文/鄒才能 張福東 鄭德溫 孫粉錦 張金華 薛華慶 潘松圻 趙群 趙永明 楊智，中國石油勘探開發(fā)研究院，天然氣工業(yè)
全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期。2017年我國能源生產(chǎn)量為25億t油當(dāng)量，消費(fèi)量達(dá)31億t油當(dāng)量，整個能源需要進(jìn)口20%，尤其是石油進(jìn)口量為4億t，其對外依存度達(dá)到70%，對能源安全造成不利影響。為給我國實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型和“能源自主”戰(zhàn)略目標(biāo)提供參考，綜述了國內(nèi)外氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，探討了人工制氫、儲氫技術(shù)的發(fā)展途徑，明確了氫工業(yè)的戰(zhàn)略地位。
氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫。工業(yè)氫氣是指通過一定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等。氫能作為氫的化學(xué)能表現(xiàn)為物理與化學(xué)變化過程中釋放出能量，是具有二次能源屬性的一種重要的能源類型。這種大規(guī)模人工制氫并利用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲運(yùn)和下游應(yīng)用。
氫工業(yè)體系中各個產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)即為氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括氫工業(yè)價值鏈、氫工業(yè)企業(yè)鏈、氫工業(yè)供需鏈和氫工業(yè)空間鏈。為了更好地閱讀和理解本文的內(nèi)容，筆者建議首先界定和明確上述5個基本概念（工業(yè)氫氣、人工制氫、氫能、氫工業(yè)、氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈），并由此建立氫工業(yè)概念體系。
儲氫是實(shí)現(xiàn)氫能有效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、有機(jī)化合物儲氫、微球儲氫和碳納米材料儲氫等。基于大規(guī)模低成本制氫和高密度儲氫，以燃料電池為關(guān)聯(lián)的氫工業(yè)應(yīng)用將推動能源轉(zhuǎn)型和新能源汽車、分布式供能等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而改變能源結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從能源供給端到消費(fèi)端的全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)變。
1、氫能的發(fā)展前景與戰(zhàn)略地位
氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要的作用，也將成為我國優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障國家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)預(yù)測，煉油業(yè)、新能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能利用的最大終端市場，其中工業(yè)氫氣在全球煉油業(yè)中的用量將占到全球工業(yè)氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產(chǎn)低硫清潔燃料，這將極大地刺激工業(yè)氫氣需求量的快速增長。
2.1 新能源是未來能源消費(fèi)的主體
氫能和電能都是重要的二次能源，也是未來主要的綠色清潔能源，氫能具有遠(yuǎn)距離輸送、大規(guī)模存儲和氫—電互換的特性。氫能和電能在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電子、鋼鐵、民用等各個領(lǐng)域用途廣泛，都具有不同時段峰谷用量的特點(diǎn)，氫—電互換是解決能源峰谷波動的有效手段之一。通過氫能發(fā)電和電解水制氫是實(shí)現(xiàn)有效利用氫—電互換優(yōu)勢、發(fā)揮能源智慧互聯(lián)互補(bǔ)、提高能源利用效率的關(guān)鍵。工業(yè)氫氣在使用中若出現(xiàn)短期過剩，可以通過發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能，以緩解電力不足；而電解水制氫可消納暫時富裕的電力，彌補(bǔ)風(fēng)電、光電波動起伏的不足，降低棄風(fēng)、棄光率。
2.2 氫能將引領(lǐng)未來新能源消費(fèi)變革
氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將拉開氫能商業(yè)化利用的序幕。目前，氫能已小規(guī)模應(yīng)用于大型物流車、城市交通車、家用小汽車，甚至火車、自行車、航模、無人機(jī)等。氫能將在交通領(lǐng)域引領(lǐng)新能源汽車變革。據(jù)報(bào)道，日本、韓國已量產(chǎn)高壓儲氫技術(shù)氫能乘用車，更有日本大型連鎖便利店與豐田汽車公司合作，計(jì)劃于2019年推出氫燃料電池（FC）貨車，建立“零排放”物流體系。在歐洲，德國已于2017年3月成功測試了世界上第一輛零排放氫動力火車——“氫鐵”，并與法國阿爾斯通公司合作，于2021年建造氫動力驅(qū)動列車。2017年12月，法國圣洛市第一批氫能源電動自行車正式投入使用。
自2018年國務(wù)院總理參觀日本豐田氫燃料電池汽車后，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡稱國家能源集團(tuán)）牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，國家能源集團(tuán)、中國廣核集團(tuán)有限公司等能源企業(yè)將與浙江吉利控股集團(tuán)、中國第一汽車集團(tuán)有限公司、長城汽車股份有限公司等車企一同布局氫燃料汽車。
世界能源發(fā)展正處在油氣向新能源的第三次轉(zhuǎn)換期，能源類型由高碳向低碳、非碳發(fā)展。據(jù)預(yù)測，到2050年，天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比將首次超過石油和煤炭，世界能源將邁入天然氣、石油、煤炭和新能源“四分天下”的新時代。氫能約占全球能源消耗總量的20%，預(yù)計(jì)每年可減排二氧化碳60億t。氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)2.5萬億美元，世界將進(jìn)入清潔能源時代。
2.3 氫能的多元化應(yīng)用將推動新能源的快速發(fā)展
2.3.1 電解水制氫將貫穿于氫能發(fā)展的全過程
隨著全球氫工業(yè)的發(fā)展，人工制氫的需求量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，制氫技術(shù)日新月異。煤氣化制氫雖然同樣會產(chǎn)生大量CO2，但由于其原料豐富、價格低廉，故仍將是規(guī)?；?、低成本人工制氫的最佳途徑；高爐煙道氣、化工尾氣等通過變壓吸附（PSA）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本回收氫氣；太陽能制氫技術(shù)（光催化、光熱解）是未來理想的制氫技術(shù)，但受制于轉(zhuǎn)換效率和成本等問題，預(yù)計(jì)2030年前難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。
在所有的人工制氫途徑中，電解水制氫可以有效地消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力，以及其他富余波谷電力，因而將貫穿于氫能發(fā)展的全過程，是建設(shè)“氫能社會”工業(yè)氫氣的主要來源之一（圖10）。隨著電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的逐漸降低，電解水制氫將能逐漸滿足商業(yè)化的要求，實(shí)現(xiàn)分布式制氫。未來，既可以集中制氫、區(qū)域供氫，也可以單個加油站建設(shè)小型電解水制氫裝置，實(shí)現(xiàn)氫能源智慧互聯(lián)。
2.3.2 液態(tài)氫是未來主要的儲氫形式
目前工業(yè)氫氣主要采用高壓氣態(tài)的方式儲存，由于成本的限制，液態(tài)儲存的方式使用較少，主要用于航空航天領(lǐng)域。但隨著技術(shù)的不斷成熟，預(yù)計(jì)2050年液態(tài)儲氫將成為工業(yè)氫氣的主要儲存形式，不同儲氫方式占比的變化預(yù)測結(jié)果如表1所示。
2.3.3 多能互補(bǔ)與多能協(xié)同
以氫能為紐帶，通過風(fēng)能、太陽能、潮汐能等分布式新能源發(fā)電制氫，可以降低制氫成本，實(shí)現(xiàn)氫能和新能源的多能互補(bǔ)、多能協(xié)同發(fā)展。氫能既可作為二次能源，又可作為儲能技術(shù)，連接多種新能源。氫能與新能源協(xié)同發(fā)展，一方面擺脫了依賴傳統(tǒng)化石資源制氫，形成更清潔、更環(huán)保的制氫新途徑；另一方面又整合了各種新能源類型，提升了能源系統(tǒng)的利用率。隨著氫工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和氫能經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，因地制宜、協(xié)同利用新能源與傳統(tǒng)能源，通過多種能源相互補(bǔ)充和能源智能微網(wǎng)等，將實(shí)現(xiàn)多能智慧協(xié)同供應(yīng)，充分發(fā)揮新能源、天然氣、石油、煤炭等能源的組合優(yōu)勢，“氫能社會”建設(shè)藍(lán)圖將更加清晰。
3、中國的氫工業(yè)與氫能發(fā)展戰(zhàn)略
3.1 全球氫能發(fā)展的路線圖
