中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：01
為什么發(fā)展氫能儲(chǔ)能？
10月31日，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第26次締約方大會(huì)（COP26）在英國(guó)道格拉斯舉行。這次會(huì)議的目標(biāo)是在COP21上通過(guò)的《巴黎協(xié)定》要求的“將全球氣溫升幅控制在較工業(yè)革命前升高2攝氏度以內(nèi)，最好不超過(guò)1.5攝氏度”的目標(biāo)基礎(chǔ)上，要求各國(guó)為碳中和達(dá)成具體而深入的協(xié)定。未來(lái)煤炭是否盡快退出使用是這次氣候大會(huì)的爭(zhēng)論焦點(diǎn)之一。煤炭作為全球用量最大的化石能源之一，已經(jīng)深入人類生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。煤炭不僅在發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域也起到了關(guān)鍵作用（如圖1所示）。但電力部門(mén)的脫碳可通過(guò)風(fēng)能、光能等可再生能源實(shí)現(xiàn)，工業(yè)部門(mén)的深度脫碳卻存在困難。
圖1.中國(guó)煤炭行業(yè)下游需求占比，2018 年
數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)煤炭協(xié)會(huì)
從工業(yè)部門(mén)的深度減碳角度來(lái)講，氫能作為可替代能源之一，受到國(guó)際社會(huì)和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。氫的熱值高（120.0MJ/kg），是同質(zhì)量焦炭、汽油等化石燃料熱值的2–4倍。氫氣還具有很強(qiáng)的還原性，既可以和氧氣通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，也可以通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化成電能。最重要的是，氫能在上述轉(zhuǎn)化中并不產(chǎn)生溫室氣體。因此，氫能除用于發(fā)電外，還能夠在煉鋼、化工、水泥等工業(yè)部門(mén)中起到廣泛應(yīng)用，并且能夠作為燃料實(shí)現(xiàn)交通部門(mén)的深度減排（如圖2所示）。
圖2.未來(lái)氫能應(yīng)用前景
除了氫能之外，其他可再生能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能和地?zé)崮艿仁菍?shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型的必然選擇。但目前這些可再生能源除水能外，仍然存在很多問(wèn)題，例如時(shí)空分布不均，并網(wǎng)能力差等，造成很大的能源浪費(fèi)。為了提高可再生能源的并網(wǎng)能力，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，同時(shí)為了調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸配，合適的儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方式難以便捷地實(shí)現(xiàn)能量長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存，而氫能作為一種新能源，其儲(chǔ)能方式能量密度高，儲(chǔ)能規(guī)模大，能量容量成本較小，可作為長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能或季節(jié)性儲(chǔ)能的最優(yōu)方案，從而有效提高能量利用率。
圖3. 我國(guó)氫能資源分布
02、氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)比較
2.1、氫能儲(chǔ)能技術(shù)
“用氫地區(qū)不產(chǎn)氫，氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本居高不下，氫氣儲(chǔ)運(yùn)正是當(dāng)前制約我國(guó)氫能發(fā)展卡脖子的地方?！敝锌圃捍筮B化學(xué)物理研究所張家港產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長(zhǎng)韓滌非告訴《中國(guó)能源報(bào)》記者。在氫能生產(chǎn)利用的產(chǎn)業(yè)鏈的上游，制氫、加氫端相對(duì)成熟，而儲(chǔ)存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)（簡(jiǎn)稱“儲(chǔ)運(yùn)”）已成為氫能價(jià)格居高不下的主要制約因素。
