氫能產業鏈發展技術路線研究

任厚霖(中國石化西南油氣分公司采氣三廠，四川 中江 618000)

1 氫能

1.1 發展氫能的重要意義

氫能是替代化石能源最佳的選擇之一，具有綠色環保、熱值高(能量密度大)、可再生、零污染(燃燒后只產生水)、零排放、制備工藝相對成熟、應用廣泛、原材料來源廣泛等特點。氫能屬于“二次能源”，需要進行轉化制備技術，當前以化石能源、工業副產品制氫為主，生產過程不可避免會產生碳排放，且暫未大規模采用“碳捕捉”“碳封存”，灰氫所占比例還比較高，整個工業鏈來看，還不是綠色能源[1]。采用太陽能、風能等綠色可再生能源，構建一整套無碳排放的可循環再生能源制氫工藝是發展的必然，也是實現“碳達峰碳中和”、向低碳產業轉型的不二選擇。

氫能的下一步發展，必將是從化石燃料、高能耗制“灰氫”，到使用碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術制“藍氫”，逐步過渡到使用可再生能源(如：風電、水電、太陽能)等制“綠氫”的深刻變革。2021年7月，中國石化齊魯石化-勝利油田CCUS項目開建，年均減排二氧化碳100萬噸，推動“灰氫”向“藍氫”的產業格局升級。

1.2 氫能產業發展主要存在的問題

目前，氫能產業的發展受到三個大的限制：一是制取成本問題；二是運輸安全問題；三是能源轉化效率問題。

1.2.1 制取成本問題

制取氫最方便的途徑是電解水，但是這種方式前期基礎建設投入大、工藝耗能較高。

一是電解水工藝前期建設成本(場地、設備、工藝、催化工藝、配套電網等)比其他制氫方式都要高。以二氧化銥為催化劑(銥價格為240～250元/克)的工業制取氫氣成本在18～20元/千克。同等規模下，電解水制氫成本約為天然氣制氫的1.3 倍、煤制氫的2 倍，不具價格優勢。

二是電解水制氫1 m3約消耗3.5～5.0 kW·h時，以當前工業用電電價作為制定成本，電解水制氫工藝競爭力較差，其80%的成本為電費。電解水制氫，按目前生產每立方米氫氣能耗計算，即使采用低谷電制氫(電價取0.25元/kW·h)，加上電費以外的固定投資，制氫綜合成本高于1.7元/m3。煤制氫成本通常可以控制在0.8～1.2元/m3，天然氣制氫的成本一般在為0.8～1.5元/m3。

1.2.2 運輸儲存安全問題

氫化學性質活潑，屬易燃易爆氣體，因此氫的儲存和運輸要求都很嚴格。常規管道輸送材料抗“氫脆”能力有限。這一問題限制了氫氣的儲存、管道輸送、運輸等發展，提高了安全投入，降低了氫能的競爭力。

1.2.3 能量轉化率問題，制備工藝碳排放高

當前，電解水制氫的主要矛盾在于效率轉化問題，電解水制氫轉化效率為50%～60%，通過燃料電池技術，將氫能轉化為電能，同樣在45%～60%的轉化效率，按照最高的轉化效率計算，僅剩下原來36%，通常只有20%多，甚至更少[2]。電解水制氫效率極低，電能轉化氫能，氫能轉化電能，存在兩頭“卡脖子”的問題。

從能源轉化率來看，電-氫-電的能量轉化總效率最高接近40%，算上其他成本，1度電的使用率只有30%。以電解水制氫為例，平均消耗3.5～5.0 kW·h的電能，極大制約了產業的發展。

1.3 發展前景

根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，我國氫能發展潛力巨大、市場廣闊、前景美好，氫能在中國能源體系中的占比逐年攀升，氫燃料電池車的保有量持續增加，氫能需求量也將持續增長[4]。

我國能源分布并不均衡，可再生資源豐富的地區，如：沿海、北方、川渝地區等。風電以北方(東北、華北、西北)和沿海(東南沿海地區、沿海島嶼)為主，受季節性、天氣影響較大。光伏發電，受光照時間長、季節影響較大，氣候干燥、設備老化、速率慢。水電以長江流域為主，特別是川渝地區，具有發展氫能的獨特區位優勢，水電資源、水資源豐富、氫源豐富，是最適合布局氫能產業、攻克核心技術、搶占發展先機的地區之一。

雖然這些地區有大量可再生能源，但當地市場消納能力有限，必須依靠特高壓遠距離輸電，對外輸送電力。用電低谷期，往往造成大量棄水、棄光、棄風。特別是長江中上游地區，汛期電力市場消納能力有限，大量水資源白白浪費。

由于水力發電、光伏發電、風力發電具有波動性和間歇性，需要進行調峰和儲能，利用電網無法消納的水電、光伏和風能，采取電解水的方式制成氫氣，取代部分化石能源消耗，可以起到節能減排的效果。目前最佳的應用場景是，將制氫用做于棄水、棄風、棄光的收集轉化再利用，作為能源存儲的載體。

