中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：文 | 張茜 苗盛 作者供職于中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院
陶光遠(yuǎn) 作者供職于中德可再生能源合作中心
氫可以用作原料、能源載體和能源存儲(chǔ)。因?yàn)闅湓谑褂脮r(shí)不排放二氧化碳，一般沒有空氣污染，因此在未來的碳中和時(shí)代，將廣泛應(yīng)用在工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力和建筑領(lǐng)域。幾乎所有依賴化石能源的應(yīng)用場(chǎng)景都可以利用氫及其衍生物來實(shí)現(xiàn)碳中和。提高能源效率和通過使用風(fēng)光等可再生能源與核能實(shí)現(xiàn)電力零碳化被視為全球能源轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)碳中和的前兩大支柱，而氫被認(rèn)為是第三大支柱。因此氫在世界各地受到迅速增長(zhǎng)的關(guān)注。
正因?yàn)槿绱耍?020年6月，德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部公布了德國(guó)的《Nationale Wasserstoff-Strategie（國(guó)家氫能戰(zhàn)略）》。2020年7月，歐盟公布了《A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe歐洲氣候中性的氫能戰(zhàn)略》。這兩個(gè)戰(zhàn)略文件宣稱的目標(biāo)均是雄心勃勃的。其中，歐盟的目標(biāo)是將氫在歐洲能源結(jié)構(gòu)中的份額從目前的不到2%提高到2050年的13-14%。
技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要通過示范項(xiàng)目這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的提高，這是新技術(shù)從開發(fā)到推廣應(yīng)用之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。歐洲氫能示范項(xiàng)目的主要目的有兩個(gè)，一是通過示范項(xiàng)目促進(jìn)氫能技術(shù)的成熟和降低成本，以加快氫能的大規(guī)模應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)揮作用。二是支撐歐洲氫能的研發(fā)，保持歐洲在氫能科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，未來向世界各國(guó)大規(guī)模出口氫能領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品。
對(duì)于歐洲的氫能發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)內(nèi)有不少介紹，但是，對(duì)于具體的示范項(xiàng)目，鮮有介紹和分析。通過分析借鑒國(guó)際氫能先發(fā)國(guó)家的示范項(xiàng)目，促進(jìn)中國(guó)氫能事業(yè)的發(fā)展和示范項(xiàng)目的開發(fā)，以便在氫能領(lǐng)域的發(fā)展中少走彎路。
氫能的生產(chǎn)物流與應(yīng)用
目前，全球主要使用化石能源作為原料制氫（灰氫）。有兩種主要方法：一是使用甲烷（天然氣的主要成分）蒸汽重整（SMR）制氫；二是將煤炭氣化制氫。由于生產(chǎn)灰氫排放大量的二氧化碳，因此未來需要用沒有二氧化碳排放的制氫方法替代。一種方法是甲烷蒸汽重整與碳捕獲和封存（CCS）結(jié)合（藍(lán)氫），或甲烷熱解與碳利用結(jié)合（綠松石氫）；另一種是可再生能源制氫（綠氫）。
現(xiàn)在的氫主要是在工業(yè)領(lǐng)域作為生產(chǎn)工藝中的中間產(chǎn)品使用，往往是就近生產(chǎn)就近使用，所以基本上不存在運(yùn)輸和存儲(chǔ)的問題。由于未來氫的利用場(chǎng)景和規(guī)模遠(yuǎn)勝于此，制氫的地點(diǎn)和用氫的地點(diǎn)往往不在一地，甚至相差上千公里。因此，氫能的物流成為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)。
氫最簡(jiǎn)單的物流形式是氣態(tài)運(yùn)輸，包括純氫管道、天然氣管道摻氫以及利用高壓車載儲(chǔ)氫瓶等運(yùn)輸方法。像所有其它氣體一樣，氫氣也可以在低溫液化后,以液態(tài)形式進(jìn)行運(yùn)輸。此外，化學(xué)存儲(chǔ)形式，例如轉(zhuǎn)化為氨或使用液態(tài)有機(jī)載氫體（LOHC，Liquid Organic Hydrogen Carrier）等，也具有較高的氫儲(chǔ)運(yùn)潛力。