氫能儲(chǔ)存（氫氣儲(chǔ)能）本質(zhì)是儲(chǔ)氫，即將易燃、易爆的氫氣以穩(wěn)定形式儲(chǔ)存。在確保安全前提下，提高儲(chǔ)氫容量（效率）、降低成本、提高易取用性是儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。儲(chǔ)氫技術(shù)可分為物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫兩大類。物理儲(chǔ)氫主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、活性炭吸附儲(chǔ)氫、碳纖維和碳納米管儲(chǔ)氫以及地下儲(chǔ)氫等；化學(xué)儲(chǔ)氫主要有金屬氫化物儲(chǔ)氫、液態(tài)有機(jī)氫載體儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫等。
2.1.1 物理儲(chǔ)氫
2.1.1.1高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫
氫氣在生產(chǎn)及應(yīng)用環(huán)節(jié)都離不開(kāi)壓縮技術(shù)。高壓氫氣壓縮機(jī)是將氫氣加壓注入儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心裝置，輸出壓力和氣體封閉性是其重要的性能指標(biāo)。
圖4. 氫氣壓縮機(jī)
高壓氣體儲(chǔ)氫的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度范圍是4.0~5.7wt%，當(dāng)前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，是目前最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。該技術(shù)是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里。金屬高壓儲(chǔ)氫容器由對(duì)氫氣有一定抗氫脆能力的金屬或者通過(guò)復(fù)合材料構(gòu)成，最常用的材質(zhì)是奧式不銹鋼。銅和鋁由于在常溫附近對(duì)氫免疫，不會(huì)造成氫脆，也常被選作高壓儲(chǔ)氫罐的材料。
圖5. 全復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器
高壓氣體儲(chǔ)氫的成本相對(duì)較低，壓縮過(guò)程耗能低，釋放簡(jiǎn)單快速，是目前技術(shù)最為成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，但是存在體積儲(chǔ)氫密度極低的重大缺陷。此外高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫存在泄漏、爆炸的安全隱患，因此安全性能有待提升。未來(lái)，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括了運(yùn)輸用大型高壓儲(chǔ)氫容器、加氫站用大型高壓儲(chǔ)氫容器、燃料電池車(chē)用高壓儲(chǔ)氫罐、通信基站不間斷電源用儲(chǔ)氫罐、無(wú)人機(jī)燃料電池用儲(chǔ)氫罐等。例如國(guó)內(nèi)某儲(chǔ)氫企業(yè)為上海世博會(huì)加氫站，提供了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)45MPa的氫氣儲(chǔ)能器，第一臺(tái)35MPa的移動(dòng)加氫車(chē)，累計(jì)為國(guó)內(nèi)加氫站提供儲(chǔ)能器50套以上，為國(guó)外加氫站提供儲(chǔ)能器達(dá)240套以上。該企業(yè)后又研制出的87.5MPa鋼質(zhì)碳纖維纏繞大容積儲(chǔ)氫容器，已示范應(yīng)用于大連加氫站；研發(fā)的35MPa橇裝加氫站，將應(yīng)用于2022年冬奧會(huì)；首創(chuàng)35MPa全集成橇裝式移動(dòng)加氫站，推動(dòng)加氫站商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。
2.1.1.2 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣液化，然后儲(chǔ)存在低溫絕熱真空容器中。低溫絕熱技術(shù)是低溫工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)低溫液體儲(chǔ)存的核心技術(shù)手段，按照是否有外界主動(dòng)提供能量可分為被動(dòng)絕熱和主動(dòng)絕熱兩大方式。被動(dòng)絕熱技術(shù)已廣泛運(yùn)用于各種低溫設(shè)備中; 而主動(dòng)絕熱技術(shù)由于需外界的能量輸入，雖能達(dá)到更好的絕熱效果，甚至做到零蒸發(fā)存儲(chǔ)( Zero boil－off，ZBO) ，但也勢(shì)必帶來(lái)一些問(wèn)題，如需要其他的附加設(shè)備而使整套裝置的體積與重量增加，制冷機(jī)效率低、能耗大、成本高、經(jīng)濟(jì)性差。
圖6. 液氫儲(chǔ)罐和儲(chǔ)存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示
液態(tài)氫具有很高的密度，體積比容量大，體積占比小，能夠使得儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單。但把氣態(tài)的氫變成液態(tài)的氫較難，要液化1kg的氫氣就要消耗4-10千瓦時(shí)的電量。并且，為了能夠穩(wěn)定的儲(chǔ)存液態(tài)氫，需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器。該容器需要抗凍、抗壓，且必須嚴(yán)格絕熱。因此，這種容器除了制造難度大，成本高昂之外，還存在易揮發(fā)、運(yùn)行過(guò)程中安全隱患多等問(wèn)題。