但是由于氫能的運輸、存儲、應用要求極高，給設備、安全提出了挑戰，一般體量的棄水、棄風、棄光，難以讓氫能形成規模商業價值。所以，要讓氫能的應用形成規模，必須先在棄水、棄風、棄光體量較大同時市場需求較大的地區形成規模，如：川渝、沿海地區等，才能推動產業發展。

2 主要工業制備技術

2.1 制備技術

當前的制備技術主要為電解水、氯堿工業、化石能源、生物質等方法，無論哪一種方法都無法規模化廉價生產氫氣。

一定酸堿或是純水條件下，在電解槽中通入直流電，在一極產氫氣，在另一極產生氧氣。氫氣制品純度高，可達99.7%以上。如前文分析，當到戶電價在0.20 元/kW·h左右時，可再生能源電解水制氫才具備經濟競爭優勢，對于電價較高的上海、北京等地而言，僅電解水的電價成本就已經超過其他制備技術的綜合成本。

2.1.2 水煤氣法制氫

以無煙煤或焦炭為原料，在高溫條件下，與水蒸氣反應，制得水煤氣。在CuO、ZnO、Al2O3、金等催化劑的作用下，將CO轉化成CO2，再壓入水中以溶去CO2，制得較純氫氣。這種方法制氫成本較低、產量很大、設備較多，多用于工業制備。

2.1.3 石油天然氣制氫

利用石腦油、重油、石油焦等，在催化劑作用下，通過脫硫、熱解、一氧化碳變換、PSA提純等技術，制得氫氣。該方法主要用于石油煉化企業副產品制氫。

2.1.4 焦爐煤氣冷凍制氫

利用氫氣液化溫度低的特點，對焦爐氣進行冷凍加壓，分離其他氣體，提純氫氣[5]。

其次，要求在小型水電站工作機組的運行過程之中，隨時對進行發電和電力傳輸的設備進行安全檢修和檢查工作，務必保證小型水電站發電機組的正常工作運行。具體的來說，在小型水電站發電機組的運行過程之中，有著很多的關鍵設備組份發揮著為發電設備傳輸電流并傳輸電力的作用，為了有效的保證小型水電站發電機組的正常工作運行，就需要保證這些設備可以有效的運行。針對這樣的情況，就需要對這些設備進行隨時隨地的檢查，一旦出現油污或者損毀情況，就需要及時的采取有效的清污處理亦或者是采取相應的打磨處理，務必保證這些設備處于正常的工作狀態當中。

2.1.5 氯堿工業的副產氫

在氯堿工業中，副產氫是電解食鹽水的副產品，其純度可達99%。主要用于合成鹽酸、作為燃料。

2.1.6 釀造工業的副產氫

在釀造工業中，玉米、小麥通過厭氧發酵，可產生副產氫。

3 運輸存儲技術

3.1 運輸技術

當前主流的儲氫、運輸技術包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、金屬或有機溶液儲氫等技術。

高壓氣態儲氫技術是利用壓縮機將氫氣壓縮到承壓容器中。特點是成本低，能耗低，技術最成熟，但運輸成本高。高壓儲氫罐拖車百公里運輸成本為21.5元/kg(按500 km計算)。另一問題是，受限于材質問題，儲氫密度受壓力影響較大，體積比容量太低，儲氫量少。

低溫液態儲氫是將氫氣通過低溫液化后以液態的形式儲存，液氫的密度為氣態氫的800 倍以上，儲運簡單，容量大，但氫氣的液化過程能耗高，需要耐超低溫和保持超低溫的絕熱裝置來隔熱。液氫槽車百公里運輸成本為14.8元/kg(按500 km計算)。

金屬或有機溶液儲氫是利用有機溶液、金屬在催化劑作用下進行加氫，生成穩定化合物，需要時再進行脫氫處理。特點是較高儲氫密度(50 g/L以上)，且成本相對較低，但熔點、沸點均較高，需要專門的加氫、脫氫裝置，前期投資大。

3.2 管輸技術

3.2.1 純氫輸送

純氫管道輸送，全球不過4 500 km規模。以φ508 mm管道為例，年輸送能力10萬噸，氫氣管道造價大約400～600萬元/km，天然氣管道15～50萬元/km，是天然氣管道造價的8倍以上。我國現有氫氣管道僅100余千米，純氫管輸技術還在進一步發展中，距離大規模應用還有一定距離。

3.2.2 富氫輸送

根據最新研究成果，在壓力較低的情形下(小于5 kPa)，氫氣濃度即使達到50%，不會出現氫脆現象，聚乙烯(PE)與50%濃度氫氣長期接觸不會出現化學相容的問題，給富氫天然氣民用化提供了思路。常用的天然氣金屬管道材料，如碳鋼、不銹鋼、銅、黃銅、鋁合金等可以用于民用富氫氣的輸送[6]。2021年，國內發布了適用氫氣比例為20%以下的富氫天然氣和12T天然氣兩種氣源的燃氣熱水器、燃氣灶具等，進一步豐富了應用場景。

