文 | 李建林 李光輝 馬速良 王含
我國(guó)力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在2021 年全國(guó)兩會(huì)上，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告。如何高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，已成為中國(guó)未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展與轉(zhuǎn)型的必然要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，能源的生產(chǎn)和消費(fèi)環(huán)節(jié)均要走向綠色低碳的道路。
氫能將在全球能源新格局中扮演重要角色，其發(fā)展所帶來(lái)的科技創(chuàng)新、行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和巨量投資機(jī)會(huì)是提高社會(huì)生產(chǎn)力和綜合國(guó)力的戰(zhàn)略支撐，已讓世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家趨之若鶩。氫能在我國(guó)的碳中和路徑中也將扮演重要角色：氫能的利用可以實(shí)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(jìn)行能量再分配；充當(dāng)能源緩沖載體提高能源系統(tǒng)韌性；降低交通運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放；降低工業(yè)用能領(lǐng)域的碳排放；代替焦炭用于冶金工業(yè)降低碳排放，降低建筑采暖的碳排放。
我國(guó)氫能源發(fā)展目前主要集中在氫燃料電池汽車(chē)及配套加氫站建設(shè)方向。2018年下半年以來(lái)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展熱情空前高漲，在氫燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域的布局已初見(jiàn)成效。然而，作為一種二次能源，氫能的潛力卻遠(yuǎn)不止于氫燃料電池汽車(chē)，利用氫能在電力、工業(yè)、熱力等領(lǐng)域構(gòu)建未來(lái)低碳綜合能源體系已被證明擁有巨大潛力。
01、氫能在未來(lái)綠色能源結(jié)構(gòu)中的作用
當(dāng)前世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在全球碳排放量依舊加劇與可再生能源比例增加、多種新能源共存這2種趨勢(shì)的共同作用下形成新的未來(lái)能源體系。然而，新體系仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括可再生能源裝機(jī)規(guī)模增加所帶來(lái)的波動(dòng)性以及能源供需距離過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。
氫能的價(jià)值在于可為各種關(guān)鍵性的能源挑戰(zhàn)提供應(yīng)對(duì)策略，即為多種能源之間的物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換提供解決方案，氫能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的作用如圖1所示。《歐洲氫能路線圖》中對(duì)氫能價(jià)值的描述如下：首先，氫是當(dāng)前交通、工業(yè)和建筑等碳排放大戶實(shí)現(xiàn)大規(guī)模脫碳的最現(xiàn)實(shí)選擇；其次，氫在可再生能源生產(chǎn)、運(yùn)輸、消費(fèi)過(guò)程中發(fā)揮著重要的系統(tǒng)性調(diào)節(jié)作用，可提供一種能靈活地跨領(lǐng)域、跨時(shí)間和跨地點(diǎn)的能源流通體系；最后，氫的利用方式更符合當(dāng)前使用者的偏好和習(xí)慣。在未來(lái)能源系統(tǒng)中，氫具有替代煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源的潛力。
圖1 氫能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的作用
根據(jù)各國(guó)氫能發(fā)展路線所描繪的圖景，在制氫方面，利用趨于成熟的PowertoGas(PtG)技術(shù)，將“棄風(fēng)、棄光”等無(wú)法并網(wǎng)的可再生能源電解水制氫，以解決可再生能源的消納問(wèn)題。在儲(chǔ)運(yùn)方面，氫可通過(guò)管道、海上液化運(yùn)輸、汽車(chē)等多種方式進(jìn)行運(yùn)輸，在減少電力基礎(chǔ)設(shè)施投資的條件下，解決了可再生能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)與遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問(wèn)題。在氫能利用方面，由于與天然氣性質(zhì)類(lèi)似，氫可直接作為燃料，按照一定比例混入天然氣中進(jìn)行混燒或在純氫燃?xì)廨啓C(jī)中直燃；也可利用氫的電化學(xué)性質(zhì)，作為燃料電池的原料用于燃料電池汽車(chē)、分布式熱電聯(lián)產(chǎn)等。氫能可被廣泛利用已成為發(fā)達(dá)國(guó)家的一種普遍共識(shí)。
02、氫能的主要關(guān)鍵技術(shù)
將氫氣作為一種原料廣泛地應(yīng)用于工業(yè)原料、直燃供能、家用燃料電池和燃料電池汽車(chē)等領(lǐng)域是氫能的主要使用與發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)近年來(lái)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。然而，新興能源發(fā)展的核心就是實(shí)現(xiàn)低廉、高效的原料來(lái)源和儲(chǔ)運(yùn)，氫能發(fā)展也面臨同樣的問(wèn)題。因此，制氫與儲(chǔ)氫技術(shù)是氫氣得到高效利用的關(guān)鍵，是限制氫能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要瓶頸，也成為目前氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。
2.1 制氫關(guān)鍵技術(shù)
2.1.1 氫源供應(yīng)方式
氫氣的來(lái)源十分廣泛，主要的氫源供應(yīng)方式有煤、天然氣等化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫，未來(lái)或具有規(guī)模化氫源供應(yīng)潛力的其他方式還包括生物質(zhì)制氫、光熱制氫、光電制氫及核能制氫等。目前來(lái)看，95%以上的氫氣來(lái)源于化石能源重整制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫，其他來(lái)源的氫氣還非常有限，然而利用可再生能源電解水制氫，讓可再生能源通過(guò)“電–氫–電(或化工原料)”的方式將電力、交通、熱力和化工等領(lǐng)域耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“綠氫”的真正高效利用，才能發(fā)揮氫作為一種能源的真正作用。
可再生能源制氫的關(guān)鍵核心技術(shù)是高效的電解水制氫技術(shù)。電解水制氫就是在直流電的作用下，通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將水分子解離為氫氣與氧氣，分別在陰、陽(yáng)兩極析出。
陽(yáng)極：H?O→1/2O?+2H++2e-1
陰極：2H++2e-→H?
