氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景及其在中國的發(fā)展路徑

宋超，謝淑賢，徐瑞峰(中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

氫能源目前在我國稱之為二次能源的載體被廣泛使用在各大企業(yè)與產(chǎn)業(yè)內(nèi)部，可通過多種途徑加工制取得出。氫氣本身屬于無毒的氣體，易于燃燒，其燃燒后的產(chǎn)物主要是水，對大氣不會產(chǎn)生污染。同時廢棄物中也不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)，利用率較高且形式較為多樣化。目前全球處于清潔能源開發(fā)與使用的熱門階段，生產(chǎn)出更為低碳環(huán)保的能源是全球范圍內(nèi)的目標(biāo)和終極戰(zhàn)略，因此氫能產(chǎn)業(yè)被我國寄予了厚望。為保障中國氫能產(chǎn)業(yè)集中發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)對氫能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢查體系，在發(fā)展的過程中對氫能產(chǎn)業(yè)的安全予以高度重視，并通過具體的發(fā)展路徑實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)在我國的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 氫氣利用的范圍領(lǐng)域

氫能的整條產(chǎn)業(yè)鏈包括對氫氣的制取、儲存以及運輸應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)。氫氣主要由化石能源經(jīng)過加工而轉(zhuǎn)化為制氫，由此被稱為“灰氫”。目前針對全球范圍內(nèi)的氫氣主要通過煉油以及化工原料制成，其廠內(nèi)的氫氣主要用作于自產(chǎn)自用，減少對一級能源的使用率。很少與相鄰的制氫裝置和途徑進(jìn)行氫氣的管道運輸。其原因是由于運輸氫氣過程中相對投入的成本較高，使得跨地域的氫氣交易市場份額會相對較少[1]。筆者期望在儲運技術(shù)上對氫氣能源能有更大突破，對能源的利用率會由此提高。

1.2 氫能重要應(yīng)用的方向

因氫燃料電池具有能量的轉(zhuǎn)化利用率高、噪音污染較小以及排放實現(xiàn)零污染等幾大優(yōu)點，成為了未來氫能源利用的重點方向。在20世紀(jì)60年代初期，氫燃料電池就已經(jīng)在載人航天以及潛水等國家軍事領(lǐng)域有較為廣泛地使用。而當(dāng)前歐美的部分發(fā)達(dá)國家通過對氫能的研究和利用發(fā)現(xiàn)了氫能的特點，并以此對燃料電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用提出了若干實施計劃，并為此出臺了相關(guān)的政策補貼以引導(dǎo)更多的研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)投入大量的資金對燃料電池的開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究。歐美國家在此項研究上已經(jīng)實現(xiàn)了突破，同時走到了世界的前沿。例如：德國所在的主流汽車公司已經(jīng)對氫燃料電池汽車的開發(fā)取得了巨大的研究成果，同時已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)了將近數(shù)百座加氫站，并且覆蓋率達(dá)到一半以上。日本主要是將氫能作為燃料，在日常的生活以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)活動中廣泛地應(yīng)用。同時把氫能作為二次能源的核心，致力于建設(shè)一個“氫能社會”。日本目前在新能源產(chǎn)業(yè)的研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入了大量的人力物力，并在燃料汽車的開發(fā)和設(shè)備制造方面對于技術(shù)的使用已有了驕人的成績。而我國對燃料電池汽車的發(fā)展還有一定的提升空間。

1.3 氫氣的制取與可再生能源二者相結(jié)合是發(fā)展的方向

氫氣的制取目前主要通過與可再生能源電力二者的有效結(jié)合促使整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈的整體運行，以實現(xiàn)對氫能使用過程中的零排放，同時可有效拓展對再生能源的二次利用。目前氫能針對于可再生能源的載體，在全球范圍內(nèi)依托與對可再生能源如風(fēng)能、太陽能等二次能源的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對氫氣的制取，以實現(xiàn)用更多清潔能源對氫能產(chǎn)業(yè)的支持。