4 氫能的應用場景

4.1 熱源、動力源

4.1.1 機械動力源

直接燃燒式獲取機械動力，比燃料電池技術能源轉換率低，應用場景不廣泛。

4.1.2 民用燃氣

作為民用燃氣主要是指民用富氫天然氣技術，在常規天然氣中加入一定比例的氫氣，通過改造燃氣器具，實現氫氣的民用化，減少獨立建造管網的昂貴支出，以此持續做大氫氣消費市場。

富氫天然氣(氫氣含量為15%～20%)，對比焦爐煤氣(氫氣含量為55%～60%)，富氫天然氣氫氣含量并不高，約為焦爐煤氣的三分之一到四分之一，安全風險、應用風險比焦爐煤氣低，完全可以作為焦爐煤氣的替代技術。利用原本的焦爐煤氣、天然氣輸送管道，實現氫氣的商品化、市場化。

4.1.3 燃料電池

燃料電池技術對環境無污染，具有噪音低(低于55分貝)、發電效率高(＞50%以上)等優點。當前主流的燃料電池技術有氫、熔融碳酸鹽、固體氧化物、甲醇等，氫燃料電池被認為是最清潔、最理想的一種。

目前，氫燃料電池技術依然具有其短板，車載存儲儲存技術依然難以攻克，壓縮純氫、液化氫等安全保障技術成本高昂，運輸、存儲、加注技術難度依然很大。可替代技術是車載甲醇制富氫技術，通過加注甲醇，在車上制造富氫(氫氣、一氧化碳、甲烷)，直接供內燃機(發動機)燃燒做工，該技術與直接加注純氫內燃機技術不同，甲醇是最理想的替代燃料，被認為是期望最高的車用清潔能源。

4.1.4 自循環民用燃氣

實現光伏制氫技術小型化，移動式、便攜式可用于牧區、高原地區民用需求。通過：光能→氫氣→燃料電池→電能，可實現一家人一天的燃氣、電力需求。

4.2 中間存儲介質

當前，水電、風電、太陽能發電技術主要矛盾有三個：

一是水電方面。夏季，特別是汛期，發電量達到最高負荷，大量的電無法被及時使用，大量水資源浪費。冬季，全國供暖、民用需求激增，已經進入干燥少雨的季節，水電供給能力有限。以三峽電站為例，夏季最高可達150億千瓦時/月，冬季枯水期間，發電能力僅50億千瓦時/月。

二是風電方面。受季風、天氣等影響，全年電力供應并不平衡，發電能力強的時候，市場消納能力不一定強，市場需求大的時候，電力供應可能跟不上。雖經國家電網統一輸配電調整之后，該項問題并不明顯，由于缺乏中間緩沖環節，讓自身矛盾非常突出。

三是光伏發電方面。受日照時間、天氣等影響明顯，如果缺乏大規模儲能設備，夜間無法進行供電。

將氫能作為間歇性、波動性能源的調節器，可在夏季、季風等時期將富余電力轉化為氫能(或是氫能衍生物甲醇、乙醇等)進行存儲，通過直接燃燒、燃料電池等技術，在冬季、夜間、用電高峰期等進行供電。

4.3 化工原料

氫氣是一種重要的氣體化工原料，廣泛應用在食品、日化品、金屬冶煉、玻璃制造、焊接、鍛造、化工等方面。氫與氮氣、一氧化碳或有機化合物加氫反應，例如一氧化碳加氫合成甲醇、合成氨等。

5 結語

(1)電解水制氫的技術路線可行，但轉化效率過低，中間能量消耗比較大，制備成本較高。受間歇性、周期性影響，市場消納能力有限，遠程運輸費用偏高，長輸管道建設面臨技術難題。由此，衍生制造甲醇、富氫(CO、H2)，天然氣加氫(＜20%)等技術，解決管道輸送、運輸等問題，豐富氫能的應用場景，提升市場消納能力。

(2)在可再生能源豐富地區(西北、川渝等地區)先行發展氫能工藝，構建全國新氫能生產基地，擴大在氫能源汽車、民用燃氣、工業制造、取暖發電等方面的應用，加快布局純氫制富氫、甲醇技術應用，可有效消納棄水、棄風、棄光電力，同時降低制氫成本，促進市場發展。

(3)以實現“碳達峰碳中和”為目的，擴大綠電制氫，通過氫氣、二氧化碳制甲醇的產能布局，推動二氧化碳固定、回收產業的發展，實現對二氧化碳的捕捉再利用，抵消其他產業的二氧化碳排放。

(4)同步配套氫下游制品產業鏈，氫制甲醇，衍生制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯等有機產品。模擬植物光合作用，通過光伏發電制氫，捕捉工業制造中二氧化碳，制造工業原材料。