中國儲能網(wǎng)訊：隨著全球碳中和目標(biāo)的提出，美國、歐盟、德國和日本先后制定或更新氫戰(zhàn)略，將氫作為深度脫碳的戰(zhàn)略選擇，提出雄心勃勃的氫經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，推動(dòng)了全球清潔氫[1]項(xiàng)目部署。2023年12月，法國發(fā)布更新版《國家氫能戰(zhàn)略》草案[2]，提出建設(shè)吉瓦級制氫工廠，加速綠氫部署，提升法國在氫價(jià)值鏈的領(lǐng)導(dǎo)者地位。英國發(fā)布《氫生產(chǎn)交付路線圖》[3]和《氫輸運(yùn)和存儲網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑》[4]，通過多舉措支持電解制氫項(xiàng)目和氫儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。剛剛閉幕的COP28推出了一系列有利于促進(jìn)氫跨境貿(mào)易的旗艦舉措[5]，包括氫及氫衍生物認(rèn)證計(jì)劃政府間互認(rèn)意向聲明、為基于全生命周期分析的不同來源氫溫室氣體排放提供全球基準(zhǔn)（ISO方法論）、氫及衍生品跨境貿(mào)易走廊的公私聲明等，旨在釋放氫及其衍生物跨境價(jià)值鏈的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文梳理了近期全球清潔氫項(xiàng)目的最新進(jìn)展，并從影響氫項(xiàng)目部署的政策和技術(shù)角度出發(fā)分析了主要經(jīng)濟(jì)體氫能戰(zhàn)略舉措以及清潔氫制備關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向。
一、全球清潔氫項(xiàng)目總體概況
根據(jù)《2023全球氫能洞察》[6]，截至2023年10月，全球已宣布清潔氫能項(xiàng)目達(dá)1418個(gè)，較2023年1月的統(tǒng)計(jì)數(shù)量增長了35%。其中，1011個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃到2030年全部或部分投產(chǎn)。從項(xiàng)目實(shí)施情況看，處于公告階段、可行性研究階段、前端工程設(shè)計(jì)階段、在建和運(yùn)營階段的項(xiàng)目比例分別為30%、22%、13%和35%。在建或者運(yùn)營階段的項(xiàng)目比例首次超過公告階段。根據(jù)已宣布產(chǎn)能，到2030年全球低碳?xì)浜涂稍偕鷼洚a(chǎn)能每年將由當(dāng)前的86萬噸提升到4500萬噸，其中，可再生氫產(chǎn)能占比將超過70%。但從政策部署情況來看，約50%的產(chǎn)能項(xiàng)目仍處于規(guī)劃階段，7%僅為承諾目標(biāo)，產(chǎn)能規(guī)模擴(kuò)大將面臨重大挑戰(zhàn)。
已宣布清潔氫項(xiàng)目在產(chǎn)能擴(kuò)張、生產(chǎn)能力提升和應(yīng)用領(lǐng)域均顯示出持續(xù)的增長趨勢。從氫供應(yīng)看，在運(yùn)營項(xiàng)目中清潔氫產(chǎn)能已由每年80萬噸提高到86萬噸。其中，約18%為可再生氫，到2030年，這一比例將上升至45%。歐洲將成為清潔氫產(chǎn)能最大地區(qū)，與美洲和大洋洲的總產(chǎn)能在全球中的占比將達(dá)到80%以上。從規(guī)?？?，全球電解槽裝機(jī)容量已達(dá)到11吉瓦，較2023年1月增長達(dá)到33%。其中，大部分來自中國（約占55%)，其次是中東（約15%）、歐洲（約15%）和北美（約5%）。兩個(gè)全球最大規(guī)模的在運(yùn)營電解制氫項(xiàng)目（260兆瓦[7]和150兆瓦[8]）均位于中國。燃料電池的累計(jì)容量由12吉瓦增加為15吉瓦，中國、韓國和日本為主要供應(yīng)市場。從終端應(yīng)用看，通過最終投資的氫終端應(yīng)用項(xiàng)目金額已超過75億美元，主要分布在工業(yè)、交通和電力等部門中，其中交通部門占比60%。從國家投資金額看，歐洲的氫終端應(yīng)用投資高達(dá)45億美元，位居全球投資金額首位，主要聚焦綠氫在工業(yè)原料（如煉油工藝）中的應(yīng)用。韓國和中國分別在氫動(dòng)力輕型汽車市場、氫燃料電池卡車和公共客車市場處于領(lǐng)先地位。北美側(cè)重低碳?xì)湓诎鄙a(chǎn)和煉油工藝中的應(yīng)用。