1）作為氫能發(fā)展先行者和領(lǐng)導(dǎo)世界氫燃料電池發(fā)展的主要國家，美國從1970年開始布局氫能技術(shù)研發(fā)。2002年11月，美國能源部發(fā)布《國家氫能發(fā)展路線圖》，明確了氫能的發(fā)展目標(biāo)，分析了氫能技術(shù)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展影響因素，制定了詳細(xì)的發(fā)展路線，標(biāo)志著美國“氫能社會”由設(shè)想階段轉(zhuǎn)入行動階段。2014年，美國頒布《全面能源戰(zhàn)略》，開啟了新的氫能計(jì)劃，重新確定了氫能在交通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用，并于2017年宣布繼續(xù)支持30個氫能項(xiàng)目建設(shè)，推動氫工業(yè)的快速發(fā)展。預(yù)計(jì)美國2030—2040年將全面實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)。
2）日本長期受困于國內(nèi)資源短缺，2014年4月制定了《第四次能源基本計(jì)劃》，確定了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會”的戰(zhàn)略方向。日本把2015年定為“氫能元年”，2020年定為“氫能奧運(yùn)元年”，2025年定為“氫能走出去元年”，2030年定為“氫燃料發(fā)電元年”，并提出了3條低成本、清潔化用氫技術(shù)路線：①推動建立海外氫能供應(yīng)系統(tǒng)；②利用海外廉價褐煤實(shí)現(xiàn)低成本制氫；③利用海外新能源電解水制氫。2030年日本的工業(yè)氫氣年供應(yīng)量將達(dá)30萬t，并將在2040年建成全國性氫能供給網(wǎng)絡(luò)。
3）德國于2016年重新修訂了氫能源交通戰(zhàn)略規(guī)劃，明確了3項(xiàng)舉措：①加大投資，推出第二個氫能和燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)新計(jì)劃，保證研發(fā)連續(xù)性，維護(hù)氫能和燃料電池汽車在市場上的競爭力；②促進(jìn)合作，成立了德國氫能交通公司，負(fù)責(zé)分階段建設(shè)氫能交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2019年，境內(nèi)建設(shè)的加氫站將達(dá)100座，超過美國，僅次于日本，到2023年將建成加氫站400座；③鼓勵創(chuàng)新，出臺了一系列優(yōu)惠措施，重點(diǎn)支持物流專用車、離網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施自主供電技術(shù)，以激活市場。
4）法國制定了《氫能計(jì)劃》，將從2019年起在工業(yè)、交通及能源領(lǐng)域部署氫能，包括：①創(chuàng)造無碳化工業(yè)，到2020年建成工業(yè)氫氣追溯系統(tǒng)，到2023年工業(yè)氫氣使用量將達(dá)到10%，到2028年將達(dá)到40%；②開發(fā)新能源，利用新能源生產(chǎn)電能再制取氫氣，實(shí)現(xiàn)“氫—電”轉(zhuǎn)換，構(gòu)建供氫網(wǎng)絡(luò)；③實(shí)現(xiàn)交通零排放，完善工業(yè)氫氣網(wǎng)絡(luò)部署和管理，支持氫能重型車輛研發(fā)，部署大規(guī)模氫能交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)到2023年擁有5000輛輕型商用車、200輛重型車輛以及100座加氫站，到2028年擁有20000～50000輛輕型商用車、800～2000輛重型車輛以及400～1000座加氫站的計(jì)劃目標(biāo)。
3.2 “氫能中國”戰(zhàn)略
中國是全球氫能利用的大國，已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等7個氫能產(chǎn)業(yè)集群。我國已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）》，提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲運(yùn)及加氫站）、先進(jìn)燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等3個戰(zhàn)略發(fā)展方向，以及大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲運(yùn)技術(shù)、氫氣/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)、甲醇/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（MFC）技術(shù)和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)等6項(xiàng)創(chuàng)新行動。
通過消納棄水、棄風(fēng)、棄光等富余新能源，減量替代煤、石油和天然氣等化石燃料，加上煤炭的清潔高效利用，逐步降低成本，穩(wěn)步提高安全性，通過“三大發(fā)展階段”建立有利于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐體系，建成全國性氫能供給和利用基礎(chǔ)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