當(dāng)全球來(lái)看，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已應(yīng)用于車(chē)載系統(tǒng)中，在全球的加氫站中有較大范圍的應(yīng)用。液氫加氫站在日本、美國(guó)及法國(guó)市場(chǎng)比較多。目前全球大約有三分之一以上的加氫站是液氫加氫站，氫液化設(shè)備主要由美國(guó)AP、普萊克斯、德國(guó)林德等廠商提供。而我國(guó)的液氫工廠僅為航天火箭發(fā)射服務(wù)，受法規(guī)及技術(shù)成本所限，還無(wú)法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但相關(guān)企業(yè)已著手研發(fā)相應(yīng)的液氫儲(chǔ)罐、液氫槽車(chē)，如航天101所、國(guó)富氫能、鴻達(dá)興業(yè)、中集圣達(dá)因等公司均在研發(fā)國(guó)產(chǎn)液氫儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)品。相關(guān)部門(mén)正在研究制訂液氫民用標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)液氫運(yùn)輸將成為我國(guó)氫能發(fā)展的大動(dòng)脈。
圖7. NASA航天發(fā)射場(chǎng)加氫站
由財(cái)政部支持的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”近日通過(guò)驗(yàn)收及成果鑒定，這也是大型低溫制冷裝備技術(shù)的重大突破。
2.1.2 化學(xué)儲(chǔ)氫
與物理儲(chǔ)氫不同，化學(xué)儲(chǔ)氫方案一般通過(guò)利用儲(chǔ)存介質(zhì)與氫氣結(jié)合為穩(wěn)定化合物的方式實(shí)現(xiàn)氫儲(chǔ)存。用氫時(shí)，通過(guò)加熱或其他方式使化合物分解放氫，同時(shí)回收儲(chǔ)存介質(zhì)。
根據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)種類不同，化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括金屬氫化物儲(chǔ)氫、液態(tài)有機(jī)氫載體儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫等。與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟度相對(duì)較低，目前多在實(shí)驗(yàn)室、示范項(xiàng)目環(huán)節(jié)。
2.1.2.1 金屬氫化物儲(chǔ)氫
該技術(shù)將氫以金屬氫化物形式儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫合金材料中。在一定溫度壓力下，儲(chǔ)氫合金與氫接觸首先形成含氫固溶體（α相），隨后固溶體繼續(xù)與氫反應(yīng)產(chǎn)生相變，形成金屬氫化物（β相）。在加熱條件下，金屬氫化物放氫。早期發(fā)現(xiàn)的合金有LaNi5、Mg2Ni、TiFe等，隨后研究者發(fā)現(xiàn)這類合金由一種吸氫元素A與另一種非吸氫元素B組成，兩種元素分別控制儲(chǔ)氫量與吸放氫可逆性。目前世界上已研發(fā)的儲(chǔ)氫合金可大致分為稀土鑭鎳系、鈦鐵系、鈦鋯系、釩基固溶體、鎂系等。
這類基于固體的儲(chǔ)氫技術(shù)往往具有儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì)，其體積儲(chǔ)氫密度高于液氫。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)氫金屬材料的研究成果不斷，在部分領(lǐng)域已得到應(yīng)用。國(guó)外固體儲(chǔ)氫技術(shù)已在電池艦艇中得到商業(yè)應(yīng)用，在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲(chǔ)氫中得到示范應(yīng)用；國(guó)內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫已在分布式發(fā)電中得到示范應(yīng)用。
然而，成熟體系的金屬儲(chǔ)氫材料重量?jī)?chǔ)氫率偏低，最高的TiV材料可逆儲(chǔ)氫量為2.6 wt%。為提高重量?jī)?chǔ)氫率，目前開(kāi)發(fā)了配位氫化物、金屬氨硼烷等新材料，但這些材料存在如吸放氫速度慢、可逆循環(huán)性能差等應(yīng)用問(wèn)題，仍處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研發(fā)中。此外，儲(chǔ)氫金屬材料的成本受有色金屬原料價(jià)格波動(dòng)影響，成本偏高是制約發(fā)展的另一因素。
2.1.2.2 液態(tài)有機(jī)氫載體儲(chǔ)氫
液態(tài)有機(jī)氫載體（LOHC）儲(chǔ)氫技術(shù)基于不飽和液體有機(jī)物在催化劑作用下進(jìn)行的加氫反應(yīng)。常用的不飽和液體有機(jī)物有甲醇、環(huán)烷烴、N-乙基咔唑、甲苯、1,2-二氫-1,2-氮雜硼烷等。