根據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，截止2023年7月，全球已運(yùn)行和在建的電解制氫項(xiàng)目有466項(xiàng)[9]。在這些項(xiàng)目中，電解槽裝機(jī)容量不低于500兆瓦的項(xiàng)目有10項(xiàng)（見表1），電解槽類型以堿性電解槽和質(zhì)子交換膜為主。
表1 電解槽裝機(jī)容量超過500兆瓦的在建電解制氫項(xiàng)目
上述項(xiàng)目中，中國擁有的項(xiàng)目（4項(xiàng)）占比超過40%。由中國華魯集團(tuán)和水木明拓集團(tuán)以及國際氫能源中心合作建設(shè)的“Hydrogen Energy Metallurgical Chemical Demonstration Zone, 2”[10]，是世界上第一個(gè)綠色制氫及在冶金化工領(lǐng)域應(yīng)用的綜合示范項(xiàng)目；中石化新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目是當(dāng)前全球最大的光伏制氫項(xiàng)目，已于2023年6月順利產(chǎn)氫，制氫規(guī)模達(dá)到每年2萬噸，標(biāo)志著我國萬噸級綠氫煉化項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈貫通[11]。沙特阿拉伯的“NEOM Green Hydrogen Project”設(shè)定裝機(jī)容量達(dá)2000兆瓦，將于2026年運(yùn)行，屆時(shí)將成為全球最大的綠氫工廠[12]；丹麥托普索公司正在建設(shè)世界上最大的固體氧化物電解槽制氫工廠，2025年投入運(yùn)營后，裝機(jī)容量可達(dá)500兆瓦并可擴(kuò)展至5000兆瓦[13]。法國Genvia高溫電解槽吉瓦級制氫工廠將從2028年運(yùn)行[14]。
二、主要經(jīng)濟(jì)體發(fā)展氫項(xiàng)目的戰(zhàn)略舉措
主要經(jīng)濟(jì)體強(qiáng)化氫在深度脫碳中的戰(zhàn)略性地位及高影響力用途，并繼續(xù)擴(kuò)大綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模和降低制氫成本。2023年6月，美國《國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖》[15]提出，到2030年將清潔氫產(chǎn)能從當(dāng)前幾乎為零增至1000萬噸/年，制氫成本降低80%至1美元/千克[16]。該路線圖從應(yīng)用視角出發(fā)將清潔氫發(fā)展分為3個(gè)階段，首先在難脫碳行業(yè)（如煉油、制氨、公交）使用氫能；其次擴(kuò)展到渡輪、化工、鋼鐵、儲能、發(fā)電和航空領(lǐng)域；最后在市場競爭力增強(qiáng)時(shí)，應(yīng)用于備用電源、甲醇生產(chǎn)和天然氣網(wǎng)絡(luò)等。歐盟在2022年的“Repower EU”計(jì)劃中提出，到2030年，實(shí)現(xiàn)可再生制氫產(chǎn)量1000萬噸和進(jìn)口1000萬噸的目標(biāo)，制氫成本低于1.8歐元/千克（約1.97美元/千克）。2023年10月，歐盟通過《可再生能源指令（修訂版）》[17]和《ReFuelEU航空法規(guī)》兩項(xiàng)法案[18]，法案規(guī)定到2030年42%的工業(yè)用氫和1.2%的航空燃料必須來自綠氫。2023年底歐盟清潔能源技術(shù)觀察站指出[19]，氫終端應(yīng)用中約50.5%作為煉油的化學(xué)原料，約29.5%用于氨生產(chǎn)，約7.3%用于其他化學(xué)合成，用于運(yùn)輸?shù)臍淠軆H為0.001%。法國在2023年12月更新版《國家氫能戰(zhàn)略》（草案）中提出，到2030年低碳電解制氫產(chǎn)能達(dá)到6.5吉瓦，重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域聚焦于交通部門和難以脫碳和電氣化的重工業(yè)部門（如鋼鐵、水泥和化肥等）。日本在2023年6月修訂的《氫能基本戰(zhàn)略》[20]中提出，制定2040年氫供應(yīng)量達(dá)到1200萬噸/年的目標(biāo)，2030和2050年制氫成本分別下降到30日元/立方米（約2.34美元/千克）和20日元/立方米（約1.56美元/千克），以實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)由技術(shù)發(fā)展階段過渡到商業(yè)化階段。日本著重于國內(nèi)外氫能市場的產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)關(guān)注低碳?xì)?氨燃燒發(fā)電技術(shù)、燃料電池技術(shù)，以及在鋼鐵、化工、氫燃料船舶等領(lǐng)域的氫氣直接使用以及氫基化合物使用技術(shù)。
