用場景，包括內(nèi)河船舶、沿海船舶和遠洋船舶，能夠滿足不同的能源需求。早在2019年，中國船舶集團已經(jīng)自主研發(fā)了2000噸級氫燃料電池自卸貨船，顯示了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的初步探索。2023年10月11日，國內(nèi)首艘入級中國船級社氫燃料電池動力船“三峽氫舟1”號在湖北宜昌順利完成首航。這標志著氫燃料電池技術(shù)在內(nèi)河船舶應用實現(xiàn)零的突破。
盡管氫能船舶具有巨大潛力，但仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，包括船舶空間限制、儲氫困難、配套設(shè)施不完善等。隨著氫能船舶的大規(guī)模使用，氫能港口的建設(shè)尤為重要。
氫能港口建設(shè)是一個重要的戰(zhàn)略方向，我國的一些港口早已開始積極探索和實施氫能港口建設(shè)項目。我國首個全場景氫能港口——山東青島港，就是氫能產(chǎn)業(yè)的一個典型案例。這主要得益于其構(gòu)建了全國首個港口低碳清潔能源供給體系。
青島港于2022年建成了國內(nèi)首座全資質(zhì)港口加氫站，實現(xiàn)全天候智能化、實時化、動態(tài)化安全運營管控;量身定制液驅(qū)式壓縮機，滿足氫能車輛高頻加注需求;配備大流量雙槍加氫機，充裝效率提高50%，日加氫能力1000公斤以上，累計加氫量超80000公斤，減少碳排放超1000噸，構(gòu)建了“低成本、高效率、高可靠”的港口氫能供給體系。
青島港在全國率先實現(xiàn)港口氫能車輛規(guī)?；痉哆\營，錨定港口專用車型氫電耦合需求，研發(fā)港口專用氫能集卡，最大牽引能力超70噸，百公里運行氫耗低至9.7公斤;推廣應用各類港口專用氫能車輛50輛，累計運營里程80萬公里。此外，青島港還率先研制全球首艘7000匹超大功率氫電混合動力拖輪，真正實現(xiàn)零排放、零污染，為船舶低碳環(huán)保轉(zhuǎn)型樹立新標桿。
工業(yè)領(lǐng)域：
全球最大綠氨項目落地吉林大安
氫氣還是一種重要的工業(yè)原料，其在石油和化工行業(yè)中用于生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品，廣泛應用于合成氨、合成甲醇等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中。在冶金工業(yè)中，氫氣可以作為還原劑，替代焦炭和天然氣，有助于減少煉鐵和煉鋼過程中的碳排放。
氫能在冶金領(lǐng)域的應用主要體現(xiàn)在鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型中。氫能作為一種清潔能源，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料，用于鋼鐵生產(chǎn)過程中的還原反應，從而減少二氧化碳的排放。
利用氫作為還原劑代替碳還原，是減少長流程煉鋼CO2排放的重要途徑之一。氫能可以替代化石燃料應用于高爐煉鐵、燒結(jié)、熱風爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等生產(chǎn)工序。另外，還有高爐富氫冶煉技術(shù)，向高爐內(nèi)噴吹富氫氣體或氫氣，有助于增加生鐵產(chǎn)量，降低碳排放;還有氣基直接還原豎爐工藝，利用H2、CO混合氣體將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵，減碳幅度可達50%以上。
在工業(yè)當中，氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應合成簡單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態(tài)燃料實質(zhì)上可以達成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。
綠氨是極具前景的氫能發(fā)展方向。一方面綠氨可以作為綠氫的載體，解決氫儲運難題;另一方面，綠氨也可以直接應用于燃料電池或者作為燃料燃燒。
就在吉林大安市，就有這樣一座綠氨項目——吉林大安風光制綠氫合成氨一體化示范項目(簡稱“大安項目”)。該項目不僅是中國在氫能領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新實踐，也是全球最大的綠氨項目。
大安項目是由綠氫合成氨，不是單純的制氫、儲氫、加氫，而是風光制氫合成氨一體化項目。大安項目工程總占地面積約28.12萬平方米，項目總投資63.32億元，由新能源與制氫合成氨兩部分組成，其實現(xiàn)了6項技術(shù)國內(nèi)第一、3項技術(shù)國際領(lǐng)先。這些技術(shù)包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、氫能、綠氨等多種清潔能源形式，形成了電-氫-氨全產(chǎn)業(yè)鏈。項目投產(chǎn)后，預計每年可減少CO_2排放65萬噸，有力助推我國實現(xiàn)碳達峰碳中和目標。