當(dāng)前氫主要是作為工業(yè)原料使用，未來氫作為能源載體來使用將具有更高的重要性, 尤其是在那些難于直接使用電能的領(lǐng)域中。隨著氫在全球能源系統(tǒng)中的整合，氫作為原料和能源應(yīng)用之間的清晰界限將消失，氫將同時(shí)用于這兩個(gè)目的。除了目前在石油化工和化肥行業(yè)中大量使用氫以外，鋼鐵行業(yè)還使用氫作為還原劑和能源載體，替代焦炭和其它化石能源，來實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。
此外，在電力和生物能源技術(shù)不可行或不具有成本效益的領(lǐng)域，氫也可以作為可選的能源和原料。在重載公路運(yùn)輸，鐵路運(yùn)輸和乘用車等陸地交通中，氫燃料電池車比電動(dòng)汽車具有更長(zhǎng)的續(xù)航里程，比燃油車具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。在建筑領(lǐng)域，氫熱電聯(lián)供未來可以替代今天的燃煤和天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
氫的電解和發(fā)電可成為消納和補(bǔ)償風(fēng)光電季節(jié)性波動(dòng)的最大穩(wěn)定機(jī)制：電解水制氫工廠可以作為靈活負(fù)載消納過剩（特別是季節(jié)性過剩）的風(fēng)光水電。在風(fēng)光水電短缺的季節(jié)，可以用儲(chǔ)存在大型氫庫(kù)里的氫發(fā)電或熱電聯(lián)供，解決未來碳中和時(shí)代可再生能源電力供應(yīng)的季節(jié)性（譬如在冬季11月份至2月份）短缺問題。而現(xiàn)在的大部分儲(chǔ)能技術(shù)，如抽水蓄能電站、電轉(zhuǎn)熱冷存儲(chǔ)、電動(dòng)汽車智能充電和蓄電池儲(chǔ)能只適合于應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電的短時(shí)間波動(dòng)。
歐洲氫能示范
幾乎所有的歐洲國(guó)家都啟動(dòng)了面向未來氫能技術(shù)應(yīng)用的示范項(xiàng)目。但由于各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)水平和制氫資源的差異，因此在氫能示范項(xiàng)目的規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋程度、技術(shù)水平和應(yīng)用規(guī)模上有所不同。限于篇幅，本文僅挑選了在歐洲不同地區(qū)開展氫能示范項(xiàng)目領(lǐng)先的國(guó)家，進(jìn)行了分析。
這些國(guó)家是西歐的德國(guó)和荷蘭、北歐的挪威、南歐的西班牙和東歐的波蘭。其中，這些國(guó)家已經(jīng)建成和正在建設(shè)的氫能示范項(xiàng)目：德國(guó)有22個(gè)；荷蘭有20個(gè)；挪威有15個(gè)；西班牙有25個(gè)；波蘭有8個(gè)。這里還不包括大量的加氫站。譬如，在德國(guó)，截止到2021年12月11日，有91個(gè)加氫站在運(yùn)行。而在2018年4月，才只有不到40個(gè)加氫站。
氫能從生產(chǎn)、物流到應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)。歐洲的氫能示范項(xiàng)目不追求每一個(gè)示范項(xiàng)目在所有的環(huán)節(jié)上符合未來的要求，而是僅對(duì)其中的某個(gè)或某幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行面向未來的示范，以降低示范項(xiàng)目的實(shí)施難度和投資規(guī)模。這樣通過多個(gè)項(xiàng)目分別對(duì)不同氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行示范，綜合起來就可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部氫產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)面向未來的示范。因此，歐洲氫能示范項(xiàng)目既有實(shí)現(xiàn)了碳中和的氫能示范項(xiàng)目，也有一些項(xiàng)目與現(xiàn)有的氫基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合，包括使用有二氧化碳排放的灰氫。