總反應(yīng)：H?O→H?+1/2O?
根據(jù)電解質(zhì)系統(tǒng)的差別，可將電解水制氫分為堿性電解水、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水和固體氧化物電解水3種。三者的基本原理是一致的，即在氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，阻止電子的自由交換，而將電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程分解為外電路的電子傳遞和內(nèi)電路的離子傳遞，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的產(chǎn)生和利用。但三者的電極材料和電解反應(yīng)條件不同，其技術(shù)比較如表1所示。
表1 3種主要電解水制氫技術(shù)比較
2.1.2 堿性電解水制氫
堿性液體電解水技術(shù)是以KOH、NaOH水溶液作為電解質(zhì)，采用石棉布等作為隔膜，在直流電的作用下將水電解，生成氫氣和氧氣，反應(yīng)溫度較低（60~80℃）。產(chǎn)出的氫氣純度約為99%，需要進(jìn)行脫堿霧處理。堿性電解槽主要結(jié)構(gòu)特征為液態(tài)電解質(zhì)和多孔隔板，如圖2所示。堿性電解槽的最大工作電流密度小于400mA/cm2，效率通常在60%左右。
圖2 堿性電解水制氫結(jié)構(gòu)原理圖
堿性液體電解水于20世紀(jì)中期就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。該技術(shù)較成熟，運(yùn)行壽命可達(dá)15a。主要缺陷如下：1）在液體電解質(zhì)體系中，所用的堿性電解液（如KOH）會(huì)與空氣中的CO?反應(yīng)，形成在堿性條件下不溶的碳酸鹽（如K?CO?），導(dǎo)致多孔的催化層發(fā)生阻塞，從而阻礙產(chǎn)物和反應(yīng)物的傳遞，大大降低電解槽的性能；2）堿性液體電解質(zhì)電解槽啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷響應(yīng)慢，還必須時(shí) 刻保持電解池的陽(yáng)極和陰極兩側(cè)上的壓力均衡， 防止氫氧氣體穿過(guò)多孔的石棉膜混合，進(jìn)而引起爆炸。因此，堿性液體電解質(zhì)電解槽較難以與具有快速波動(dòng)特性的可再生能源配合。
2.1.3 PEM 電解水制氫
PEM 電解水又稱(chēng)為固體聚合物電解質(zhì)（solidpolymerelectrolyte，SPE）電解水，工作原理如圖 3 所示。水（2H?O）在陽(yáng)極上產(chǎn)生水解反應(yīng)，在電 場(chǎng)和催化劑作用下，分裂成質(zhì)子（4H+）、電子（4e-） 和氣態(tài)氧；4H+ 質(zhì)子在電勢(shì)差的作用下，通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；4e-電子通過(guò)外部電路傳導(dǎo)，在陰極上產(chǎn)生 4H+ +4e- 反應(yīng)，析出氫氣（2H?），實(shí)現(xiàn)氫氣和氧氣的分離；在陰極腔體內(nèi)，隨著產(chǎn)氫 量的增加，壓力逐漸增大，直至達(dá)到預(yù)定壓力。PEM 電解槽的運(yùn)行電流密度通常高于 1A/cm2， 至少是堿性電解水槽的 4 倍，具有效率高、氣體純度高、電流密度可調(diào)、能耗低、體積小，無(wú)堿液、綠色環(huán)保、安全可靠，以及可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)氣壓力等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是制氫領(lǐng)域極具發(fā)展前景的電解制氫技術(shù)之一。
圖3 PEM電解水制氫結(jié)構(gòu)原理圖
典型的PEM水電解池主要部件包括陰陽(yáng)極端板、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極催化層和質(zhì)子交換膜等。其中：陰陽(yáng)極端板起固定電解池組件，引導(dǎo)電的傳遞與水、氣分配等作用；陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層起集流和促進(jìn)氣液的傳遞等作用；陰陽(yáng)極催化層的核心是由催化劑、電子傳導(dǎo)介質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)構(gòu)成的三相界面，是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的核心場(chǎng)所；質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，一般使用全氟磺酸膜，起到隔絕陰陽(yáng)極生成氣、阻止電子傳遞的同時(shí)傳遞質(zhì)子的作用。目前，常用的質(zhì)子交換膜主要來(lái)自DuPont、AsahiGlass、AsahiChemicalIndustry、Tokuyama等公司。
PEM電解水對(duì)催化劑載體要求較高。理想的催化劑應(yīng)具備高的比表面積與孔隙率、高的電子傳導(dǎo)率、良好的電催化性能、長(zhǎng)期的機(jī)械與電化學(xué)穩(wěn)定性、小的氣泡效應(yīng)、高選擇性、便宜可用與無(wú)毒性等條件。滿足上述條件的催化劑主要是Ir、Ru等貴金屬/氧化物以及以它們?yōu)榛亩⑷辖?混合氧化物。因?yàn)镮r、Ru的價(jià)格昂貴且資源稀缺，而目前的PEM電解槽的Ir用量往往超過(guò)2mg/cm2，迫切需要減少I(mǎi)rO?在PEM水電解池中的用量。商業(yè)化的Pt基催化劑可直接用于PEM電解水陰極的析氫反應(yīng)，現(xiàn)階段PEM電解水陰極的Pt載量為0.4~0.6mg/cm2。
