“氫能十解”之一：解鎖氫能新紀元

　　為進一步促進我國氫能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院在前期氫能研究的基礎(chǔ)上撰寫了“氫能十解”系列文章。

　　專題共分為十個篇章，依次為《解鎖氫能新紀元》《氫能的綠色尋蹤》《氫基能源制取之謎》《氫基能源流動之旅》《氫基能源應(yīng)用拼圖》《氫與電的交響曲》《新型能源體系的氫密碼》《氫基能源規(guī)模之密》《氫能關(guān)鍵技術(shù)之問》和《全球綠色氫能中心愿景》。

　　針對氫能發(fā)展一系列問題，“氫能十解”提出具有前瞻性的思路，為能源行業(yè)從業(yè)者提供參考，為企業(yè)提供市場拓展導(dǎo)向，為社會公眾提供認知途徑。我們希望“氫能十解”的出爐與傳播，能夠激發(fā)更多創(chuàng)新思維，匯聚各方力量，形成業(yè)界共識，協(xié)同推進氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，為建設(shè)一個清潔、低碳、安全、高效的中國現(xiàn)代能源系統(tǒng)貢獻力量。

　　氫的歷史：從拉瓦錫到拉·庫爾

　　氫，宇宙中豐度最大的元素，在地球上氫的單質(zhì)通常以氣態(tài)形式存在，擁有工業(yè)原料和能源載體的雙重身份。過去，氫更多地作為一種基本工業(yè)原料或產(chǎn)物出現(xiàn)在化工行業(yè)中，或作為化石原料的重要成份被固化在煤炭、石油或天然氣中。在全球化石能源短缺和氣候變化的雙重壓力下，氫因其可再生、零排放、高能量密度的綠色屬性，受到了越來越多的關(guān)注。

　　16世紀瑞士化學家發(fā)現(xiàn)將鐵溶解在硫酸中的過程會釋放出一種神秘的氣體，這是人類有記錄的首次人工獲得氫單質(zhì);1766年，亨利·卡文迪什通過相似的實驗收集到了氫氣并將其點燃獲得了水。1783年，法國化學家拉瓦錫首先命名了氫氣，意為“成水元素”;1800年，兩位英國科學家尼克爾森和卡萊爾首次用電流將水分解成了氣體，據(jù)此發(fā)明了電解槽，揭示了氫與電這對綠色未來愿景隱秘但密切的關(guān)系。

　　氫能是氫分子和氧分子反應(yīng)生成水時放出的能量，準確地說應(yīng)該是水相對于氫氣和氧氣的能量。1mol的氫氣能量即是1mol的氫氣與1/2mol的氧氣所具有的能量與1mol的水(液體)具有的能量差。標準狀態(tài)下(標準大氣壓，25℃)，標準焓變是-285.830kJ，標準自由能的變化是-237.183kJ。氫的熱值高達120MJ/kg，約為92號汽油(約44MJ/kg)的2.7倍，天然氣(約46MJ/kg)的2.6倍，標準煤(約29.3MJ/kg)的4.1倍。

　　事實上，氫氣作為能源應(yīng)用的歷史遠比我們所認為的長，早在19世紀末，丹麥發(fā)明家拉·庫爾為了解決如何儲存風車產(chǎn)生電能的問題，將一個水磨坊風車產(chǎn)生的電力通過電解水生產(chǎn)氫，并將氫直接作為儲備燃料使用。這也可以視為人類首次將氫作為可再生能源進行制備、存儲和使用，盡管當時并沒有相似的概念。歷史中，拉·庫爾采用風車發(fā)出的電能制氫并通過12立方米的儲罐進行存儲，由氫能供給的小鎮(zhèn)用電，數(shù)年間沒有出現(xiàn)過供電中斷的情況，這也可以認為是氫首次應(yīng)用于電網(wǎng)儲能。

　　潮起潮落：從石油危機到氣候變化

　　歷史上氫能利用的熱潮都與能源和環(huán)境問題有關(guān)，1970年代的石油危機，空氣污染和酸雨等環(huán)境問題，使得利用煤炭和核能制氫在20世紀70年代倍受關(guān)注，到80年代油價回落和大規(guī)模的抵制核能運動的爆發(fā)，對氫能的研究熱情就冷卻了下來，到了21世紀初直至今天，隨著氣候變化的問題再次被提及，社會對氫能的研究再次升溫。

