中國儲能網(wǎng)訊：近日，日本“新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構”及東京都大學、信州大學等組成的研究團隊通過“光觸媒”技術成功利用陽光照射從水中分解出氧氣與氫氣。他們在100平方米的大范圍試驗中，成功分離出高純度氫。日本研究團隊的這一成就，給全球大批量、低成本制氫帶來了希望，氫能源迎來了革命性的突破。
相較于其他能源，氫能清潔環(huán)保，能量密度大，沒有溫室氣體排放，便于貯存和運輸且安全性高，成為各國競相開發(fā)新能源的技術首選，被稱為21世紀的“最理想能源”。
據(jù)國際氫能委員會統(tǒng)計，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈已有228個已建、在建及規(guī)劃項目。近年來，美國、歐盟、日本、韓國、新西蘭等20多個國家和地區(qū)先后發(fā)布氫能發(fā)展戰(zhàn)略，強勢入局。一條氫能大規(guī)模商業(yè)化應用的能源新賽道正在世人面前展開。
備受“氫”睞
氫能為何成能源轉型新寵兒
近年來，隨著溫室氣體排放的加劇，全球氣溫持續(xù)變暖，氣候問題日益突出。為應對這一挑戰(zhàn)，全球主要國家于2016簽訂了《巴黎協(xié)定》，形成了氣候共識，紛紛制定了二氧化碳減排計劃，并在今年11月13日閉幕的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十六次締約方大會上達成《巴黎協(xié)定》實施細則一攬子決議。為了實現(xiàn)碳減排目標，使用低碳清潔的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源變得越來越緊迫。風能、太陽能、潮汐能以及氫能等一系列的潔凈能源備受人們關注。
氫能是一種能夠替代化石燃料的綠色可再生能源，能量密度極高，具有最高的燃燒熱值，是其他燃料的2到3倍。氫能應用廣泛，可隨時隨地進行供給，儲量豐富，制備方法多樣，并可由其他能源進行轉換，從而成為世界各國競相投入發(fā)展的能源模式。由于近年來燃料電池技術的逐步成熟和燃料電池汽車的商業(yè)化推廣，氫氣作為動力燃料的潛力日益受到各界重視，有望逐步取代傳統(tǒng)汽柴油，徹底改變?nèi)祟惖膭恿δ茉矗俪傻谌文茉锤锩?
目前制取氫的方法主要分為傳統(tǒng)化石燃料制氫法和電解水制氫法。傳統(tǒng)的化石燃料制氫技術成熟，但制備氫氣依賴的是不可再生的礦物燃料，能耗高且會造成環(huán)境問題，屬于“灰氫”。電解水制氫以水為原料，通過外接電路施加電壓來生成氫氣和氧氣，該方法工藝簡單高效，制備的氫純度高。其原料為水，儲量豐富，產(chǎn)物為氧氣和氫氣 ，無任何其他有害物質(zhì)產(chǎn)生，故而被稱為“綠氫”。
隨著碳達峰、碳中和“雙碳”政策的不斷推進和深化，可再生能源電力成本的降低，氫燃料電池汽車的規(guī)?；茝V和氫能市場的逐漸成熟，市場對氫氣的需求將呈爆發(fā)式增長，雖然傳統(tǒng)的化石原料所生產(chǎn)的“灰氫”在中短期內(nèi)仍將占據(jù)市場主流，但通過“綠色”電力來電解水制氫將是未來低碳經(jīng)濟的主流方向，也是氫能發(fā)展的必經(jīng)之路?！熬G氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術的進步下降到可接受的水平，電解水會成為氫氣的主要來源，氫能社會的目標也終將實現(xiàn)。
目前，氫能源利用技術已經(jīng)在燃料電池汽車、家庭熱電聯(lián)供等領域取得成效，也逐步在氫能的無碳排放生產(chǎn)、氫能發(fā)電、氫能社區(qū)等領域進行示范試驗。
“氫”動世界
約20個國家先后發(fā)布氫能戰(zhàn)略
隨著全球氣候變化壓力增大以及能源轉型加速，氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展走向了“風口期”。站在巨大風口下，各國相繼出臺具有實操性的氫能發(fā)展戰(zhàn)略。一場爭搶未來氫能制高點的競爭，在世界各國間展開。
數(shù)據(jù)顯示，當前全球已有約20個國家和地區(qū)發(fā)布或制定了氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，已公布的2030年“綠氫”的年產(chǎn)能從之前的230萬噸增加至670萬噸。僅在2020年，就有10多個國家發(fā)布氫能戰(zhàn)略。其中，美國、加拿大、德國、法國、俄羅斯等發(fā)達國家的氫能戰(zhàn)略，將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略的高度，旨在于2030-2050年間完成二氧化碳減排目標及能源結構調(diào)整。而在氫能研發(fā)領域處于世界領先地位的日本，更是早在2017年就制定了《氫能源基本戰(zhàn)略》，確立到2030年普及氫能源的行動計劃等。