盡管PEM電解水制氫技術(shù)與可再生能源耦合方面優(yōu)勢(shì)明顯，但若要更好地滿足可再生能源應(yīng)用的需求，也需要在以下方面進(jìn)一步發(fā)展：1）提高PEM電解水制氫的功率，與大規(guī)?？稍偕茉聪{的需求相匹配；2）提高電流密度和寬負(fù)荷變化工作能力，降低系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效消納，同時(shí)也便于輔助電網(wǎng)調(diào)峰，減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，提高能源使用效率；3）提高氣體輸出壓力，便于氣體儲(chǔ)存和輸送使用，減少后續(xù)的增壓設(shè)備需求，降低整體的能耗。
2.1.4固體氧化物電解水制氫
高溫固體氧化物電解電池（solidoxideelectrolysiscell，SOEC）即固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell，SOFC）的逆反應(yīng)。陰極材料一般采用Ni/YSZ多孔金屬陶瓷，陽(yáng)極材料主要是鈣鈦礦氧化物材料，中間的電解質(zhì)采用YSZ氧離子導(dǎo)體。混有少量氫氣的水蒸氣從陰極進(jìn)入（混氫的目的是保證陰極的還原氣氛，防止陰極材料Ni被氧化），在陰極發(fā)生電解反應(yīng)，分解成H?和O2-，O2-在高溫環(huán)境下通過(guò)電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極失去電子，生成O2。由于固體氧化物具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，整個(gè)系統(tǒng)在高溫下電解的電壓較低，致使能量消耗較少，系統(tǒng)制氫效率可以高達(dá)90%。然而，目前在技術(shù)方面，陽(yáng)極與陰極材料在高溫高濕條件下的穩(wěn)定性和電堆系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下衰減過(guò)快等問(wèn)題仍亟待解決。因此，SOEC技術(shù)目前仍處于技術(shù)研發(fā)階段，在HELMETH等項(xiàng)目的支持下，德國(guó)的卡爾斯魯厄等地有一些小型示范項(xiàng)目。
2.2 儲(chǔ)氫技術(shù)
與其他燃料相比，氫的質(zhì)量能量密度大，但體積能量密度?。ㄆ偷?/3000），因此，構(gòu)建氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)大前提條件就是在較高體積能量密度下儲(chǔ)運(yùn)氫氣。尤其當(dāng)氫氣應(yīng)用于交通領(lǐng)域時(shí)，還要求有較高的質(zhì)量能量密度。
目前，氫氣的儲(chǔ)存方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、多孔材料及金屬合金等物理類(lèi)固態(tài)儲(chǔ)氫。對(duì)于氫氣的規(guī)?；瘍?chǔ)存和運(yùn)輸，盡管迄今已研發(fā)出多種技術(shù)和手段，但目前工業(yè)上最可行的仍只有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和深冷液化儲(chǔ)氫。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是最普通、直接的儲(chǔ)氫方式，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲(chǔ)存，儲(chǔ)存量與壓力成正比。高壓儲(chǔ)氫技術(shù)商業(yè)一般選用可承受20MPa氫壓的儲(chǔ)氣鋼瓶，貯氫壓15MPa左右，因?yàn)闅錃饷芏容^低而儲(chǔ)氫罐自身較重，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都少于3%。為了提高儲(chǔ)氫密度，研究人員研發(fā)出鋁內(nèi)膽成型、高抗疲勞性能的碳纖維全纏繞高壓氫氣瓶，可耐受35~70MPa高壓，質(zhì)量濃度為19~39g/L。豐田公司推出的Mirai氫燃料電池汽車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用的是聚酰胺連線外加輕質(zhì)金屬的高壓儲(chǔ)氫罐，可承受70MPa高壓。
低溫液化儲(chǔ)氫是一種可實(shí)用化的儲(chǔ)氫方式，由于常溫常壓下液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845倍，因此低溫液化儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)存容器體積小等優(yōu)勢(shì)，其質(zhì)量濃度約為70g/L，高于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫（70MPa下質(zhì)量濃度約為39g/L）。但氫氣液化過(guò)程需要多級(jí)壓縮冷卻，氫氣溫度降低至20K，將消耗大量能量，液化消耗的能量約占?xì)淠艿?0%。另外，為了避免液態(tài)氫蒸發(fā)損失，對(duì)液態(tài)氫儲(chǔ)存容器絕熱性能要求苛刻，需要具有良好絕熱性能的絕熱材料。低溫儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)制造及材料的選擇一直存在成本高昂的難題，導(dǎo)致液化過(guò)程和儲(chǔ)氫容器技術(shù)復(fù)雜，成本增加。低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)主要應(yīng)用于軍事與航天領(lǐng)域，商業(yè)化研究與應(yīng)用才剛剛開(kāi)始，然而由于在大規(guī)模、長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)方面的優(yōu)勢(shì)，或?qū)⒃谖磥?lái)與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫互補(bǔ)共存發(fā)展。