　　美國是第一個將氫能作為國家戰(zhàn)略的國家，1970年，通用汽車公司技術(shù)中心首先提出“氫經(jīng)濟”概念。1990年美國政府就頒布了《氫能研究、發(fā)展及示范法案》，制定了氫能研發(fā)5年計劃。2002年11月，美國能源部發(fā)布《國家氫能發(fā)展路線圖》，就美國氫能發(fā)展的目的、影響氫能發(fā)展的各種因素，以及氫能各環(huán)節(jié)技術(shù)現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展路徑進行了詳細的設(shè)計和闡述。此后美國政府頒布了一系列法令、政策，使美國“氫經(jīng)濟”概念逐步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。2022年9月美國能源部發(fā)布《國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖(草案)》，指出到2050年清潔氫能將貢獻約10%的碳減排量，到2030年、2040年和2050年美國清潔氫需求將分別達到1000萬噸/年、2000萬噸/年和5000萬噸/年。

　　歐盟作為最早探索氫能應(yīng)用的地區(qū)之一在發(fā)展氫能上具備一定的優(yōu)勢，其氫能發(fā)展政策較為完善、科研體系成熟、投資力度大。2018年歐盟提出《2050年長期戰(zhàn)略》，在涉及氫能的“地平線歐洲”計劃中，將拿出35%資金投資氣候相關(guān)目標，開發(fā)具有成本效益的創(chuàng)新型解決方案，其中主要涉及氫和燃料電池。2019年《歐洲綠色協(xié)議》提出，到2030年工業(yè)部門的氫能應(yīng)用中綠氫占比超過50%，對航運用燃料電池和加氫站建設(shè)提出了更具雄心的發(fā)展目標。2020年歐盟發(fā)布關(guān)于氫能發(fā)展的指導(dǎo)性文件《歐洲氫能戰(zhàn)略》，旨在為歐洲建立一個整合的氫能市場提供一個清晰的愿景和路線圖。2022年《REPowerEU計劃》提出多個促進氫能發(fā)展政策，力爭到2030年實現(xiàn)2000萬噸綠氫的供應(yīng)，成立“歐洲氫能銀行”，投資30億歐元助力發(fā)展氫能市場。

　　德國、法國、西班牙、意大利、芬蘭等多國相繼通過了國家氫能戰(zhàn)略。歐洲的氫能發(fā)展以德國為代表，德國傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)脫碳需求大，氫在鋼鐵、化工、發(fā)電供熱等領(lǐng)域均有部署。2020年6月，德國內(nèi)閣通過了《國家氫能戰(zhàn)略》，旨在推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占氫能技術(shù)領(lǐng)域的高峰。《國家氫能戰(zhàn)略》中宣布至少投入90億歐元用于發(fā)展氫能;法國公布了《國家氫能戰(zhàn)略》后，正式成立國家氫能委員會，有別于歐盟部分國家力推的化石燃料配合碳捕捉和封存技術(shù)的“藍氫”發(fā)展路線，法國始終堅持采用可再生能源的“綠氫”路線;西班牙可再生能源資源豐富，可再生能源裝機量占比高，西班牙將可再生能源制氫作為能源和經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略選項;意大利將推廣氫燃料汽車作為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口，將大幅提升本土氫燃料汽車的應(yīng)用規(guī)模，逐步取代柴油車;氫是芬蘭國家能源和氣候戰(zhàn)略的一部分，芬蘭發(fā)布的《芬蘭氫能路線圖》中，重點展望了合成燃料的生產(chǎn)、低碳氫的生產(chǎn)以及氫替代煤炭降低工業(yè)中產(chǎn)生的碳排放等內(nèi)容。