這類技術(shù)具有較高儲(chǔ)氫密度，在環(huán)境條件下即可儲(chǔ)氫，安全性較高，運(yùn)輸方便。缺點(diǎn)是氫的取放不如物理儲(chǔ)氫容易，需要配備額外的反應(yīng)設(shè)備，且放氫過(guò)程往往需要加熱耗能，導(dǎo)致成本增高。
LOHC技術(shù)在日本和歐洲發(fā)展迅速，在我國(guó)尚屬于示范階段?？偛课挥诘聡?guó)Erlangen的Hydrogenious LOHC公司一直在開(kāi)發(fā)有機(jī)氫載體（LOHC）儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。目前，Hydrogenious公司正在德國(guó)Dormagen化學(xué)園區(qū)建造世界上最大的LOHC儲(chǔ)氫工廠，計(jì)劃2023年投產(chǎn)。該工廠使用二芐基甲苯為載體介質(zhì)，據(jù)稱該介質(zhì)具有不易燃不易爆性。
圖8. Hydrogenious LOHC工廠的存儲(chǔ)箱(上)與釋放箱（下）系統(tǒng)
今年10月，御氫科技與中車(chē)西安有限公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將在現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸裝備基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)適應(yīng)于大規(guī)模有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫介質(zhì)運(yùn)輸?shù)男滦丸F路罐體開(kāi)發(fā)。
2.1.2.3 液氨儲(chǔ)氫
氫與氮?dú)庠诖呋瘎┳饔孟潞铣梢喊保砸喊毙问絻?chǔ)運(yùn)。液氨在常壓、約400 ℃下分解放氫。
相比于低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)要求的極低氫液化溫度-253℃，氨在一個(gè)大氣壓下的液化溫度-33℃高得多，“氫-氨-氫”方式耗能、實(shí)現(xiàn)難度及運(yùn)輸難度相對(duì)更低。同時(shí)，液氨儲(chǔ)氫中體積儲(chǔ)氫密度比液氫高1.7倍，更遠(yuǎn)高于長(zhǎng)管拖車(chē)式氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。該技術(shù)在長(zhǎng)距離氫能儲(chǔ)運(yùn)中有一定優(yōu)勢(shì)。然而，液氨儲(chǔ)氫的也具有較多劣勢(shì)。液氨具有較強(qiáng)腐蝕性與毒性，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中對(duì)設(shè)備、人體、環(huán)境均有潛在危害風(fēng)險(xiǎn)；合成氨工藝在我國(guó)較為成熟，但過(guò)程轉(zhuǎn)換中存在一定比例損耗；合成氨與氨分解的設(shè)備與終端產(chǎn)業(yè)設(shè)備仍有待集成。
2.1.3 地下儲(chǔ)氫
氫氣的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存需要依賴一定的儲(chǔ)存空間，利用地下空間進(jìn)行儲(chǔ)氫成為了氫氣儲(chǔ)存的重要方式。諸多不同的地下儲(chǔ)氫方案中，最有潛力的一種方式：在地下鹽層中挖出一個(gè)“容器”來(lái)儲(chǔ)氫。這個(gè)“容器”的制造需要首先鉆到目標(biāo)鹽層，安裝好套管（如石油鉆井一樣）；其次注入溶液把鹽層溶化，溶化后的鹽水抽出來(lái)；再用這種溶解的方式在鹽層中造出所需要的形狀和大小的“容器”；最后充入氣體把鹽洞穴中的所有鹽水排空。根據(jù)不同鹽層結(jié)構(gòu)，這上述溶解方法造出來(lái)的不同“容器”的形狀。
圖9. 地下儲(chǔ)氫工藝流程示意圖
氫氣地下存儲(chǔ)能可以充分利用地下空間、節(jié)約土地資源、有效降低氫氣的儲(chǔ)集成本、提高氫氣的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用于風(fēng)光儲(chǔ)一體化項(xiàng)目，可以解決新能源發(fā)電波動(dòng)性，保障能源供應(yīng)和能源安全等。但氫氣地下儲(chǔ)庫(kù)建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要包括：儲(chǔ)層和蓋層的地質(zhì)完整性、氫氣地下化學(xué)反應(yīng)、井筒完整性、氫氣采出純度以及材料耐久性問(wèn)題。
圖10. 風(fēng)光氫儲(chǔ)一體化項(xiàng)目
在地下儲(chǔ)氫的應(yīng)用上，2021年8月23日，中國(guó)石化重慶首座加氫站——半山環(huán)道綜合加能站于近日正式建成。該站是國(guó)內(nèi)首座應(yīng)用儲(chǔ)氫井技術(shù)的加氫站，日供氫能力1000公斤，將為重慶首批氫能示范公交車(chē)和市內(nèi)物流車(chē)提供加氫服務(wù)，是氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的良好實(shí)踐和示范。
2.2、氫能運(yùn)輸技術(shù)