1）近期（到2030年），以煤制氣為代表的化石基氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得重大突破，初步完成產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉?。目前需要加快我國煤炭地下氣化制氫資源評價、經(jīng)濟(jì)高效產(chǎn)氫配套系列技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場試驗(yàn)以及超深層、超臨界水氣化制氫技術(shù)儲備，特別是對高效產(chǎn)氫機(jī)理進(jìn)行深化研究，加強(qiáng)對地質(zhì)評價、工程工藝、監(jiān)測控制、安全環(huán)保等系列技術(shù)，以及高溫高壓井下工具及高強(qiáng)度防腐管材等重大裝備的研制攻關(guān)。
全國煤炭地下氣化潛力巨大，僅鄂爾多斯盆地埋深介于1000～2000m的煤炭資源量就達(dá)1.3萬億t，保守估算可氣化采出商品工業(yè)氫氣約10萬億m3（相當(dāng)于9億t）。應(yīng)當(dāng)按照淺層（地層壓力低于10MPa）、中深層（地層壓力介于10～22MPa）和超深層/超臨界水（地層壓力超過22MPa）3個層次來布局我國煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并優(yōu)選鄂爾多斯、二連、準(zhǔn)噶爾等盆地開展現(xiàn)場試驗(yàn)研究。
2）中期（2035—2050年），氫能產(chǎn)業(yè)成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分；打造新材料、儲能和氫能產(chǎn)業(yè)鏈；加大石墨烯、納米等新材料的超前儲備。通過自主、合作、技術(shù)購買、優(yōu)質(zhì)企業(yè)并購等多種方式研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)、高性能車用、船用等電池，與主要汽車廠商合作或參股推動標(biāo)準(zhǔn)化電池在交通領(lǐng)域的規(guī)模利用。發(fā)揮企業(yè)加油站布局優(yōu)勢，建設(shè)大型倉儲式充電中心，快速建立新能源汽車高效率充電站網(wǎng)絡(luò)，搶占交通領(lǐng)域能源革命的先機(jī)。發(fā)揮石油管道布局優(yōu)勢，發(fā)展棄風(fēng)、棄光、棄水低成本電解制氫、天然氣管網(wǎng)輸氫、摻氫天然氣、液化氫、加氫站等業(yè)務(wù)。
3）遠(yuǎn)期（2050—2100年），氫能成為我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，依靠新能源等實(shí)現(xiàn)國家“能源自主”。中國“能源自主”概念是指通過中國新能源生產(chǎn)革命，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)基本自給和消費(fèi)安全。2017年，我國一次能源產(chǎn)量中，煤炭占70%、石油占8%、天然氣占5%、新能源占17%。中國煤炭資源豐富但油氣相對不足的先天稟賦條件，決定了能源生產(chǎn)和消費(fèi)必須具有中國特色，構(gòu)成“一大三小”（煤炭大，石油、天然氣、新能源?。┑闹袊茉唇Y(jié)構(gòu)。
太陽能、風(fēng)能產(chǎn)量的增長率最快，水電、核電產(chǎn)量的占比最高，氫能、儲能、新材料、新能源最具顛覆性，應(yīng)加快煤炭清潔化利用和新能源這“兩個規(guī)?！钡奶崆暗絹?，減少油氣在我國能源利用路徑中的時間跨度和安全壓力。
中國“能源自主”可能要到新能源占主體地位才行。我國需要謀劃加快實(shí)現(xiàn)常規(guī)—非常規(guī)油氣的“生產(chǎn)革命”、煤炭發(fā)展的“清潔革命”和新能源發(fā)展的“速度革命”，力爭2050年前后實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從“一大三小”向煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，屆時煤炭約占一次能源消費(fèi)的比例40%、油氣占30%、新能源占30%。到2100年前后，有可能依靠新能源實(shí)現(xiàn)國家“能源自主”，化石能源占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例降至30%，非化石能源占到70%，實(shí)現(xiàn)二者的地位轉(zhuǎn)換（圖11），力爭我國能源生產(chǎn)量與消費(fèi)量相當(dāng)，基本不依賴進(jìn)口。
4、結(jié)束語
氫能是最清潔的新能源，因此發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、力爭實(shí)現(xiàn)“氫能中國”、實(shí)現(xiàn)國家“能源自主”、推動能源消費(fèi)和供給革命、奉獻(xiàn)清潔高效能源、建設(shè)“美麗中國”、保障國家能源安全的戰(zhàn)略選擇，在實(shí)現(xiàn)我國“能源自主”戰(zhàn)略中占有重要的地位；全球氫工業(yè)發(fā)展已初具規(guī)模，煤炭地下氣化制氫符合我國的國情，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?