建筑領(lǐng)域：
熱電聯(lián)供助力建筑節(jié)能改造
建筑領(lǐng)域需要消耗大量的電能和熱能，已與交通領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域并列為我國三大“耗能大戶”。據(jù)《2020中國建筑能耗研究報告》，2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億噸，占全國碳排放的比重為51.3%，其中建筑運行階段碳排放21.1億噸，占全國碳排放的比重為21.9%。
隨著低碳轉(zhuǎn)型的需求，氫能建筑開始受到關(guān)注。氫能建筑的可行性、可持續(xù)性和靈活性正在接受實踐和市場的檢驗。
首先是氫燃料電池熱電聯(lián)供技術(shù)開始投入使用。氫燃料電池不僅能為交通提供能源，還可以用于建筑的電力供應，同時余熱可以回收用于供暖和熱水供應。氫能建筑利用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)的高效利用，可以同時提供冷、熱、電和生活熱水供應，整體能量利用率高。這種熱電聯(lián)產(chǎn)方式的綜合效率可以達到85%左右，相比單獨發(fā)電的效率有顯著提升。
當前，我國氫能在建筑領(lǐng)域的燃料電池熱電聯(lián)供的使用還處在項目示范應用階段。2021年11月，全國首座氫能進萬家智慧能源示范社區(qū)項目——丹青苑社區(qū)在佛山南海正式投運，標志著佛山率先引入氫燃料電池為社區(qū)供能。該項目建筑面積超10萬平方米，通過技術(shù)創(chuàng)新，將太陽能光伏引入電解水制氫設(shè)備，同時配置氫燃料電池聯(lián)供設(shè)備，為社區(qū)住戶提供不間斷的電力、暖氣和生活熱水，實現(xiàn)能源自給和二氧化碳零排放，把普通的居民社區(qū)建設(shè)成一個擁有風、光、電、氣多種能源互補系統(tǒng)的智慧能源社區(qū)。
目前，包括四川、遼寧、北京、珠海、深圳等在內(nèi)的13個省、40多個市縣都在積極推進氫燃料電池熱電聯(lián)供項目的發(fā)展，并提出了具體的政策和目標。比如，2022年8月，《遼寧省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2025年)》提出，到2025年，全省分布式發(fā)電系統(tǒng)、備用電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)裝機容量達到100兆瓦。
在建筑物中引入氫能利用系統(tǒng)，可以作為建筑節(jié)能改造和打造凈零能耗建筑的有效解決方案。例如，豐田公司在其總部大樓棱鏡大廈中引入了氫能源系統(tǒng)，利用太陽能發(fā)電制造的綠氫和燃料電池在用電高峰時為建筑提供電力。
氫能供電：
氫儲能有效實現(xiàn)“削峰填谷”
氫能作為一種新型儲能形式，可以在用電低谷期利用富余的可再生能源電力電解水制取氫氣，然后在高峰期通過燃料電池或氫氣透平裝置發(fā)電并入電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的儲存和轉(zhuǎn)換。氫儲能具有高密度、大容量和長周期儲存的特點，可以提供調(diào)峰輔助容量，緩解電網(wǎng)峰谷差。
氫能與電力協(xié)同發(fā)展可以提供能源生產(chǎn)、儲存、轉(zhuǎn)化、應用等多層面的靈活性，有效平抑新能源發(fā)電的波動性。氫儲能可作為“虛擬輸電線路”，在輸配電系統(tǒng)阻塞時釋放電能，減少對輸配電系統(tǒng)容量的要求，可以參與電力需求響應，實現(xiàn)電價差額套利，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行效率。
另外，氫儲能可以作為能源樞紐，在源側(cè)和荷側(cè)實現(xiàn)多能源互補，促進綜合能源基地建設(shè)和綜合能源服務站的形成。氫儲能的大規(guī)模發(fā)展有助于電力系統(tǒng)形態(tài)的演進，促進新能源電力占比的提升，增強微電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率和電力系統(tǒng)的抗風險能力。