氫和氧能形成爆炸混合物，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中需要十分小心。目前氫能的運(yùn)輸通常根據(jù)儲(chǔ)氫狀態(tài)的不同和運(yùn)輸量的不同有所調(diào)整，主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送3種方式。
2.2.1 氣氫輸送
氫能的氣態(tài)輸運(yùn)分為長(zhǎng)管拖車(chē)和管道輸運(yùn)2種。長(zhǎng)管拖車(chē)靈活便捷，但在長(zhǎng)距離大容量輸送時(shí)，成本則會(huì)更高。與此相比，管道運(yùn)輸?shù)妮敋淞看蟆⒛芎牡?，但是建造管道一次性投資也更大。在管道輸運(yùn)發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式——將氫氣逐步引入天然氣網(wǎng)絡(luò)，這也是大規(guī)模推廣氫氣的現(xiàn)實(shí)解決方案。
2.2.2 液氫輸送
液氫一般采用車(chē)輛或船舶運(yùn)輸，液氫生產(chǎn)廠至用戶較遠(yuǎn)時(shí)，可以把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐內(nèi)，放在卡車(chē)、機(jī)車(chē)、船舶或者飛機(jī)上運(yùn)輸。這是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。在特別的場(chǎng)合，液氫也可用專門(mén)的液氫管道輸送。由于液氫是一種低溫(-253℃)液體，其存儲(chǔ)的容器及輸送液氫管道都需要高度的絕熱性能，所以管道容器的絕熱結(jié)構(gòu)就比較復(fù)雜，且液氫管道一般只適用于短距離輸送。
2.2.3 固氫輸送
采用固體儲(chǔ)氫材料對(duì)氫氣進(jìn)行物理吸附，或與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等方式，儲(chǔ)存、釋放氫能的方法被稱為“固氫”儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。其中，儲(chǔ)氫材料是實(shí)現(xiàn)固氫運(yùn)輸?shù)暮诵牟糠?，它能夠?qū)錃膺M(jìn)行有效的吸附與釋放，或者能夠與氫氣發(fā)生高效、可逆的化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)氫能的儲(chǔ)存與釋放。常用的固體儲(chǔ)氫材料包括金屬儲(chǔ)氫合金、碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料等。
表1：不同輸送方式的技術(shù)比較
總體來(lái)看，氣氫儲(chǔ)運(yùn)由于工藝及設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單而被應(yīng)用地最為廣泛，但它儲(chǔ)能密度低、不經(jīng)濟(jì)，適用于短距離運(yùn)輸。因此，采用輸氫管道輸送氫氣對(duì)于分布集中的用戶非常合適。液氫儲(chǔ)運(yùn)由于其儲(chǔ)能密度較氣氫高得多，因此適用于對(duì)儲(chǔ)能量要求很高的航空火箭等場(chǎng)合，但其對(duì)設(shè)備的絕熱、密封性等要求高。固氫儲(chǔ)運(yùn)兼具能量密度高、運(yùn)輸安全、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)、交通工具等多種場(chǎng)合，但其對(duì)固體儲(chǔ)氫材料性能要求較高，對(duì)新型儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā)提出了新要求。
03、氫能的發(fā)展瓶頸與展望
盡管氫能存在多方面的優(yōu)勢(shì)，有多種儲(chǔ)存、運(yùn)輸方式，但其生產(chǎn)過(guò)程存在著重要瓶頸，制約著當(dāng)前氫能的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展。
3.1、電力系統(tǒng)仍未完成脫碳
氫能本身是清潔的可再生能源，在使用的過(guò)程中沒(méi)有碳排放，但目前生產(chǎn)氫能的過(guò)程卻并非完全零碳。如果用目前電網(wǎng)中的電，發(fā)電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生碳排放，再電解水制氫，氫能也間接產(chǎn)生碳排放。氫能按照其制取方式，可分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫三種，其中只有綠氫是零碳的。
圖11. 氫氣制備過(guò)程示意圖
3.1.1 灰氫
灰氫是通過(guò)化石燃料，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)制造的氫氣。如通過(guò)煤氣化，用C + H2O H2 + CO2的原理制氫，顯然會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。目前，市面上絕大多數(shù)氫氣是灰氫，約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95％左右。
