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換期。2017年我國能源生產量為25億t油當量，消費量達31億t油當量，整個能源需要進口20%，尤其是石油進口量為4億t，其對外依存度達到70%，對能源安全造成不利影響。為給我國實現(xiàn)能源體系轉型和“能源自主”戰(zhàn)略目標提供參考，綜述了國內外氫工業(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)模制取的可燃氣態(tài)氫產物。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、生物技術制氫和太陽能制氫等。氫能作為氫的化學能表現(xiàn)為物理與化學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業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲運和下游應用。
氫工業(yè)體系中各個產業(yè)部門之間基于一定的技術經濟關聯(lián)即為氫工業(yè)產業(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)產業(yè)鏈），并由此建立氫工業(yè)概念體系。
儲氫是實現(xiàn)氫能有效利用的關鍵技術之一，包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、有機化合物儲氫、微球儲氫和碳納米材料儲氫等?；诖笠?guī)模低成本制氫和高密度儲氫，以燃料電池為關聯(lián)的氫工業(yè)應用將推動能源轉型和新能源汽車、分布式供能等新興產業(yè)的發(fā)展，從而改變能源結構，進而實現(xiàn)從能源供給端到消費端的全產業(yè)鏈轉變。
1、氫能的發(fā)展前景與戰(zhàn)略地位
氫能是被公認的清潔能源，被譽為21世紀最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在解決能源危機、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)化能源消費結構、保障國家能源供應安全的戰(zhàn)略選擇。據預測，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)保要求的日趨嚴格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產低硫清潔燃料，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)、農業(yè)、電子、鋼鐵、民用等各個領域用途廣泛，都具有不同時段峰谷用量的特點，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、提高能源利用效率的關鍵。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，彌補風電、光電波動起伏的不足，降低棄風、棄光率。
2.2 氫能將引領未來新能源消費變革
氫燃料電池汽車產業(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、無人機等。氫能將在交通領域引領新能源汽車變革。據報道，日本、韓國已量產高壓儲氫技術氫能乘用車，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，國家能源投資集團有限責任公司（以下簡稱國家能源集團）牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，國家能源集團、中國廣核集團有限公司等能源企業(yè)將與浙江吉利控股集團、中國第一汽車集團有限公司、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換期，能源類型由高碳向低碳、非碳發(fā)展。據預測，到2050年，天然氣在能源消費結構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%，預計每年可減排二氧化碳60億t。氫工業(yè)產業(yè)鏈年產值將達2.5萬億美元，世界將進入清潔能源時代。
2.3 氫能的多元化應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，制氫技術日新月異。煤氣化制氫雖然同樣會產生大量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）技術可實現(xiàn)低成本回收氫氣；太陽能制氫技術（光催化、光熱解）是未來理想的制氫技術，但受制于轉換效率和成本等問題，預計2030年前難以實現(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“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小型電解水制氫裝置，實現(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域。但隨著技術的不斷成熟，預計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測結果如表1所示。
2.3.3 多能互補與多能協(xié)同
以氫能為紐帶，通過風能、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，實現(xiàn)氫能和新能源的多能互補、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，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)技術的不斷進步和氫能經濟的不斷發(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充和能源智能微網等，將實現(xiàn)多能智慧協(xié)同供應，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”建設藍圖將更加清晰。
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)展先行者和領導世界氫燃料電池發(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，分析了氫能技術的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展影響因素，制定了詳細的發(fā)展路線，標志著美國“氫能社會”由設想階段轉入行動階段。2014年，美國頒布《全面能源戰(zhàn)略》，開啟了新的氫能計劃，重新確定了氫能在交通轉型中的引領作用，并于2017年宣布繼續(xù)支持30個氫能項目建設，推動氫工業(yè)的快速發(fā)展。預計美國2030—2040年將全面實現(xiàn)氫能源經濟。