　　現(xiàn)階段，日本已具備了扎實的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，形成了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策制定和修訂機制，先后出臺10余項氫能戰(zhàn)略性政策。日本政府早在2014年4月就決定實施“能源基本計劃”，確定建設(shè)“氫社會”目標。2017年12月，日本政府制定了世界上第一個國家層面的氫能戰(zhàn)略《能基本戰(zhàn)略》，對氫能產(chǎn)業(yè)鏈的各個細分領(lǐng)域設(shè)定了明確目標。2019年3月，為確保實現(xiàn)基本戰(zhàn)略所設(shè)置的各項目標，日本政府制定《氫能燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，進一步細化了氫能發(fā)展目標提出相關(guān)戰(zhàn)略舉措并設(shè)置了評價工作組，定期對各領(lǐng)域的進展實施跟蹤與評價。在《氫能燃料電池戰(zhàn)略路線圖》指導(dǎo)下，2019年9月，日本政府制定了《氫能燃料電池技術(shù)開發(fā)戰(zhàn)略》，確定以三大領(lǐng)域的十項技術(shù)為重點開發(fā)對象隨后，在2020年10月出臺《綠色增長戰(zhàn)略》，明確了氫能的定位，并在2021年6月18日將其修訂為《2050碳中和綠色增長戰(zhàn)略》，以促進機構(gòu)和監(jiān)管改革，加大資金支持力度，推動創(chuàng)新研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型。

　　以沙特和阿聯(lián)酋為代表的中東地區(qū)正在積極布局氫能產(chǎn)業(yè)，并與德國、美國、日本和韓國在貿(mào)易、科技、示范等領(lǐng)域建立廣泛合作。中東地區(qū)國家尚未出臺明確的氫能發(fā)展戰(zhàn)略，但中東是以能源輸出為主的地區(qū)，藍氫和綠氫并行發(fā)展將成為沙特和阿聯(lián)酋等國氫能發(fā)展的重要路徑。2016年沙特《2030愿景》提出了實現(xiàn)經(jīng)濟的多元化、減少對石油依賴的目標，并于2017年開始打造完全由可再生能源供電的“新未來”智能城市-NEOM，在NEOM中布局綠氫產(chǎn)業(yè)，加快實踐《2030愿景》。阿聯(lián)酋也致力于全產(chǎn)業(yè)鏈減少碳排放，計劃到2030年碳排放量較2016年減少24%，并將依托資源優(yōu)勢開展氫能產(chǎn)業(yè)布局，既通過CCUS技術(shù)擴大藍氫生產(chǎn)規(guī)模，也把風、光等的可再生能源制取綠氫納入發(fā)展規(guī)劃。

　　當前全球范圍正興起“氫能經(jīng)濟”和“氫能社會”的發(fā)展熱潮，氫能已進入產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展新階段，截至2022年12月，全球已有42個國家及地區(qū)發(fā)布了明確的氫能發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，歐美日韓等20多個主要經(jīng)濟體已將發(fā)展氫能提升到國家戰(zhàn)略層面，相繼制定發(fā)展規(guī)劃、路線圖以及相關(guān)扶持政策，加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程。

　　先立后破：“雙碳”目標下的新型電力系統(tǒng)

　　面對日趨嚴峻復(fù)雜的國際政治經(jīng)濟形勢，大國博弈導(dǎo)致的地緣政治格局動蕩對能源安全造成嚴重沖擊，全球能源供需格局面臨深度調(diào)整。中國油氣進口集中度高，航運通道風險大，中國能源安全面臨的外部形勢更趨復(fù)雜。在能源安全和碳減排的雙重要求下，無碳和低碳燃料相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來重大機遇?？稍偕茉粗迫〉木G氫，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域化石能源制氫的替代，也可以在鋼鐵、化工、交通等難以通過可再生能源實現(xiàn)降碳的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　電力領(lǐng)域碳減排是實現(xiàn)“雙碳”目標的主戰(zhàn)場，其主要手段在于不斷提高太陽能、風能等新能源在電力系統(tǒng)中的占比。近年來，我國的新能源發(fā)電成本快速下降，裝機規(guī)模快速提升，但光伏、風電存在間歇性、隨機性、波動性的特點，無法直接滿足電網(wǎng)及用戶的需求，如無有效的調(diào)節(jié)方案將造成了大量的棄風、棄光現(xiàn)象。