2.3 氫氣輸送技術(shù)
2.3.1 容器運(yùn)輸
氫氣可以通過(guò)容器以壓縮氣體、液體或者存儲(chǔ)在氫化物的形式進(jìn)行運(yùn)輸。近距離的氫氣運(yùn)輸主要采用長(zhǎng)管拖車(chē)進(jìn)行輸送。洲際間的氫氣運(yùn)輸可利用船舶集裝箱液態(tài)運(yùn)輸，類(lèi)似于當(dāng)今液化天然氣運(yùn)輸。液氫的密度比天然氣要低很多，因此運(yùn)輸成本更高。此外，氫的洲際運(yùn)輸還存在其他安全問(wèn)題，如容器泄漏，氫氣裝填和卸載時(shí)發(fā)生事故，船只碰撞等。
2.3.2 管道運(yùn)輸
氫氣運(yùn)輸?shù)牧硪粋€(gè)主要方式就是管道運(yùn)輸。由于氫氣與天然氣性質(zhì)相似，因此，氫氣在管道中運(yùn)輸方式也與天然氣的極為類(lèi)似。事實(shí)上，使用鋼材料、焊接工藝連接的管道運(yùn)輸天然氣時(shí)，運(yùn)輸壓力最高可達(dá)到8MPa，這同樣可以實(shí)現(xiàn)氫氣在管道中的運(yùn)輸，且現(xiàn)今使用的檢驗(yàn)方法足以控制氫氣的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)與天然氣的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在同一水平。但是氫氣的管道運(yùn)輸還要解決一些問(wèn)題，如氫氣的擴(kuò)散損失大約是天然氣的3倍，材料吸附氫氣后產(chǎn)生脆性，需要增加大量氣體監(jiān)測(cè)儀器，需要安裝室外緊急放空設(shè)備等，這些都會(huì)使運(yùn)輸過(guò)程中的成本增加。目前，氫氣運(yùn)輸管道的造價(jià)約為63萬(wàn)美元/km，天然氣管道的造價(jià)僅為25萬(wàn)美元/km左右，氫氣管道的造價(jià)約為天然氣管道的2.5倍。
03、歐洲氫能利用的思路與案例
《巴黎協(xié)定》制定了“將21世紀(jì)全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并將全球氣溫上升控制在前工業(yè)化時(shí)期水平之上1.5℃以內(nèi)”的目標(biāo)。為了達(dá)成此目標(biāo)，歐盟需要大量增加可再生能源的發(fā)電量，并提高終端用戶的電氣化率。未來(lái)歐盟的風(fēng)能和太陽(yáng)能將占總發(fā)電量的30%~60%，電氣化率到2050年將提高至50%~65%。這就要求未來(lái)的能源供給系統(tǒng)在低碳化趨勢(shì)中能夠滿足不同行業(yè)領(lǐng)域的需求，能夠承受大規(guī)?？稍偕茉磳?duì)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)的沖擊，還能夠高效地將能源從供應(yīng)中心輸送到需求中心，而利用氫能來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)在歐洲已被公認(rèn)為是最具可行性的解決方案。
根據(jù)歐盟的氫能利用方案，在制氫方面，主要通過(guò)PtG技術(shù)來(lái)最大限度地解決歐洲可再生能源利用和運(yùn)輸問(wèn)題。PtG技術(shù)即利用富余的可再生能源電解水，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，以化學(xué)能的形式實(shí)現(xiàn)可再生能源的利用與長(zhǎng)期儲(chǔ)存。電解得到的氫氣可直接多樣化應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)利用或燃?xì)獍l(fā)電等領(lǐng)域，也可將氫氣混入天然氣管網(wǎng)后進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)，此外，還可將氫和二氧化碳相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為甲烷后再輸入天然氣管網(wǎng)。歐盟的PtG技術(shù)與應(yīng)用示意圖如圖4所示。
圖4 PtG技術(shù)與應(yīng)用示意圖
歐洲可再生能源資源通常遠(yuǎn)離需求中心，如北非或南歐的產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地區(qū)的能源需求，雖可通過(guò)遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)將電力輸送到需求地區(qū)，但由于涉及各國(guó)的政策和規(guī)劃問(wèn)題，成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)?？稍偕茉淳偷剞D(zhuǎn)化為氫氣后再進(jìn)行運(yùn)輸被認(rèn)為是一種解決可再生能源遠(yuǎn)距離運(yùn)輸問(wèn)題更可行的方法。