2）日本長期受困于國內資源短缺，2014年4月制定了《第四次能源基本計劃》，確定了加速建設和發(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、清潔化用氫技術路線：①推動建立海外氫能供應系統(tǒng)；②利用海外廉價褐煤實現(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)氫氣年供應量將達30萬t，并將在2040年建成全國性氫能供給網絡。
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項舉措：①加大投資，推出第二個氫能和燃料電池技術國家創(chuàng)新計劃，保證研發(fā)連續(xù)性，維護氫能和燃料電池汽車在市場上的競爭力；②促進合作，成立了德國氫能交通公司，負責分階段建設氫能交通基礎設施網絡，預計到2019年，境內建設的加氫站將達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，重點支持物流專用車、離網基礎設施自主供電技術，以激活市場。
4）法國制定了《氫能計劃》，將從2019年起在工業(yè)、交通及能源領域部署氫能，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)氫氣使用量將達到10%，到2028年將達到40%；②開發(fā)新能源，利用新能源生產電能再制取氫氣，實現(xiàn)“氫—電”轉換，構建供氫網絡；③實現(xiàn)交通零排放，完善工業(yè)氫氣網絡部署和管理，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座加氫站的計劃目標。
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個氫能產業(yè)集群。我國已制定《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》，提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲運及加氫站）、先進燃料電池、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、分布式制氫技術、氫氣儲運技術、氫氣/空氣聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）技術、甲醇/空氣聚合物電解質膜燃料電池（MFC）技術和燃料電池分布式發(fā)電技術等6項創(chuàng)新行動。
通過消納棄水、棄風、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”建立有利于氫能產業(yè)發(fā)展的支撐體系，建成全國性氫能供給和利用基礎設備網絡。
1）近期（到2030年），以煤制氣為代表的化石基氫能產業(yè)發(fā)展取得重大突破，初步完成產業(yè)鏈示范。目前需要加快我國煤炭地下氣化制氫資源評價、經濟高效產氫配套系列技術攻關與現(xiàn)場試驗以及超深層、超臨界水氣化制氫技術儲備，特別是對高效產氫機理進行深化研究，加強對地質評價、工程工藝、監(jiān)測控制、安全環(huán)保等系列技術，以及高溫高壓井下工具及高強度防腐管材等重大裝備的研制攻關。
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（相當于9億t）。應當按照淺層（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業(yè)發(fā)展，并優(yōu)選鄂爾多斯、二連、準噶爾等盆地開展現(xiàn)場試驗研究。
2）中期（2035—2050年），氫能產業(yè)成為我國新的經濟增長點和新能源戰(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、技術購買、優(yōu)質企業(yè)并購等多種方式研發(fā)和大規(guī)模生產高標準、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準化電池在交通領域的規(guī)模利用。發(fā)揮企業(yè)加油站布局優(yōu)勢，建設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絡，搶占交通領域能源革命的先機。發(fā)揮石油管道布局優(yōu)勢，發(fā)展棄風、棄光、棄水低成本電解制氫、天然氣管網輸氫、摻氫天然氣、液化氫、加氫站等業(yè)務。
3）遠期（2050—2100年），氫能成為我國能源消費結構的重要組成部分，依靠新能源等實現(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革命，實現(xiàn)能源生產基本自給和消費安全。2017年，我國一次能源產量中，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，決定了能源生產和消費必須具有中國特色，構成“一大三小”（煤炭大，石油、天然氣、新能源?。┑闹袊茉唇Y構。
太陽能、風能產量的增長率最快，水電、核電產量的占比最高，氫能、儲能、新材料、新能源最具顛覆性，應加快煤炭清潔化利用和新能源這“兩個規(guī)?！钡奶崆暗絹恚瑴p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現(xiàn)常規(guī)—非常規(guī)油氣的“生產革命”、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年前后實現(xiàn)能源結構從“一大三小”向煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”的能源結構轉型，屆時煤炭約占一次能源消費的比例40%、油氣占30%、新能源占30%。到2100年前后，有可能依靠新能源實現(xiàn)國家“能源自主”，化石能源占一次能源消費結構的比例降至30%，非化石能源占到70%，實現(xiàn)二者的地位轉換（圖11），力爭我國能源生產量與消費量相當，基本不依賴進口。
4、結束語
氫能是最清潔的新能源，因此發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結構、力爭實現(xiàn)“氫能中國”、實現(xiàn)國家“能源自主”、推動能源消費和供給革命、奉獻清潔高效能源、建設“美麗中國”、保障國家能源安全的戰(zhàn)略選擇，在實現(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?