根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃，各國紛紛制定相應政策。歐盟建議各成員國將低碳氫氣生產(chǎn)納入可再生能源規(guī)劃，通過此舉可顯著推動煉油廠和燃料供應商應用氫氣。此外，4個歐盟國家（法國、德國、葡萄牙和西班牙）在其國家戰(zhàn)略中不僅宣布了針對特定行業(yè)的清潔氫使用目標，而且還就航空和航運燃料配額進行了深入討論。美國通過稅收優(yōu)惠的方式建立了對低碳氫應用的激勵措施，即按照捕獲與封存的碳氧化物數(shù)量抵免所得稅。
伴隨著各國氫能政策陸續(xù)出臺，國際能源巨頭快馬加鞭入局，以BP（英國石油公司）、殼牌、道達爾為代表的石油公司圍繞氫氣制取、儲運以及加氫站建設已有豐富的實踐，成為世界氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的積極推動者。
從1978年申請第一件氫燃料電池相關專利開始，BP擁有超過40年的制氫和超過10年的汽車加氫站運營經(jīng)驗。目前，BP已參與多個氫能示范項目，包括同戴姆勒克萊斯勒公司、福特公司合作研究先進燃料電池技術。
殼牌在氫能領域全面發(fā)力，2016年，殼牌與川崎重工簽署協(xié)議，合作開發(fā)液氫運輸船；殼牌還與日本巖谷產(chǎn)業(yè)、日本電源開發(fā)公司合作，將澳大利亞豐富的低質(zhì)褐煤轉化為氫氣，液化后船運至日本。2017年2月，殼牌與豐田正式達成合作協(xié)議，在加利福尼亞州建造7座加氫站，并將在2024年增加至100座。殼牌在2018年發(fā)布的《能源轉型報告》中指出，將于2030年前在英國投資加氫設施。
道達爾推進加氫站布局，2013年在德國政府主導下，道達爾與殼牌、戴姆勒等公司啟動了氫氣Mobility項目，計劃在2023年前建設400座加氫站。截至目前，道達爾已經(jīng)在德國建成了10座加氫站。道達爾還與林德公司、寶馬公司在氫氣加注技術等方面開展了合作。
目前，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈已有228個已建、在建及規(guī)劃項目，其中有17個是已公開的兆瓦級綠氫生產(chǎn)項目（即1GW可再生能源和20萬噸/年的低碳氫產(chǎn)能項目），主要分布在歐洲、亞洲、澳大利亞、智利等國家和地區(qū)，歐洲在已公開的氫能項目數(shù)量方面處于領先地位（126個項目，占比55%）。
最大障礙
氫能革命面臨高昂成本
當前，全球氫能需求旺盛，氫能產(chǎn)量約達每年7000萬噸，96%的氫氣直接由化石燃料制成，即“灰氫”或“藍氫”。雖然“灰氫”具有成本低廉、技術成熟、可大規(guī)模應用等優(yōu)勢，但制備過程伴隨著二氧化碳等溫室氣體的排放，不利于實現(xiàn)“碳中和”目標。而將“灰氫”生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳進行捕集、利用和封存，進而間接達成“碳中和”目標所獲得的“藍氫”，則存在生產(chǎn)成本仍然較高，制備系統(tǒng)成熟度較低，暫時無法大規(guī)模應用等問題。因此，通過零污染、低成本、可持續(xù)的方式制取“綠氫”是未來能源發(fā)展的重點。
然而，“綠氫”的困局并非全部來自于制氫技術，幾十年前，電解水制氫已被廣泛應用于航天工業(yè)等一些特殊的領域。阻礙“綠氫”發(fā)展的核心因素是制氫成本的居高不下，同樣制取1立方米氫氣，“綠氫”的成本是“灰氫”的3-5倍，是“藍氫”的2倍以上。
按照制備1立方米氫氣需要5度電計算，這種氫氣如果要在市場中獲得經(jīng)濟性和競爭力，電價就需要控制在0.3元/度，甚至更低。然而當前風電光伏為主的可再生能源的平均電價仍在0.5元/度以上。即便日本專家實現(xiàn)了“光觸媒”制氫的技術突破，該技術應用大規(guī)模推廣仍舊需要一定的時間以及存在不確定因素，因此對于當下的氫能市場，成本依舊是氫能獲得廣泛使用的最大障礙。
專家指出，應通過政府干涉，比如發(fā)放“綠氫”使用補貼的方式，來促進“綠氫”的生產(chǎn)。今年8月，英國就宣布，2030年前啟動40億英鎊資金投入“綠氫”生產(chǎn)。彭博新能源財經(jīng)估計未來10年全球將需要投入1500億美元才能將制氫成本降低到具有競爭力的水平。
此外，氫氣生產(chǎn)和運輸技術還面臨一系列瓶頸。氫氣會腐蝕金屬，這對氫氣的輸送構成挑戰(zhàn)，而且由于氫氣點火能量小，使氫不論在空氣中或者氧氣中，都很容易點燃，因此對氫氣的儲存與運輸都提出了極高的安全要求。
科普
氫綠
通過使用再生能源（例如太陽能、風能等）制造的氫氣，例如通過可再生能源發(fā)電進行電解水制氫，在生產(chǎn)綠氫的過程中，完全沒有碳排放。
氫灰
通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒制取氫氣，在生產(chǎn)過程中會有二氧化碳等排放?；覛涞纳a(chǎn)成本較低，制氫技術較為簡單。