政府通過建設(shè)區(qū)域氫能中心和開拓國際氫供應(yīng)渠道等措施構(gòu)建本國大規(guī)模氫供應(yīng)鏈。美國通過2021年簽署的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》共計(jì)投入80億美元用于區(qū)域氫能中心建設(shè)，支持美國制造業(yè)和鞏固美國國內(nèi)供應(yīng)鏈。日本在2023年新《氫能基本戰(zhàn)略》提出未來10年建設(shè)3個(gè)大型氫中心、5個(gè)中型氫中心，在港口地區(qū)發(fā)展氫能樞紐；通過推動(dòng)國際氫貿(mào)易以建立國際氫供應(yīng)鏈。歐盟通過2022年“Repower EU”能源計(jì)劃建設(shè)區(qū)域氫合作網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)跨境氫能基礎(chǔ)設(shè)施部署，并支持在地中海、北海地區(qū)和烏克蘭建立3個(gè)氫進(jìn)口走廊。德國在2023年新《國家氫能戰(zhàn)略》中提出，將構(gòu)建本國-歐盟-歐盟外國家3層氫網(wǎng)絡(luò)，確保氫能長距離規(guī)?；斔停徊⑼瞥鼍G氫氫能地圖項(xiàng)目，逐步開展與非洲國家的綠氫貿(mào)易。法國在2023年底公布的新《國家氫能戰(zhàn)略》草案計(jì)劃優(yōu)先在工業(yè)中心的大型消費(fèi)區(qū)（如濱海福斯、敦刻爾克和勒阿弗爾塞納河口的低碳工業(yè)區(qū)）部署氫能項(xiàng)目，其次考慮中等城鎮(zhèn)或小型工業(yè)平臺周圍的半集中和分散中心[21]。
政府對氫項(xiàng)目投資和研發(fā)支持力度持續(xù)增強(qiáng)。美國通過2021年和2022年先后簽署的《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》和《通脹削減法案》，大規(guī)模提供資金支持氫能基建和研發(fā)示范活動(dòng)，到2030年將投入數(shù)百億美元，美國政府兩項(xiàng)法案將在氫能公共支出中保持全球領(lǐng)先地位。歐盟在2022年5月和7月相繼宣布投入2億歐元（約2.12億美元）用于“Repower EU”計(jì)劃中的氫研究和54億歐元（約57億美元）支持氫能技術(shù)價(jià)值鏈研發(fā)創(chuàng)新和首次工業(yè)部署[22]。2023年1月，歐盟清潔氫合作伙伴關(guān)系啟動(dòng)1.95億歐元（約2.06億美元）的氫能尖端技術(shù)研發(fā)[23]。2023年12月，歐盟創(chuàng)新基金將向托普索公司撥款9400萬歐元（9930萬美元），用于在丹麥海寧建立首個(gè)固態(tài)氧化物電解槽生產(chǎn)工廠，該項(xiàng)目的總投資額高達(dá)2.69億歐元（2.84億美元）。同月，英國能源安全和凈零排放部通過“制氫商業(yè)模式/凈零氫基金”聯(lián)合資助電解制氫項(xiàng)目，資助項(xiàng)目規(guī)模將超過1吉瓦[24]，并繼續(xù)推進(jìn)到2030年實(shí)現(xiàn)至少5吉瓦的目標(biāo)。澳大利亞可再生能源署（ARENA）于2023年5月宣布投入20億澳元（13.4億美元）啟動(dòng)“氫能領(lǐng)先計(jì)劃”[25]，支持2~3個(gè)旗艦項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)到2030年1吉瓦的電解槽裝機(jī)容量。5月26日，ARENA又向Stanwell公司大規(guī)?？稍偕茉粗茪漤?xiàng)目的前端工程設(shè)計(jì)[26]，提供2000萬澳元（1344萬美元）的資助，在項(xiàng)目開發(fā)階段預(yù)計(jì)將投入1.17億澳元（7900萬美元）。
三、清潔氫制備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)展
清潔氫制備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是影響氫應(yīng)用的關(guān)鍵因素。其中，電解水制氫和光分解水制氫一直是清潔氫制備的研究熱點(diǎn)。電解水制氫涉及堿性（ALK）電解制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）電解制氫、固體氧化物（SOEC）電解制氫及陰離子交換膜（AEM）電解制氫等方法；光分解水制氫技術(shù)，包括光催化法、光熱分解法和光電化學(xué)法等。本文重點(diǎn)分析近期上述制氫技術(shù)研究取得的重要進(jìn)展。
