新能源制氫及氫能應用淺述

孫培鋒 吳守城 盧海勇 龔晨 蔡悠然

摘要：氫能作為一種清潔、可儲存的能源，是世界新能源和可再生能源領域正在積極開發的二次能源。氫能具有巨大的發展潛力，因此氫能在全球范圍內獲得了極大的關注和發展。簡述了氫能環境分級和常規的氫能制取方法，介紹了新能源制取“綠色氫氣”的基本原理和系統組成。以容量為5000 Nm3·h?1和20000 Nm3·h?1的制氫系統為例，分析了制氫系統的占地面積、投資構成和影響新能源制氫成本的因素，結果表明電價和制氫系統年運行小時數是影響新能源制氫成本的兩個關鍵因素。最后討論了氫能作為原料和動力燃料的應用途徑。

關鍵詞：新能源;制氫;投資比例;制氫成本;氫能應用

中圖分類號： TK91??? 文獻標志碼： A

Hydrogen production from new energy and its application

SUN Peifeng，WU Shoucheng，LU Haiyong，GONG Chen ，CAI Youran

（Shanghai Electric Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200023， China）

Abstract：As a clean and storable energy， hydrogen energy is a secondary energy which is being actively developed in the field of new and renewable energy in the world. Hydrogen energy has huge development potential， so it has gained great attention and development on a global scale. The? environmental? classification? of? hydrogen? energy? was? briefly? described，? as? well? as? the conventional hydrogen energy production methods. The basic principles and system compositionof producing “ green hydrogen” from new energy sources were introduced. Taking the hyd-rogenproduction system with capacity of 5000 Nm3·h?1 and 20000 Nm3·h?1 as examples， the area of the hydrogen production system， investment composition and factors affecting the cost of new energy? hydrogen? production? were? analyzed. It s? concluded? that? electricity? price? and? annual operation hours of hydrogen production system were two key factors that affect the cost of new energy hydrogen production. Finally， the application of hydrogen energy as a raw material and power fuel is discussed.

Keywords：new energy; hydrogen production; investment composition; hydrogen production cost; hydrogen energy application

氫能是氫的化學能，是新能源和可再生能源領域正在積極開發的能源。液氫的能量密度比汽油高三倍（熱值為142351 kJ·kg?1），是普通鋰電池的七倍。氫的燃燒產物是水，在燃燒程中不會產生溫室氣體和大氣污染物，屬于公認的零排放清潔能源[1–2]。

美國、德國、法國、俄羅斯、日本、英國、西班牙和葡萄牙等國紛紛制定氫能發展規劃及扶持政策以促進氫能產業的發展。2020年10月5日，麥肯錫聯合 Plug Power、豐田汽車、殼牌、液化空氣公司、微軟公司和SoCa Gas 等美國主要的石油、天然氣、電力、汽車、燃料電池和氫能源公司發布了美國氫能源經濟路線圖，規劃到2050年，建立有競爭性的、年收入7500億美元、創造350萬個工作崗位的氫能產業，可滿足美國14%的能源需求[3]。2020年7月，歐盟委員會正式發布了《氣候中性的歐洲氫能戰略》，宣布建立歐盟氫能產業聯盟，加大對氫能產業的扶持力度。根據歐盟的設定目標，氫能在歐盟能源結構中的比例將在2050年達到約13%[4]。到2030年，歐盟將在電解槽領域新增投資240～420億歐元，2050年這一領域新增投資將達到1800～4700億歐元[5]。法國、德國、俄羅斯、西班牙和葡萄牙等國均出臺百億歐元級的氫能投資計劃。

習近平主席在第七十五屆聯合國大會上鄭重承諾，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。利用新能源發電制氫，尤其是新能源棄風棄光電量制氫，對于促進新能源消納、節能減排、擴大綠色空間、增強固碳能力，以及兌現中國對世界的二氧化碳排放承諾等均具有重要戰略意義。