歐洲現(xiàn)有的氫基礎(chǔ)設(shè)施主要集中于工業(yè)部門（最主要是：合成氨工業(yè)和煉油廠）。其它基礎(chǔ)設(shè)施，如交通領(lǐng)域的加氫站，現(xiàn)在的用氫量還微乎其微。
歐盟以及歐洲各國(guó)政府都對(duì)氫能示范項(xiàng)目給予了大力支持，包括對(duì)示范項(xiàng)目的組織、市場(chǎng)推廣措施和財(cái)政資助補(bǔ)貼。其對(duì)氫能的資助方式是政府與經(jīng)濟(jì)界結(jié)合，歐盟、國(guó)家和地方政府等各級(jí)政府的資助結(jié)合。
例如，自2005年以來，歐洲共同利益的重要項(xiàng)目IPCEI（Important Project of Common European Interest）是歐盟一個(gè)特殊的科研項(xiàng)目框架，其重要項(xiàng)目最初僅限于研究、開發(fā)和創(chuàng)新以及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。最近各國(guó)計(jì)劃在這個(gè)框架下加大對(duì)綠氫研發(fā)和示范的投入，這個(gè)計(jì)劃現(xiàn)在已經(jīng)啟動(dòng)。
2020年12月，挪威等歐盟國(guó)家呼吁并發(fā)起了一些促進(jìn)歐洲氫能經(jīng)濟(jì)的共同利益項(xiàng)目。其中包括歐洲最大鋼鐵廠杜伊斯堡-沃爾蘇姆 （德國(guó)）的500 MW電解水制氫項(xiàng)目計(jì)劃，塞納河畔杰羅姆港（法國(guó)）的化學(xué)工廠的200 MW電解水制氫項(xiàng)目計(jì)劃，漢堡-摩爾堡的200 MW電解水制氫項(xiàng)目和一個(gè)氫燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)計(jì)劃，以及 Chaleroi（比利時(shí)）石灰窯的75 MW 電解水制氫項(xiàng)目。
此外，歐盟內(nèi)部市場(chǎng)/工業(yè)/創(chuàng)業(yè)和中小企業(yè)總局（DG GROW）與 Hydrogen Europe合作制定了“氫促進(jìn)氣候行動(dòng)”倡議，該倡議屬于歐洲IPCEI氫能示范，發(fā)布了10個(gè)突出的大型項(xiàng)目名單，這些項(xiàng)目的電解水制氫的總?cè)萘繛?3.5 GW（最大的是 Black Horse項(xiàng)目，16.5 GW），以及數(shù)千輛氫能汽車、氫存儲(chǔ)設(shè)施、氫氣管道和其它與氫相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。
限于篇幅，本文僅列舉了歐洲各地區(qū)氫能示范先發(fā)國(guó)家部分有代表性的氫能示范項(xiàng)目，類型完全重復(fù)的示范項(xiàng)目不贅述。
注：按現(xiàn)在的電解水制氫技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率，1 MW電解水制氫能力每小時(shí)可制200~220立方米的氫氣。
歐洲各國(guó)通過上述示范項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證的氫能技術(shù)包括：
制氫技術(shù)方面：PEM電解水制氫；堿性電解水制氫；直接使用陸上和海上風(fēng)電電解水制氫；太陽(yáng)能發(fā)電電解水制氫；甲烷蒸汽重整制氫結(jié)合CCUS；收集化工尾氣后膜分離制氫并進(jìn)行碳捕獲；利用鋼鐵企業(yè)的高溫余熱參與高溫電解水制氫以降低制氫的電耗等。
氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)方面：純氫管道輸氫；氫氣摻混到天然氣管道中輸送；管束拖車輸氫；液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫載體通過管道和道路儲(chǔ)運(yùn)氫；用巖穴作為儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氫；在資源枯竭的地層或含水層中儲(chǔ)氫等。
氫能應(yīng)用領(lǐng)域：電解氫后液化，作為輪船的燃料；綠氫加氫站；氫燃料電池供電；氫氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；氫能熱電聯(lián)供；氫能煉鋼；波動(dòng)的可再生能源發(fā)電與氫基化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合；利用可再生能源電解水制氫，再用氫燃料電池作為后備系統(tǒng)，為電信設(shè)備供電；綠氫合成氨；氫氣制甲烷；綠氫大規(guī)模應(yīng)用前，在加氫站使用灰氫等。
可以看到，歐洲各國(guó)的氫能示范項(xiàng)目幾乎涵蓋了氫能產(chǎn)業(yè)鏈上所有的技術(shù)環(huán)節(jié)。
