氫在碳中和背景下燃料構成中將占多大比例

周宏春

自2020年9月22日以來，碳達峰、碳中和成為國內的熱點話題；氫能產業、氫經濟等概念、報告、研討會、報告會等也乘勢而上，讓人應接不暇。碳中和為什么能帶動氫能產業熱，為什么提氫占燃料比重而不是占能源結構中的比重，現有制氫技術路線是什么特點，未來的發展方向是什么？

一般而言，氫與柴油、汽油等能源品種的性質類似，主要原因有二。其一，它們同屬二次能源。二次能源由一次能源轉化而來，如柴油、汽油均由石油煉制而成，而煤炭、薪柴等一次能源不需要加工就可以直接利用。氫可以從煤炭、天然氣等傳統能源轉化而來，也可以從工業副產品、生物質等原料中制取，還可以通過電解水生成。其二，柴油、汽油和氫均是“含能量”物質，有人稱之為“含能體”能源；這些能源品種的最大特點，既可以作為燃料使用，也可以作為原料使用，還能隨機動車、輪船、飛機等機動性強的現代化交通運輸工具直接使用。

雖然氫與電均是二次能源，但它們的性質卻不盡相同。在現有技術經濟條件下，電不能直接供機動性強的現代化交通運輸工具使用，因而也被稱為“過程性能源”；盡管城市有軌電車、高鐵、地鐵等交通工具可以直接用電，甚至功率不大的電池、蓄電池等電源也能隨人或交通工具移動。電可以直接從煤炭、石油、天然氣，或太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能和核燃料等一次能源中生產出來，主要特征是生產和消費基本同步。也就是說，發出來的電就要用電，不用的話就會浪費掉，因而才有棄風（電）和棄光（電）一說。

氫經濟并不是新的話題，在20世紀70年代就已提出。1973-1974年，由于中東戰爭引發了世界的第一次石油危機：國際市場上的石油價格從每桶3美元漲到12美元，石油價格暴漲引發了西方國家的經濟衰退。據美國經濟學家的估計，那次石油危機使美國國內生產總值增長下降了4.7%，歐洲增長下降了2.5%，日本甚至下降了7%。受石油價格上漲的沖擊，各國開始在能源的開源節流上想辦法，氫能便是開源的產物，節能也發端于那時。

隨著化石燃料消耗的日益增加，資源儲量也日趨減少，不少學者認為“終究有枯竭的一天”，因而迫切需要尋找一種不依賴化石燃料、儲量豐富的新的“含能量”物質。于是，氫能應運而生。也就是說，氫是在常規能源危機后出現的、人們所期待的新的二次能源。受全球氣候變化影響，氫在能源轉型中的潛力再次受到人們的關注。氫用可再生能源來制取，用儲氫材料儲存，用氫燃料電池發電，構成“凈零排放”的氫能系統；氫不僅具有可持續性，也成為可再生能源之外實現“深度脫碳”的重要路徑。

制氫方式，目前以四類為主，分別是化石燃料制氫、工業副產物制氫、電解水制氫、生物質及其他制氫方式。天然氣制氫雖然應用廣泛，但原料利用率低、工藝復雜、操作難度高，而且生成物中的二氧化碳等溫室氣體排放，成為了重大制約。利用工業副產物制氫，不僅可以“變廢為寶”，而且成本也相對較低。以焦爐氣制氫為例，建設地點需靠近焦化企業，不僅受制于原料供應，供應鏈安全也存在隱患。電解水制氫，制成的氫產品純度高、無污染，但高成本限制了其推廣應用。光解水與生物質制氫的技術尚未成熟，實現商業化也還需一段時間。總之，煤和天然氣制氫成本較低，又以天然氣制氫經濟性最好。

氫能的優點主要有以下幾個。一是燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量約為汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。二是氫燃燒后的剩余物只有水，因而是清潔的能源。三是資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源。四是效率高，氫燃料電池效率高于內燃機。內燃機效率最高位為20%–30%；如果考慮馬達和控制器耗損，內燃機的輸出能量僅約24%或更低；燃料電池的效率最低也能達到35%–45%（通常要高很多）。

氫能應用廣泛。氫可以廣泛應用于能源、交通運輸、工業、建筑等領域，既可以直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業提供高效的原料、還原劑和高品質熱源，也可通過燃料電池技術應用于汽車、軌道交通、船舶等領域，降低長距離高負荷交通對油氣的依賴；還可應用于分布式發電，為住宅、商業建筑等供電供暖。

全球制氫的原料主要是化石能源。全球氫氣年產量約為7000萬噸，76%以天然氣為原料，剩余部分（23%）幾乎都以煤炭為原料，電解法制氫約占1%。每年生產氫氣消費天然氣約2050億立方米（占全球天然氣消費總量6%），煤炭1.07億噸（占全球煤炭消耗總量的2%）。盡管化石能源制氫技術相對成熟，但需要加裝碳捕捉封存裝置（CCS）解決碳排放問題。

國際能源署（IEA）認為，氫能發展迎來了前所未有的機遇，世界各國從政策到項目數量均增長迅速，是氫能擴大規模、降低成本、廣泛應用的重要時期，并提出七點建議：一是確立氫能發展長期戰略；二是刺激清潔氫能發展的市場需求；三是解決先行者的投資風險；四是支持研發降低成本；五是統一標準消除監管障礙；六是全面加強國際合作；七是把握下一個十年氫能發展的關鍵機會。近期可以從四個方面著手：利用沿海化工聚集區建設成為擴大清潔氫能利用的樞紐；充分利用現有的天然氣基礎設施；通過車隊、貨運和公共交通擴大氫能應用范圍；啟動國際氫貿易，建立首批航運線路。

關于氫能發展的問題也不容回避。一是隨著化石能源制氫的碳減排及氫產業發展，法規標準建設十分迫切。二是如果用電制氫，轉化效率是一個很大問題：發電效率一般在35%以下，再用電解水制氫，效率再次打折，這時的氫能效率就要重新計算。三是燃料電池車使用的氫氣不同于一般工業用氫，對純度和雜質要求很高。然而，產氫成本高、基礎設施建設緩慢等均制約了燃料電池的發展。四是安全性是一個很重大的話題。事實上，電解水制氫技術歷經百年發展，在系統安全、電氣安全、設備安全等方面形成了較完善的設計標準體系和管理規范，涵蓋氫氣站、系統技術、供配電系統規范等內容。

總之，作為碳減排的重要措施，棄風、棄光的電用來電解水制氫，是變廢為寶，不僅可以提高能源效率，也是碳中和的重要方向。如果不是用棄電、谷電制氫，能源利用效率是個大問題。而如果是煤炭、天然氣等傳統能源制氫，需要解決二氧化碳排放問題。