目前，全歐洲已有超過(guò)128個(gè)各類(lèi)型PtG示范項(xiàng)目正在德國(guó)、英國(guó)、西班牙、荷蘭、丹麥等歐洲多地廣泛開(kāi)展。此外，德國(guó)計(jì)劃于2022年建成一座100MW規(guī)模的PtG項(xiàng)目；歐洲能源宏偉計(jì)劃（100GW北海風(fēng)電樞紐計(jì)劃）也將在樞紐人工島上配建PtG項(xiàng)目，2030年建成后將有約10000臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電解制氫裝置供能。
除了氫能燃料電池汽車(chē)外，歐盟正在發(fā)展將氫氣混入歐洲天然氣管網(wǎng)中形成混合氣的技術(shù)。將混合氣通過(guò)天然氣管網(wǎng)直接輸送至居民用戶作為燃料，是歐洲氫能利用的主要發(fā)展方向之一。建筑物能耗占?xì)W洲總能源消費(fèi)的第二位，占二氧化碳總排放量的15%。為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，該部分的碳排放量需在現(xiàn)有水平下降低57%。建筑節(jié)能有多種手段，但利用氫氣為天然氣“脫碳”在歐洲已被認(rèn)為是在改造難度和成本效益上更具競(jìng)爭(zhēng)力的方式。天然氣是歐洲建筑物供暖的最主要燃料，占所有家庭用能的42%。歐洲天然氣管網(wǎng)為大約9000萬(wàn)家庭提供天然氣。
FCHJU研究表明：現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)絡(luò)可以容納最高20%氫氣的混合氣體（按體積計(jì)算），且無(wú)需進(jìn)行重大升級(jí)。同時(shí)，在儲(chǔ)氫方面同樣可以利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高效存儲(chǔ)。歐洲天然氣管網(wǎng)的存儲(chǔ)能力為360億m3，若按10%比例混合，則可儲(chǔ)存的氫能折合成電量高達(dá)100TW·h。
歐盟還籌劃將天然氣管道網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造成純氫的供氣管道系統(tǒng)。英國(guó)的示范研究表明：除了技術(shù)可行外，將天然氣管道升級(jí)為純氫供氣管道，單位投資成本只需100~120英鎊，而升級(jí)家庭熱泵系統(tǒng)以達(dá)到同樣降碳效果的單位投資成本為270~320英鎊。氫混合氣管道系統(tǒng)與純氫管道系統(tǒng)對(duì)比如表2所示。
表2 氫混合氣管道與純氫管道對(duì)比
目前，歐洲的示范項(xiàng)目包括混入氫氣體積分?jǐn)?shù)為20%的法國(guó)敦克爾刻GRHYD項(xiàng)目和英國(guó)HyDeploy項(xiàng)目。此外，H21LeedsCityGate項(xiàng)目計(jì)劃到2028年將英國(guó)利茲市建成一座使用100%氫燃料的城市。該項(xiàng)目作為英國(guó)將氫能源向全國(guó)推廣的示范項(xiàng)目，已完成將現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)升級(jí)成100%氫氣管網(wǎng)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性研究。在FCHJU等組織的支持下，歐洲正在開(kāi)展66個(gè)示范項(xiàng)目，涉及投資4.26億歐元。
04、日本氫能利用的思路與案例
日本電力系統(tǒng)以集中式發(fā)電為主，福島核事故暴露了現(xiàn)行體制的脆弱性。由于能源嚴(yán)重依賴(lài)海外供給、核電發(fā)展停滯等情況，日本能源自給率從2010年度的20%降至2016年度的8%左右。實(shí)現(xiàn)自給自足的分布式能源體系已成為日本能源轉(zhuǎn)型的方向[38-39]。構(gòu)建氫能供給系統(tǒng)在消費(fèi)地就近使用，已被認(rèn)為是一種有效、經(jīng)濟(jì)、安全的途徑。特別是對(duì)自然災(zāi)害頻發(fā)的日本來(lái)說(shuō)，氫能的多種利用方式既適合分布式能源發(fā)展，也適用于大型集中發(fā)電，大大豐富了能源系統(tǒng)的靈活性。按照日本“氫能社會(huì)”國(guó)家戰(zhàn)略的目標(biāo)，氫能最終將與電能、熱能一起構(gòu)成新的二次能源供給結(jié)構(gòu)，在整個(gè)社會(huì)得到普及和利用。日本《氫能源白皮書(shū)》預(yù)測(cè)：到2030年日本氫能將達(dá)到1萬(wàn)億日元的市場(chǎng)規(guī)模，氫燃料發(fā)電量將占全國(guó)總發(fā)電量的5%。
與歐美等國(guó)類(lèi)似，日本根據(jù)《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》的規(guī)劃，也已正式開(kāi)展PtG項(xiàng)目的示范驗(yàn)證。其中“福島氫能源研究領(lǐng)域（FH2R）”項(xiàng)目，以建成全球最大的可再生能源制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和用氫的“氫能社會(huì)”示范基地和智能社區(qū)為目標(biāo)，在福島縣浪江町建設(shè)運(yùn)營(yíng)10MW的水電解裝置。為了向全世界展示氫能發(fā)展成果，日本政府還斥資3.5億美元為東京奧運(yùn)會(huì)修建地下輸送管道，將福島氫能直接輸入奧運(yùn)村，使至少100輛氫燃料電池公交車(chē)以及訓(xùn)練設(shè)施、運(yùn)動(dòng)員宿舍等6000余座奧運(yùn)村建筑全部通過(guò)氫燃料供能。