2 中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

因中國對氫能產(chǎn)業(yè)的重視程度相對于國外來說較晚，目前仍處于發(fā)展的初始階段，其具體的發(fā)展情況如下：

(1)我國氫氣主要來源于煤制氫，在“灰氫”變?yōu)椤八{(lán)氫”方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。我國其實富含有豐富的氫氣資源，在化工產(chǎn)業(yè)以及煉油產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的時期，我國的氫氣年產(chǎn)量應(yīng)從20世紀(jì)初的年產(chǎn)值679.0×104t增長到了21世紀(jì)初2 100.0×104t以上。預(yù)計當(dāng)?shù)竭_(dá)21世紀(jì)20年代的時候我國氫氣的年產(chǎn)值增速將變?yōu)?%。利用煤對氫氣的制取是當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)中利用的最低成本，當(dāng)前中國的氫能產(chǎn)業(yè)中使用的氫源一般以上是使用煤作為原材料[2]。原因是我國是煤炭資源較為發(fā)達(dá)的國家，其氣和油的資源相對較少。除此之外剩余的氫源通常是來天然氣或電解氫的制取。而作為氫能源的消費者一般均集中才化工產(chǎn)業(yè)內(nèi)，因此依舊是依靠工業(yè)原料為主要的制取方式。

(2)對燃料電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)缺少核心技術(shù)支持，對國外技術(shù)和設(shè)備有較大的依賴。在以氫氣為主要用途的燃料電池產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)，我國目前只形成了京津冀、華北、華南、東北等六大產(chǎn)業(yè)的聚集中心，具備了生產(chǎn)和研發(fā)的條件。而在我國中東部地區(qū)作為實力較強(qiáng)的三角洲等地帶主要聚集了我國燃料電池發(fā)展的中心企業(yè)。隨著全球化的燃料電池產(chǎn)品以及相關(guān)資訊的熱議，對于燃料電池相關(guān)企業(yè)的數(shù)量猛然增加，到2018年底，全國已有309家企業(yè)參與到燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中。當(dāng)然雖然研發(fā)與生產(chǎn)的規(guī)模形成較大，但是部分企業(yè)仍然在研發(fā)的投資以及重大發(fā)明專利創(chuàng)造等諸多方面存在較多的問題，真正能掌握行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)和核心設(shè)備的企業(yè)數(shù)量較少。國內(nèi)目前對于燃料電池關(guān)鍵性零件以及電堆、檢測以及整車開發(fā)的企業(yè)主要集中在上海廣州等經(jīng)濟(jì)較為領(lǐng)先的城市。諸如零部件以及輔助系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)目前依舊依賴于國外。這對我國燃料電池的生產(chǎn)和研發(fā)具有十分重大的影響。

(3)氫燃料電池汽車和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展處于起步階段。從2018年起，我國的氫燃料電池汽車的年銷量逐漸成增加的趨勢。從車型上分析，我國針對商務(wù)性用車上對氫燃料電池的使用較為廣泛。但由于目前商用車的使用處于示范性的運行階段，因此在動能和綜合效率上來看，其使用感與國外還存在較大的差距，因此我國應(yīng)加大對氫燃料電池以及基礎(chǔ)設(shè)備的發(fā)展。

3 中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望

3.1 頂層設(shè)計應(yīng)適時加強(qiáng)，做好氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃

筆者建議國家將氫能納入到二次能源的長期戰(zhàn)略發(fā)展體系當(dāng)中，科學(xué)制定并研發(fā)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)地構(gòu)建氫能的各個環(huán)節(jié)體系，明確具體發(fā)展的路線，做到各地區(qū)和產(chǎn)業(yè)布局協(xié)調(diào)發(fā)展。特別是對于示范工程的相關(guān)建設(shè)，應(yīng)重點考慮到長江三角發(fā)展的經(jīng)濟(jì)走勢，并與周圍各地區(qū)形成密切的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和部分產(chǎn)業(yè)調(diào)整。盡量完善相關(guān)的企業(yè)扶持政策，堅持高質(zhì)量與高標(biāo)準(zhǔn)的雙重發(fā)展模式，使其頂層設(shè)計感逐漸加強(qiáng)，在氫能的整體產(chǎn)業(yè)鏈中做好與其他可再生能源發(fā)展的協(xié)調(diào)性[3]。