灰氫的生產(chǎn)成本較低，制氫技術(shù)較為簡(jiǎn)單，而且所需設(shè)備、占用場(chǎng)地都較少，看似具有優(yōu)勢(shì)，但是從本質(zhì)上看并不是清潔能源。
3.1.2 藍(lán)氫
藍(lán)氫是將化石燃料通過(guò)蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整等制造的氫氣。雖然仍采用化石燃料，也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，但其使用了碳捕捉、利用與儲(chǔ)存（CCUS）等先進(jìn)技術(shù)。溫室氣體被捕獲，減輕了對(duì)地球環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)了低排放生產(chǎn)。
藍(lán)氫相對(duì)生產(chǎn)成本低、技術(shù)成熟，適合作為一種“過(guò)渡清潔能源”，用于現(xiàn)階段的減碳行動(dòng)。
3.1.3 綠氫
綠氫，是通過(guò)使用再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣。一般通過(guò)可再生能源發(fā)電，再通過(guò)電解水制氫，生產(chǎn)綠氫的全過(guò)程中沒(méi)有碳排放，又稱為新能源制氫。
國(guó)際氫能協(xié)會(huì)副主席、清華大學(xué)教授毛宗強(qiáng)說(shuō)：“2020年，中國(guó)氫氣主要來(lái)源于灰氫，在2030年之后，綠氫應(yīng)該成為主體?！钡G氫受到目前技術(shù)及制造成本的限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要時(shí)間。
要充分應(yīng)用綠氫，首先要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。而新能源發(fā)電具有高度波動(dòng)性和不確定性等特點(diǎn)，目前的電力系統(tǒng)尚不能完全適應(yīng)。未來(lái)需要構(gòu)建“電-氫”耦合體系，才能建立低碳電氫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的低碳。從這個(gè)角度看，氫能的一大瓶頸不在氫氣本身，而在于電力系統(tǒng)。
3.2、產(chǎn)氫成本過(guò)高
中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院新能源發(fā)展研究中心主任劉思明曾表示：“降低氫能使用成本是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，成本的下降趨勢(shì)和速度將決定這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度?！?
表2：產(chǎn)氫成本估算
（假設(shè)：電$0.095/kWh，天然氣$9/MMBtu，煤價(jià)$20/t）
整體來(lái)看，藍(lán)氫的成本略高于灰氫，但碳排放顯著減少。如果不考慮發(fā)電本身的碳排放，電解水制氫是最為環(huán)保的，但其成本仍然偏高。單位制氫成本主要取決于煤、天然氣及電價(jià)，但是目前看來(lái)，這些價(jià)格均存在上漲的可能，綠氫的成本短期難以大幅下降。
一般認(rèn)為，當(dāng)電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm，也即11.2元/kg時(shí)，用氫能才是經(jīng)濟(jì)的。電解水過(guò)程中，通常電費(fèi)占制備成本的80%左右。盡管近年在制氫的工藝、設(shè)備、催化劑上有一定突破，成本有所下降，但未能解決根本問(wèn)題。有人預(yù)計(jì)，2025年，我國(guó)60%地區(qū)的光伏上網(wǎng)電價(jià)將在度電0.13元左右，風(fēng)電度電成本將控制在0.15元左右，可再生能源制氫成本將很快降至1元/Nm，屆時(shí)氫能的成本將比汽油更有優(yōu)勢(shì)。
3.3、產(chǎn)氫效率偏低
產(chǎn)氫效率因方法而不同，但整體上偏低，或存在效率、方法、安全性等不可兼得的問(wèn)題。就電解水制氫而言，通過(guò)堿性電制氫，技術(shù)較為成熟，但效率偏低，能量利用效率僅為21.42%～26.04%。通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM）制氫，可實(shí)現(xiàn)高電流密度和較高效率（31.08%～33.18%），但膜與催化劑相對(duì)昂貴。通過(guò)高溫電制氫，效率高（38.22%～48.98%），但技術(shù)不夠成熟，相對(duì)昂貴。
即便是較為先進(jìn)的方法，其制氫的能量利用效率也不超過(guò)50%。制得的氫氣常用于燃料電池，而燃料電池理論效率85%~90%，實(shí)際工作時(shí)效率約為40%~60%，遠(yuǎn)達(dá)不到理論效率。如果用氫氣作為儲(chǔ)能媒介，在“電能→氫能→電能/其他”的過(guò)程中，能量浪費(fèi)是巨大的，這也是制約氫氣大規(guī)模應(yīng)用的一大瓶頸。未來(lái)在制氫效率及燃料電池效率上還需進(jìn)一步突破。
04、氫能的展望
目前，雖然氫能由于效率低、成本高等缺點(diǎn)，仍未得到大規(guī)模的應(yīng)用，但由于其在各個(gè)重要領(lǐng)域中脫碳的關(guān)鍵作用，在未來(lái)，氫能具有廣闊的發(fā)展前景。
4.1、政策支持