日本對(duì)標(biāo)歐盟和美國(guó)，為PtG系統(tǒng)設(shè)定了世界最高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)與成本目標(biāo)，包括2020年之前實(shí)現(xiàn)投資成本5萬(wàn)日元/kW；2032年左右在日本可再生能源固定價(jià)格收購(gòu)制度（FIT）下，正式進(jìn)入發(fā)電交易市場(chǎng)的商用化目標(biāo)等。
除了“福島”項(xiàng)目，日本還開(kāi)展了氫氣直接燃燒發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)及示范。日本企業(yè)大林組和川崎重工于2018年4月在全球率先實(shí)現(xiàn)以100%氫氣作為1MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的燃料，在測(cè)試期內(nèi)即向神戶市中央?yún)^(qū)人工島PortLand內(nèi)4個(gè)相鄰設(shè)施（神戶市醫(yī)療中心綜合醫(yī)院、神戶港島體育中心、神戶國(guó)際展覽館和港島污水處理廠）提供了功率為1.1MW的電能和2.8MW的熱能。在政府補(bǔ)助金支持下，企業(yè)按照市場(chǎng)價(jià)格向PortLand地區(qū)的酒店、會(huì)議中心等供能，目前能夠提供該地區(qū)電力和熱力年需求量的一半，不足的部分由關(guān)西電力公司進(jìn)行補(bǔ)充。
為了實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模發(fā)電，2018年起同樣在PortLand地區(qū)推進(jìn)含20%氫的天然氣混合燃料的燃?xì)廨啓C(jī)混燒發(fā)電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與示范，并開(kāi)展500MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。隨著降低NOx值、提高發(fā)電效率等技術(shù)難題的突破，將使氫氣大規(guī)模發(fā)電成為可能。
按照日本《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》的目標(biāo)，2030年氫能發(fā)電將實(shí)現(xiàn)商用化，發(fā)電成本低于17日元/（kW×h），氫氣發(fā)電用量達(dá)到每年30萬(wàn)t，發(fā)電容量相當(dāng)于1GW；最終目標(biāo)是發(fā)電成本低于12日元/（kW×h），在考慮環(huán)境價(jià)值的情況下，與LNG火力發(fā)電保持同等競(jìng)爭(zhēng)力，氫氣發(fā)電用量達(dá)到每年500萬(wàn)~1000萬(wàn)t，發(fā)電容量相當(dāng)于15~30GW。
05、氫能成本分析
氫能若要作為一種新興能源被普遍接受，并在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，成本因素始終是起決定性作用的。在全球范圍內(nèi)，氫產(chǎn)業(yè)鏈在現(xiàn)階段尚不成熟，特別是氫氣的使用價(jià)格較高，成本仍制約著氫能長(zhǎng)期發(fā)展。以物流車(chē)這一國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)的典型場(chǎng)景為例，選取當(dāng)下熱門(mén)的2種氫燃料電池物流車(chē)型與傳統(tǒng)柴油物流車(chē)進(jìn)行對(duì)比，2種氫燃料電池物流車(chē)型的最大載重為3t，而市場(chǎng)上載重3t的柴油物流車(chē)百千米耗油量大概在15L，2種氫燃料電池物流車(chē)的參數(shù)見(jiàn)表3。參考當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格，假設(shè)0號(hào)柴油為6元/L，得出氫氣與柴油的使用成本交叉點(diǎn)。根據(jù)測(cè)算，使用成本交叉點(diǎn)應(yīng)在30元/kg以下，即氫氣售價(jià)在此價(jià)格以下才能在市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而目前國(guó)內(nèi)加氫站售價(jià)為60~80元/kg。因此，如何降低氫氣供應(yīng)成本是當(dāng)下產(chǎn)業(yè)發(fā)展無(wú)法回避的問(wèn)題。
表3 2種氫燃料電池物流車(chē)的參數(shù)
通過(guò)長(zhǎng)期的跟蹤與研究，認(rèn)為目前氫能產(chǎn)業(yè)的成本因素變化具有如下特征與趨勢(shì)：
1）全球范圍內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)均仍處于示范推廣階段，對(duì)于氫能的成本及盈利性雖已有廣泛的討論，如多個(gè)國(guó)家提出了氫能發(fā)展成本指標(biāo)，以及根據(jù)具體的示范項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)據(jù)模型測(cè)算，但現(xiàn)實(shí)中缺少商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的驗(yàn)證。如國(guó)網(wǎng)甘肅能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目，利用風(fēng)能進(jìn)行大規(guī)模電解水制氫，在項(xiàng)目方案經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估中，建立制氫、加氫一體化項(xiàng)目的年收益模型進(jìn)行分析，提出項(xiàng)目的盈虧平衡點(diǎn)為風(fēng)電電價(jià)超過(guò)0.69元/（kW×h）和氫氣售價(jià)低于5.8元/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）時(shí)。類(lèi)似項(xiàng)目的討論，其結(jié)論也不一而足，但如何在商業(yè)項(xiàng)目中通過(guò)商業(yè)模式、政府補(bǔ)貼等手段真正實(shí)現(xiàn)盈利仍然處于一個(gè)探索的過(guò)程。