氫藍
將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成。由于在此過程中使用了碳捕捉、利用與儲存等先進技術，溫室氣體被捕獲，實現(xiàn)了低碳排放生產(chǎn)制氫。
案例
日本：燃料電池領域發(fā)展突出
2017年12月26日，日本公布了“基本氫能戰(zhàn)略”，意在創(chuàng)造一個“氫能社會”。該戰(zhàn)略的主要目的是實現(xiàn)氫能與其他燃料的成本平價，建設加氫站，替代燃油汽車（包括卡車和叉車）及天然氣和煤炭發(fā)電，發(fā)展家庭熱電聯(lián)供燃料電池系統(tǒng)。
日本在家用燃料電池、燃料電池汽車領域推廣氫能成就尤為突出，在不同細分領域上培育出了諸如豐田、松下、本田、愛信等氫能龍頭企業(yè)。
在氫能家用燃料電池領域，ENE-FARM是日本大力推廣的家用燃料電池系統(tǒng)，該設備通過將氫氣注入燃料電池中發(fā)電，同時用發(fā)電時產(chǎn)生的熱能來供應暖氣和熱水，形成微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，滿足部分電力需求和全部的熱水需求。從2009年開始由松下、東芝、愛信等廠商研發(fā)生產(chǎn)，由東京燃氣和大阪燃氣等燃氣公司向用戶銷售，2009-2019年間，ENE-FARM氫能家用燃料電池系統(tǒng)累計銷售30萬套。
在氫能車用燃料電池領域，豐田mirai是氫燃料電池乘用車的領頭羊，目前續(xù)航里程達到了約850km；本田也推出Clarity車型，實際駕駛距離也超過500km。日本氫能車目前正在向公共汽車、重型卡車和叉車等領域拓展。2020年，日本總共建成加氫站137座，新增氫能燃料電池汽車761輛，累計推廣3902輛。
美國：氫能源技術高度商業(yè)化
經(jīng)過40年的發(fā)展，美國的氫能產(chǎn)業(yè)及相關技術已逐漸從專業(yè)化應用過渡到商業(yè)化應用。2020年，美國已經(jīng)在數(shù)以千計的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動力裝置中應用了氫能燃料電池，并已建成145個加氫站（包括試驗項目）。
在發(fā)電方面，以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機已經(jīng)進入到商業(yè)化運營階段。在過去的20年里，美國能源部在氫能和相關領域投資超過了40億美元，主要包括氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存，以及氫能燃料電池和氫能渦輪機發(fā)電等技術的研發(fā)。這些研究成果與工業(yè)項目相結合，取得了許多成功，例如：應用配備碳捕獲和儲氫裝置的制氫技術，以低于2美元/公斤的成本生產(chǎn)無碳氫；燃料電池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。
截至2020年12月，美國能源部已頒發(fā)了1100多項氫能技術專利，并在市場上推出了30多項氫能商業(yè)技術。
得益于長期對氫能技術研發(fā)支持，美國擁有一大批氫能產(chǎn)業(yè)的尖端技術和明星企業(yè)。如以氫燃料電池叉車為主的PlugPower公司，以固定式燃料電池為主的FuelCellEnergy、BloomEnergy等大型燃料電池生產(chǎn)企業(yè)，以及掌握氫能儲運核心技術的AirProducts、Praxair等公司，其中，PlugPower公司的電池叉車在在全球燃料電池叉車市場占有率居于首位。
歐盟：以減排為引領發(fā)展氫能
歐盟委員會于2020年3月10日宣布包括德國西門子、荷蘭殼牌、法國空客等品牌在內(nèi)的“歐洲清潔氫聯(lián)盟”的成立。由相關產(chǎn)業(yè)領導者、民間機構、國家及地區(qū)能源官員和歐洲投資銀行共同發(fā)起，旨在為氫能源的大量生產(chǎn)提供投資，滿足歐盟國家對清潔氫能的需求。
以實現(xiàn)溫室氣體減排為引領，歐盟各國的氫能利用在以下兩個場景上取得了亮眼成績。一是電轉氣項目：為了解決可再生能源消納問題，德國、丹麥、英國等國家先行先試了power to gas（可再生能源制氫＋天然氣管道摻氫）項目，利用風能、光伏發(fā)電的剩余電力制氫，再將氫氣用于與天然氣進行摻混、直接發(fā)電和供熱等。截至2019年年底，德國已有在建和運行的power to gas示范項目50個，總裝機容量超過55兆瓦。
二是氫能燃料電池公交和列車：交通領域是對歐盟降低溫室氣體排放貢獻較大的領域之一，為了降低交通碳排放，歐盟多個國家在公用交通領域氫能利用上實現(xiàn)了突破，科隆、羅馬、奧斯陸、鹿特丹等城市已投入使用氫燃料電池巴士，德國率先在列車領域應用了氫能。
此外，蒂森克虜伯集團已開展氫能煉鋼示范項目，預計到2022年進入大規(guī)模應用階段。