　　作為破題之道，氫可在源網(wǎng)荷儲四方面與電力系統(tǒng)深度融合，支撐新能源大規(guī)模開發(fā)利用。

　　在電源方面，氫可通過燃氣輪機甲烷摻氫燃燒、氫燃料電池、煤電鍋爐摻氨燃燒等手段降低發(fā)電端的碳排放，實現(xiàn)發(fā)電端的靈活性調(diào)節(jié)。在網(wǎng)方面，氫可通過管道進行長距離輸送，可以作為特高壓電力輸送的一種有效補充。在負荷方面，電解水可作為柔性負荷，可提供需求側(cè)靈活響應(yīng)，實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模消納。在儲能方面，氫作為儲能手段，可實現(xiàn)電、熱、氫三者安全高效地互相轉(zhuǎn)化，是一種跨日、月、季節(jié)的長時儲能形式。

　　能源轉(zhuǎn)型：氫能引領(lǐng)的新型能源系統(tǒng)解題之法

　　目前全世界正處于能源生產(chǎn)和消費革命新時代，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系是未來能源發(fā)展的方向。我國能源結(jié)構(gòu)是以高碳的化石能源為主，推動碳減排，就必須推動以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。能源系統(tǒng)低碳化需要供應(yīng)方和消費方進行系統(tǒng)性的轉(zhuǎn)變，油氣資源未來將與可再生能源協(xié)同開發(fā)、相互轉(zhuǎn)化、共同利用，形成以化石能源為代表的油氣資源和以氫能、電能為代表的可再生能源共同構(gòu)成的新型能源系統(tǒng)。新型能源系統(tǒng)應(yīng)該是由以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)和以“新型油氣”為主體的新型非電系統(tǒng)兩部分作為主要支撐，兩者相互促進，相互依托，以綠色氫能為橋梁，共同組建中國式新型能源體系。為此，新型能源系統(tǒng)需要在建設(shè)分布式能源設(shè)施，發(fā)展多能融合的區(qū)域供能系統(tǒng)，支持清潔燃料接入油氣管網(wǎng)等方向?qū)で笸黄啤?/p>

　　大規(guī)模電氣化是實現(xiàn)降碳的有力抓手。然而，仍有部分行業(yè)難以通過直接電氣化實現(xiàn)降碳，包括鋼鐵、化工、公路運輸、航運和航空等。由于氫能具有動力燃料和工業(yè)原料雙重屬性，通過構(gòu)建“電-氫”耦合體系可以在穩(wěn)定電力系統(tǒng)同時，實現(xiàn)綠色能源以氫的形式向新型能源系統(tǒng)拓展，在難以通過直接電氣化實現(xiàn)降碳的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　氫能可以促進更高比例的可再生能源發(fā)展，有效減少我國對油氣的進口依存度;“電-氫”耦合可以促進可再生能源消納，有助于可再生能源電力成本的降低，進而實現(xiàn)綠色電能和綠色氫能的經(jīng)濟性的共同提高;大規(guī)模建設(shè)的儲氫設(shè)施和輸氫管網(wǎng)可以實現(xiàn)能源的時空轉(zhuǎn)移，促進我國能源供應(yīng)和消費的區(qū)域平衡;氫能與電能作為能源樞紐，更容易耦合熱能、冷能、燃料等多種能源，共同建立互聯(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)，形成極具韌性的能源供應(yīng)體系，提高能源供應(yīng)體系的效率和經(jīng)濟性。

　　氨與甲醇：“氫基”能源的多元化轉(zhuǎn)變

　　氫氣的質(zhì)量能量密度(120MJ/kg)高，但常溫常壓下的體積能量密度(標況10.7MJ/m³)低，爆炸極限濃度(4%)低。目前氫主要以壓縮氣體或液體的形式儲存并輸送，經(jīng)濟性并不理想，人們一直在尋找氫的高效載體，實現(xiàn)氫能安全、高效且廉價的存儲和輸送。