2）在如何獲得廉價(jià)氫源方面，各地根據(jù)自身稟賦，因地制宜地獲取氫氣或?qū)⒊蔀榻鉀Q氫能成本問(wèn)題的主要方式，氫氣的來(lái)源將迎來(lái)多元化發(fā)展。影響氫氣成本的變量較多，其中最突出的矛盾是如何平衡制氫方式和運(yùn)氫距離，即制氫成本低的地方距離使用氫氣的地區(qū)卻較遠(yuǎn)，如我國(guó)山西、山東、內(nèi)蒙古等地利用豐富的煤資源制氫，西北地區(qū)利用較為便宜的光伏、風(fēng)電資源制氫，西南地區(qū)利用水電資源制氫等，然而現(xiàn)階段均難以運(yùn)到中東部地區(qū)。工業(yè)副產(chǎn)氫成本低廉，但運(yùn)距超過(guò)200km時(shí)其成本優(yōu)勢(shì)不復(fù)存在。這些問(wèn)題是由氫氣本身性質(zhì)和各地資源稟賦決定的，無(wú)法做出本質(zhì)上的改變，因此，難以存在單一最優(yōu)模式，而是需要因地制宜，實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展?？稍偕茉粗茪湓谖磥?lái)更具可持續(xù)性，但是一段時(shí)期內(nèi)我國(guó)最現(xiàn)實(shí)的路徑選擇或許是，沿海地區(qū)主要是工業(yè)副產(chǎn)氫，內(nèi)陸則是煤制氫與可再生能源制氫模式并存。大規(guī)模制氫企業(yè)與城市門(mén)站之間以管道方式運(yùn)輸，城市內(nèi)部或區(qū)域之間中短距離采用集裝管束（拖車(chē)）運(yùn)輸，液氫槽罐車(chē)則在300km以上的遠(yuǎn)距離發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
06、我國(guó)氫能發(fā)展的趨勢(shì)及建議
近年來(lái)，氫能發(fā)展在我國(guó)已取得令人矚目的進(jìn)展。2020年4月，國(guó)家能源局對(duì)外發(fā)布《中華人民共和國(guó)能源法(征求意見(jiàn)稿)》，其中在能源的定義中將氫能列入，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2020年起也將氫能納入能源統(tǒng)計(jì)，這表明從國(guó)家監(jiān)管的角度已逐漸承認(rèn)氫能是一種正式的能源并進(jìn)行管理。
我國(guó)當(dāng)前氫能發(fā)展方向主要集中在氫燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域，從國(guó)家政策的支持方向來(lái)看，氫燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)或?qū)⒐餐纬晌覈?guó)新能源汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的“雙輪并行”態(tài)勢(shì)。國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展路徑與電動(dòng)車(chē)類(lèi)似，遵循從公交車(chē)、物流車(chē)再到乘用車(chē)的路徑，此外重型卡車(chē)也是氫燃料電池汽車(chē)的重點(diǎn)發(fā)展方向。截至2020年底，我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量已超過(guò)7000輛，其中絕大部分為公交車(chē)和物流車(chē)。2020年10月由工信部指導(dǎo)、中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)組織編制的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》提出，到2035年燃料電池汽車(chē)保有量將達(dá)100萬(wàn)輛左右。
從產(chǎn)業(yè)集聚的角度來(lái)看，氫能發(fā)展在現(xiàn)階段仍將由政策主導(dǎo)，2020年4月國(guó)家發(fā)改委等4部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，將原來(lái)面向全國(guó)的購(gòu)置補(bǔ)貼方式調(diào)整為選擇有基礎(chǔ)、有積極性、有特色的城市或區(qū)域，重點(diǎn)圍繞關(guān)鍵零部件的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開(kāi)展示范，采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式對(duì)示范城市給予獎(jiǎng)勵(lì)。通過(guò)國(guó)家補(bǔ)貼+地方補(bǔ)貼共同推動(dòng)的方式，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施配套完備、政府支持意愿高的區(qū)域?qū)②A得快速發(fā)展，現(xiàn)階段已逐步集聚形成長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海、川渝等四大產(chǎn)業(yè)集群區(qū)域。長(zhǎng)三角率先發(fā)布的《長(zhǎng)三角氫走廊建設(shè)發(fā)展規(guī)劃》指出，燃料電池汽車(chē)保有量預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到5000輛，到2025年將達(dá)到50000輛，到2030年將達(dá)到200000輛。《北京市氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2020—2025年）》提出目標(biāo)：燃料電池汽車(chē)保有量2023年將達(dá)到3000輛，2025年超過(guò)1萬(wàn)輛。