全球淡水資源的稀缺使得利用海水進(jìn)行ALK電解制氫成為研究前沿。這項(xiàng)技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是海水復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致的陽極析氧反應(yīng)中催化劑性能下降。因此，開發(fā)高效、穩(wěn)定的電極電催化劑成為關(guān)鍵。2023年10月，香港理工大學(xué)的傅強(qiáng)等人介紹了一種能夠增強(qiáng)金屬磷三晶化物催化活性的邊緣優(yōu)化策略。通過利用堿性陰極析氫反應(yīng)中的表面重建現(xiàn)象，將摻雜劑（Ru）穩(wěn)定在原為形成的無定形層中，從而增強(qiáng)了中間體的吸附能力，以達(dá)到10mA·cm?2的電流密度和1180μA·cm?2的高交換電流密度，可與商業(yè)Pt/C催化劑相媲美。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了在電催化劑設(shè)計(jì)中利用非晶化表面的優(yōu)勢，為電化學(xué)應(yīng)用中高效催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的選擇[27]。2023年11月，英國提賽德大學(xué)的Zafar Khan Ghouri團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究，介紹了一種新型Pd摻雜Co顆粒，封裝在石墨碳?xì)る姌O中，作為高活性析氧反應(yīng)（OER）電催化劑。研究結(jié)果顯示，這種新型催化劑在催化活性、活性位點(diǎn)增強(qiáng)、內(nèi)阻降低、電荷轉(zhuǎn)移加速以及OER動(dòng)力學(xué)方面表現(xiàn)出色，并具有更好的活性和耐久性[28]。2023年12月，西北工業(yè)大學(xué)的徐新武團(tuán)隊(duì)介紹了一種新的耐腐蝕電催化劑。該催化劑是通過在鈦纖維基材上覆蓋一層還原氧化石墨烯（rGO）納米片，然后直接生成鈷磷化合物（CoP），用于海水分解。實(shí)驗(yàn)表明，該CoPGT催化劑在10mA·cm?2的電流密度下只需很小的過電位，且在堿性環(huán)境中長期穩(wěn)定，對鹽濃度增加有良好的耐受性，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性和低溶解度（低至0.04%）[29]。
減少對銥金屬催化劑的依賴性，并克服其替代品在酸性O(shè)ER中穩(wěn)定性不足和催化活性低的問題，是PEM電解制氫面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。2023年7月，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員提出了一種高性能、耐用且超低負(fù)載的無離子聚物多孔傳輸電極。該電極消除了陽極室中對離聚物的需求，便于銥的節(jié)約和回收，同時(shí)在低負(fù)荷（<0.1mgIr·cm-2）下具有出色的活性和耐久性[30]。2024年1月，湖南師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效的低銥電催化劑。采用陽離子交換和快速退火-冷卻方法，在耐酸的氧化錳（MnO2）表面制備了銥原子，形成特殊的拉伸應(yīng)變結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)提高了銥和氧之間的共價(jià)鍵強(qiáng)度，增強(qiáng)了反應(yīng)過程中的去質(zhì)子化能力。在OER三電極系統(tǒng)測試中，該催化劑分別在200 mA·cm?2和500mA·cm?2的電流密度下表現(xiàn)出100小時(shí)和200小時(shí)的穩(wěn)定性，展示了其在PEM電解制氫應(yīng)用中的潛力[31]。二氧化釕被認(rèn)為是最有前景的銥基催化劑的替代品。2023年12月，阿卜杜拉國王科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)揭示了二氧化釕在酸性O(shè)ER過程中失活的機(jī)理，并設(shè)計(jì)了一種氧陰離子保護(hù)策略。所制備的Ba0.3(SO4)δW0.2Ru0.5O2-δ催化劑在質(zhì)子交換膜電解槽中運(yùn)行時(shí)，在0.5摩爾/升硫酸（H2SO4）下，以500 mA·cm-2的電導(dǎo)率下可穩(wěn)定運(yùn)行300小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定析氧，為設(shè)計(jì)穩(wěn)定、活性的酸性條件下質(zhì)子交換膜電解槽陽極催化劑開辟了一條新途徑[32]。