　　氨作為儲氫載體和理想零碳燃料的研究近年來得到迅速發(fā)展，其生產(chǎn)技術(shù)工業(yè)化成熟，儲存運輸難度小，并更易于長時間儲存和運輸。氨既可與煤粉混燒發(fā)電，也可單獨應(yīng)用于鍋爐和燃氣輪機發(fā)電，亦可替代化石燃料應(yīng)用于船用內(nèi)燃機，其將隨著技術(shù)的進步成為一種重要的二次能源。目前以氨供氫、以氨代氫也已成為國際發(fā)展趨勢之一，各主要經(jīng)濟體均對其規(guī)?；a(chǎn)和使用高度重視。

　　甲醇亦是理想的儲氫載體。作為重要的化工原料，是有機合成工業(yè)的重要中間體和溶劑，在化學工業(yè)中具有重要地位，其在能源和化工產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)基本成熟，已經(jīng)具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件。作為一種動力燃料，甲醇具備高辛烷值，可用作內(nèi)燃機中的汽油添加劑或替代品，既可實現(xiàn)內(nèi)燃機高效燃燒，還可降低碳和氮氧化物的排放，可以作為汽油的低成本替代品。

　　因此，氫能的發(fā)展無法脫離氨醇，一方面，氨和甲醇是氫的重要下游產(chǎn)物，工業(yè)應(yīng)用廣泛且具有較為成熟的綠色制取手段;另一方面，作為氫的載體，氨和甲醇更方便儲存和運輸，可以作為重要的化石能源替代品，實現(xiàn)發(fā)電、交通等領(lǐng)域的降碳減排。從能源供給端來看，氫基能源與電能類似，長遠看，將成為未來清潔能源體系中重要的二次能源;從能源消費端來看，氫基能源是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體;從工業(yè)生產(chǎn)過程來看，氫基能源是重要的清潔低碳工業(yè)原料。因此，我們已可以隱約看到包括氫、氨、甲醇在內(nèi)的氫基能源在未來能源體系中的重要角色。

　　氫能體系：氫能發(fā)展的中國貢獻

　　“氫基”能源作為電能之后極具潛力的二次能源，其發(fā)展路徑具有多元化的特征。從供應(yīng)端來看，未來將形成以可再生能源制氫為主體，化石能源制氫+碳捕捉、生物質(zhì)制氫為補充的多元供氫格局;從消費端來看，未來將形成氫基能源回流發(fā)電、交通消費、工業(yè)消費和跨地區(qū)輸運并重的多元應(yīng)用局面。

　　與發(fā)達國家相比，我國氫能的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，各個環(huán)節(jié)裝備及產(chǎn)品的性能、使用壽命、制造工藝等方面較國際第一技術(shù)梯隊仍有一定差距。然而，我國具有良好的氫基能源供應(yīng)和應(yīng)用市場，且是目前全球唯一具有氫能全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢的國家，發(fā)展氫能的規(guī)?；瘍?yōu)勢顯著。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制-儲-輸-用四個主要階段，其多元化特點顯著，規(guī)?；l(fā)展是實現(xiàn)氫能行業(yè)攻克難題、降本增效的有效途徑。氫基能源體系建設(shè)可有效釋放全國規(guī)模化新能源制氫潛力，拉動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?；l(fā)展，有效加速我國氫能領(lǐng)域核心競爭力提升，培育我國新能源產(chǎn)業(yè)第二個增長極，促進國內(nèi)經(jīng)濟持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

　　當前全球正經(jīng)歷百年未有之大變局，我國審時度勢提出了“四個革命，一個合作”的能源發(fā)展新戰(zhàn)略。立足國情，加速氫能的規(guī)?；l(fā)展，不但可以為我國能源安全與低碳轉(zhuǎn)型保駕護航，同時有望通過“氫能牌”助力全球氣候治理下的能源轉(zhuǎn)型，加強氫能領(lǐng)域國際合作，為全球能源安全和綠色轉(zhuǎn)型提供中國方案。展望未來，氫能產(chǎn)業(yè)大有可為，將我們一起為其下一步的波瀾壯闊的發(fā)展而蓄勢待發(fā)吧。(作者：李昇 姜海 余官培，作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計總院)