對(duì)于未來(lái)一段時(shí)期我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景，提出以下建議：
1）建立健全的法規(guī)與政策體系。應(yīng)盡早將氫能放在生態(tài)綠色生產(chǎn)和消費(fèi)體系中進(jìn)行立法，結(jié)束目前我國(guó)氫能政策依據(jù)主要還以國(guó)家層面的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃政策和地方層面的試行規(guī)定為主的階段。明確國(guó)家行業(yè)主管部門(mén)，堅(jiān)持政府引導(dǎo)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制定我國(guó)氫能發(fā)展的中長(zhǎng)期目標(biāo)。積極發(fā)揮國(guó)家規(guī)劃引導(dǎo)和政策激勵(lì)作用，鼓勵(lì)地方政府和企業(yè)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，科學(xué)制定政策和規(guī)劃。
2）應(yīng)重視氫源供應(yīng)及儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展?？煽?、低廉的氫源供應(yīng)、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站運(yùn)維已被認(rèn)為是氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的限制性環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)與氫能下游應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)氫源及制氫方式的不同，因地制宜地發(fā)展多元化氫源供應(yīng)及儲(chǔ)運(yùn)，健全加氫站建設(shè)、規(guī)范審批管理制度，積極探索盈利模式，突破中國(guó)氫能發(fā)展瓶頸。
3）積極探索發(fā)展各類(lèi)氫能利用方式。氫燃料電池汽車(chē)仍是我國(guó)氫能發(fā)展的重點(diǎn)，但實(shí)際上基于我國(guó)能源資源的稟賦特點(diǎn)、二氧化碳減排的壓力和可再生能源大規(guī)模接入的現(xiàn)實(shí)狀況等，氫能作為一種主要的二次能源載體有必要、也有潛力在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)過(guò)程中發(fā)揮更大的作用。因此，應(yīng)借鑒歐洲、日本等技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家在氫能發(fā)展方面的經(jīng)驗(yàn)，探索更多、更好的氫能利用方案。
07、結(jié) 論
氫能作為一種二次能源在交通、電力、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域均大有可為。特別是利用可再生能源電解水制氫后，將氫氣作為一種能源進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)與使用，能夠在滿足當(dāng)前使用者偏好與習(xí)慣下，最大限度地實(shí)現(xiàn)可再生能源的跨地區(qū)、跨季節(jié)利用，以減少全球碳排放。
我國(guó)是能源需求大國(guó)，能源消費(fèi)量保持增長(zhǎng)的同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的低碳環(huán)保壓力。由于我國(guó)幅員廣闊，各地能源稟賦、供需關(guān)系也有很大差別，發(fā)展多元化的低碳能源體系既有必要也有需求空間，氫能將在其中扮演重要角色。當(dāng)然，成本因素也是目前亟待解決的問(wèn)題。
與歐洲、日本等技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家的氫能發(fā)展路線相比，我國(guó)氫能的著眼點(diǎn)仍多局限于氫燃料電池汽車(chē)，PtG等其他氫能領(lǐng)域僅有張家口沽源、吉林白城等個(gè)別試點(diǎn)項(xiàng)目。
因此，氫能發(fā)展目光應(yīng)該更長(zhǎng)遠(yuǎn)，提前布局更廣闊的相關(guān)領(lǐng)域。此外，中國(guó)的氫能發(fā)展除了貢獻(xiàn)市場(chǎng)、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)投資外，更重要的是要掌握技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、參與國(guó)際規(guī)則制定，這樣才能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌。
原載《熱力發(fā)電》