安徽六安兆瓦級制氫綜合利用示范工程就是氫儲能電站的典型案例。這是國內(nèi)首座兆瓦級氫儲能電站，利用質(zhì)子交換膜電解制氫和余熱利用技術(shù)，標志著我國首次實現(xiàn)兆瓦級制氫-儲氫-氫能發(fā)電的全鏈條技術(shù)貫通。據(jù)悉，該示范項目采用PEM(水電解制氫)技術(shù)，年制氫72.3萬標立方，氫發(fā)電127.8萬千瓦時，是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于調(diào)峰需求，可以將過剩的電力轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來，代替火力發(fā)電調(diào)峰，從而實現(xiàn)“削峰填谷”，推進電制氫技術(shù)應用和多能互補自愈式微電網(wǎng)應用。
不止安徽，各地“氫”起。各地對于氫能發(fā)電的探索處于百花齊放的狀態(tài)。就在寧夏，寧夏寶豐一體化太陽能電解水制氫儲能及綜合應用示范項目是全球單廠規(guī)模最大、單臺產(chǎn)能最大的電解水制氫項目，采用新能源發(fā)電—電解水制綠氫—綠氧直供煤化工的模式，每年可減少二氧化碳排放約44.5萬噸;不止陸地，就在海上，大陳島氫能綜合利用示范工程是全國首個海島“綠氫”綜合能源示范項目，通過構(gòu)建基于100%新能源發(fā)電的制氫—儲氫—燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，實現(xiàn)了清潔能源的百分百消納與全過程零碳供能。
■ 觀察
追溯源頭：“綠氫”如何制取?
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游包括制氫，中游包括氫的儲存和運輸，下游則涉及氫的綜合應用。中國作為世界上最大的制氫國之一，正積極推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并探索多種制氫技術(shù)路線，包括化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫等。
氫能是實現(xiàn)全過程零碳供能的方法之一，但是倘若它的制配方法不夠綠色，也不能稱之為“綠氫”。我們現(xiàn)在通常說的“綠氫”便是用可再生能源制配出的氫能，這種氫氣因其生產(chǎn)過程中的低碳或零碳排放特性，被認為是未來能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)碳中和目標的關(guān)鍵技術(shù)之一。
《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》中明確提出，到2035年，形成氫能多元應用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比重將明顯提升，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
水電解制氫是目前技術(shù)最為成熟且應用最廣泛的可再生能源制氫方式。使用可再生能源產(chǎn)生的電力通過電解水(H?O)分解成氫氣(H?)和氧氣(O?)。目前，用得比較多的制氫可再生能源主要有太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能等可再生能源。
光伏制氫便是利用太陽能光伏板產(chǎn)生的電能進行電解水制氫的方法。在新疆，就有這樣一座綠氫示范項目——新疆庫車綠氫示范項目，該項目采用光伏發(fā)電直接制氫，自2023年6月30日順利產(chǎn)氫以來，截至2024年5月30日，已安全平穩(wěn)運行335天。項目滿負荷生產(chǎn)后，每年可減少二氧化碳排放量約48.5萬噸。
新疆庫車綠氫示范項目位于新疆阿克蘇地區(qū)，采用光伏發(fā)電直接制氫，結(jié)合塔河煉化公司用氫需求，建設(shè)產(chǎn)、儲、輸、用氫一體化的綠氫煉化項目。項目電解水制氫能力2萬噸/年、儲氫能力28萬標立方。全球已投產(chǎn)的項目中，僅有新疆庫車綠氫項目電解槽規(guī)模達到260MW。
新疆庫車綠氫示范項目位于阿克蘇地區(qū)，采用光伏發(fā)電直接制氫，建設(shè)產(chǎn)、儲、輸、用氫一體化的綠氫煉化項目。
就在6月21日，中國工程院院士、深圳大學教授謝和平團隊成功實現(xiàn)海上風電驅(qū)動海水制氫，這是首次實現(xiàn)海上風電可再生能源和海水直接電解制氫一體化，并在大海中利用海上風電驅(qū)動海水制氫。
據(jù)悉，謝和平院士團隊自主研制的386L/hH2原理樣機在深圳灣海水中穩(wěn)定制氫超3200小時，全面解決了多年困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的難題;完美破解了海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀難題，實現(xiàn)了把取之不盡的海水當純水一樣直接用于電解制氫。
新京報零碳研究院研究員 陶野
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