耐久性是SOEC電解制氫技術(shù)面臨的首要問題。2023年8月，美國愛達(dá)荷州國家實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用摻雜材料，如錳（Mn）、釹（Nd）、鐵（Fe）和鉻（Cr）是提高SOEC穩(wěn)定性和電化學(xué)催化活性的關(guān)鍵[33]。2023年11月，美國麻省理工學(xué)院的研究表明，通過調(diào)整陰極電位，可以提高多孔電極（由La1-xSrxCo1-xFexO3的鈣鈦礦材料與Sm0.2Ce0.8O1.9混合制成）在氧還原反應(yīng)中的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性。這是由于在特定條件下，電極材料表面會(huì)形成一種新的相（Ruddlesden-Popper相），這有助于防止摻雜劑遷移并在表面生成促進(jìn)催化反應(yīng)的鈷顆粒[34]。
AEM電解制氫技術(shù)具備低成本和高效率的雙重優(yōu)勢。然而，AEM的化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性問題將影響制氫設(shè)備的使用壽命，其傳導(dǎo)性對制氫性能也有重要影響。因此，最新的研究聚焦于AEM電解裝置的耐久性問題。2023年6月，清華大學(xué)的康昕團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型的RuMoNi電催化劑，具備優(yōu)異的耐腐蝕性及穩(wěn)定性。在強(qiáng)腐蝕性海水的測試環(huán)境中，該催化劑能夠在500mA·cm-2的高電流密度下穩(wěn)定工作超過3000小時(shí)，并且在1.72V和1000mA·cm-2的電流密度下實(shí)現(xiàn)了77.9%的能量轉(zhuǎn)換效率[35]。中國科技大學(xué)吳亮研究團(tuán)隊(duì)成功制備了一種基于超微孔結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜。在1.8V、90 ℃的條件下，以5.4 A·cm-2的電流密度進(jìn)行電解水，膜的耐久性超過了3000小時(shí)[36]。
光催化制氫的核心挑戰(zhàn)在于提高光催化活性和制氫效率。2023年10月，美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Naim Ferdous團(tuán)隊(duì)展示了GeC和AlN層構(gòu)成的新型二維范德瓦爾斯異質(zhì)雙層膜在光催化水分解制氫方面的潛力。該GeC/AlN異質(zhì)結(jié)具有2.05eV的帶隙，能有效激發(fā)水的光催化氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。其II型能帶結(jié)構(gòu)有助于光生電子和空穴的有效分離，從而顯著提高光催化活性[37]。2024年1月，英國牛津大學(xué)Edman Tsang團(tuán)隊(duì)與華東理工大學(xué)吳新平團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出一種熱輔助光催化分解水制氫的新策略，實(shí)現(xiàn)高達(dá)15.9%的能量轉(zhuǎn)化效率，超過了目前已報(bào)道的同類體系[38]。
實(shí)現(xiàn)成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)的高效光吸收器，同時(shí)確保高效的太陽能轉(zhuǎn)化率和長期耐用性，是光電化學(xué)制氫技術(shù)面臨的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。2023年6月，美國萊斯大學(xué)的Austin M. K. Fehr團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)電粘合劑阻隔層，能將超過99%的太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，顯著提升太陽能制氫（STH）效率。該研究展示了兩種基于鹵化物鈣鈦礦的電池架構(gòu)：一種實(shí)現(xiàn)了13.4%的STH效率，持續(xù)運(yùn)行16.3小時(shí)；另一種單片堆疊硅鈣鈦礦串聯(lián)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了20.8%的峰值STH效率，并連續(xù)運(yùn)行了102小時(shí)[39]。