首先，世界各國(guó)在政策層面為氫能的推廣制定了發(fā)展路線。國(guó)際氫能理事會(huì)（Hydrogen Council）發(fā)布的 《氫能觀察2021》 (Hydrogen Insights 2021）統(tǒng)計(jì)顯示，截至2021年2月，已有30多個(gè)國(guó)家發(fā)布了氫能路線圖[31]。美國(guó)的氫能戰(zhàn)略的目標(biāo)是在未來(lái)十年，使清潔氫能的價(jià)格降低至1美元/千克，到2030年，預(yù)計(jì)美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)每年可產(chǎn)生約1400億美元的收入，并在整個(gè)氫價(jià)值鏈中提供70萬(wàn)個(gè)工作崗位。歐盟委員會(huì)于2020年3月10日宣布成立“清潔氫能聯(lián)盟”，并在2020年7月公布的歐盟的氫戰(zhàn)略中提出，將在2024年生產(chǎn)100萬(wàn)噸清潔氫能，并在2030年擴(kuò)大至1000萬(wàn)噸;日本在《2050碳中和綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略》中也提出，到2030年將氫能年度供應(yīng)量增加到300萬(wàn)噸，到2050年氫能供應(yīng)量達(dá)到2000萬(wàn)噸/年，力爭(zhēng)在發(fā)電和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)淠艹杀窘档偷?0日元/立方米，到2050年降至20日元/立方米。在未來(lái)越來(lái)越多政策的支持下，氫能將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。
4.2、技術(shù)展望
在氫能的生產(chǎn)方面，未來(lái)的氫能，將以可再生能源電解水制氫為主。在可再生能源成本下降之前，站內(nèi)天然氣制氫能大幅降低全產(chǎn)業(yè)鏈成本，是加氫站未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。
在氫能的運(yùn)輸方面，儲(chǔ)運(yùn)是限制氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，氫氣專輸管道投資大、審批難，短期內(nèi)仍然以高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)為主。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫密度高但成本高，主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域。固氫及有機(jī)液氫儲(chǔ)運(yùn)容量大、安全經(jīng)濟(jì)，因此發(fā)展?jié)摿薮?。以商用?chē)帶動(dòng)加氫站建設(shè)，有望形成正反饋降低氫能源成本。
在氫能的應(yīng)用方面，氫能應(yīng)用模式豐富，能夠幫助工業(yè)、建筑、交通等主要終端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化。目前氫能以工業(yè)原料消費(fèi)為主，未來(lái)氫能在交通部門(mén)應(yīng)用潛力巨大，尤其是遠(yuǎn)程重貨運(yùn)、航空等，其形式則包括燃料電池、氫能熱機(jī)等。通過(guò)氫能作為主要能源，將會(huì)為目前難以減排的行業(yè)部門(mén)（如圖10所示）提供可行的深度減排路徑。
圖12. 2015年按行業(yè)劃分的全球能源相關(guān)CO2排放量
作者簡(jiǎn)介
張乾志，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院2021級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)槟茉聪到y(tǒng)分析。
滕明睿，清華大學(xué)土木工程系2020級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)橹悄芙ㄔ臁?
楊清，清華大學(xué)公共管理學(xué)院2020級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)闅夂蜃兓c可持續(xù)發(fā)展。
楊乾坤，清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系2020級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)槟茉喘h(huán)境。
楊盟，清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系2018級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)榭諝馓疾都?
李司令，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2018級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)榈叵滤廴尽?
徐驍翰，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士研究生，研究方向?yàn)閴簹鈾C(jī)智能設(shè)計(jì)。
文稿｜張乾志 滕明睿 楊 清 楊乾坤 楊 盟 李司令 徐驍翰