3.2 過渡時期重點關(guān)注藍(lán)氫與綠氫的協(xié)同供應(yīng)，建立藍(lán)綠氫氣的結(jié)合發(fā)展模式

充分考慮到我國能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主的特點以及對可再生能源的發(fā)展仍然需要大力的整合優(yōu)化。因我國氫能的生產(chǎn)一直以化石作為基礎(chǔ)原料。因此我國應(yīng)加大對化石燃料市場的建設(shè)以及投入大量的資金扶持，為石化能源中創(chuàng)造“綠氫”提供有效地支持。對于部分地區(qū)采用水電解制氫的發(fā)展，應(yīng)鼓勵更多的企業(yè)生產(chǎn)“綠氫”以實現(xiàn)對環(huán)境的零污染。

3.3 對氫燃料電池以及儲氫等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)得以加強(qiáng)

目前我國對氫燃料的汽車生產(chǎn)與制造已經(jīng)有了相應(yīng)的計劃，同時對于加氫站也實施了相應(yīng)的布局調(diào)整。但對于汽車內(nèi)的核心零件和材料確缺少相應(yīng)的技術(shù)性支持，因此不能實現(xiàn)汽車的量產(chǎn)。這一關(guān)鍵性問題嚴(yán)重制約了我國對氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以我國在此問題上應(yīng)加大研究力度，把研究的目標(biāo)制定在氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，降低氫氣的運輸成本同時對氫管道的運輸以及儲氫的材料上加大研究力度。政府設(shè)立專項計劃，從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)的攻克以及應(yīng)用示范到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化創(chuàng)新等方面予以提升，以進(jìn)一步保障氫能的產(chǎn)業(yè)核心發(fā)展。

3.4 發(fā)展氫能的進(jìn)程中應(yīng)高度重視產(chǎn)業(yè)的安全

據(jù)相關(guān)報道，自從2019年以來，有部分國外企業(yè)在氫能的產(chǎn)業(yè)鏈中引發(fā)了多起關(guān)于氫氣爆炸致?lián)p的事故[4]。此類事件的發(fā)生對氫能產(chǎn)業(yè)的各個環(huán)節(jié)發(fā)出了警示。因此在氫能的發(fā)展進(jìn)程中應(yīng)在保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，重點關(guān)注安全性問題。我國在氫能的發(fā)展過程中務(wù)必要加強(qiáng)對產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部安全體制的有效建立，了解氫氣爆炸所帶來的嚴(yán)重后果。因此相關(guān)產(chǎn)業(yè)需提高安全意識，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)安全管理條例，各地方政府應(yīng)加大監(jiān)管力度并制定相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，對氫氣的泄漏以及發(fā)生爆炸的相關(guān)因素做好安全預(yù)案，盡量在氫能的生產(chǎn)和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)做到全自動模式，并通過智能設(shè)備對氫氣的安全問題加以保障，以實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的高效運行。

4 結(jié)語

由于我國是對能源需求較大的國家，因此發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟(jì)以及能源的利用等方面都能帶來較多的益處。隨著對我國綠色能源的不斷深入研究，基于發(fā)展“綠氫”的氫能產(chǎn)業(yè)，是我國現(xiàn)階段內(nèi)對氫能發(fā)展最好的選擇。因此我國應(yīng)充分借鑒國外關(guān)于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗，在立足于國內(nèi)發(fā)展的優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)特點之上，使我國的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加趨于國際化水平。