近年來，我國風能、太陽能等新能源發展迅速，但新能源的間歇性、資源地理分布不均、發電與負荷中心分離等問題限制了其大規模并入電網，新能源消納難題已經嚴重制約了其發展。利用新能源制氫，既可以解決新能源發電的“棄風棄光”問題，將電能轉變為氫能，還可以進一步降低新能源制氫的成本。新能源制氫同時具有地理環境制約少、規模適應性強、環境友好等優點，省去了建設電網的投資及占地，能有力促進新能源消納，拓展可再生能源的利用途徑，可以最大化地利用當地優越的自然資源。

自2019年氫能首次被寫入《政府工作報告》以來，浙江、江蘇、廣東、山西、河南、湖北、北京和上海等地方政府積極出臺相關政策扶持氫能相關產業。華能、神華、三峽集團、華電、國電投、東方電氣、中石化、中石油、中車和中船重工等各大央企積極布局氫能產業，結合自身優勢廣泛介入氫能產業。

長遠來看，以新能源發電，尤其是新能源棄風棄光電量制氫，兼具經濟效益和社會價值，可以促進新能源的規模化發展和產業升級，推動氫能產業的發展和氫能源的綜合應用，將是未來綠色氫氣產業的主要氫源之一，符合國家大力支持的氫能產業發展方向[6]。

1氫能環境等級及制取方法

1.1氫能制取的環境分級

世界能源理事會將氫氣按照生產來源分為“灰色氫氣”“藍色氫氣”和“綠色氫氣”三類。

“灰色氫氣”可以由煤制氫或以氯堿尾氣為代表的工業副產氣制取，其單個裝置規模偏小，難以實現較為經濟的碳捕捉、利用和封存。

“藍色氫氣”可以由天然氣等化石燃料制得，其氫能制取規模相對較大，可以較為經濟地將二氧化碳副產品捕獲、利用和封存。

“綠色氫氣”可以通過使用新能源電力或核能來制取氫氣，實現全過程綠色制氫，為終端部門深度脫碳奠定基礎。

2019氫能產業發展創新峰會上，工信部原部長李毅中指出：“灰氫不可取，藍氫可以用，廢氫再利用，綠氫是方向。”

1.2氫能制取方法

目前常規的氫氣制取方法主要有：①化石燃料制氫;②電解水制氫;③含氫尾氣副產氫回收;④高溫分解制氫;⑤其他制氫方式[7]。其中

工業化大規模制氫方法主要是化石燃料制氫，包含天然氣吸熱重整制氫、煤制氫和輕油蒸汽轉化制氫這三種方法，其所制得的氫氣占目前國內氫氣產量的96%左右。但這三種制氫方法的生產流程復雜，制氫過程中會對環境造成污染，制得的氫純度低，還需要有效的分離技術提純氫氣，使得氫能未能實現全過程清潔化，所制得的氫氣基本上都屬于“灰色氫氣”和“藍色氫氣”的范疇。

為實現我國2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，同時遵循“灰氫不可取、藍氫可利用、綠氫是方向”的原則，應避免在氫氣制取過程中污染物和溫室氣體的排放，這就要求走新能源發電制氫的“綠色氫氣”路線。

2新能源制氫

將新能源發電與電解水制氫結合起來，利用新能源電能來電解水制氫，可以實現全過程二氧化碳零排放。這是氫能成為名副其實的清潔能源——“綠色氫氣”的關鍵。研究新能源發電制氫對氫能的發展十分重要。

2.1新能源發電制氫分類

新能源發電制氫主要包括太陽能光伏發電制氫和風能制氫兩類[8–9]。

（1）太陽能光伏發電制氫

目前利用催化劑光解水制氫的效率還很低，只有1%～2%。因此，常見的太陽能制氫是指利用光伏場所發電量來進行電解水制氫。光伏發電制氫是指將太陽能通過光伏板轉化成電能，所制得的電能直接用于電解水制氫過程生產氫氣。

（2）風能制氫

風能制氫是指將風能通過風力發電機轉化成電能，所制得的電能直接用于電解水制氫過程生產氫氣。

2.2新能源發電+堿性電解水制氫原理

新能源發電制氫系統采取“太陽能光伏發電”或“風力發電”兩種模式作為電解水制氫裝置的電源，獲得的新能源電能通過整流裝置轉變為適當的直流電能并用于堿性電解水制氫設備（電解槽）來制取氫氣。新能源發電制氫原理如圖1所示。

2.3堿性電解水制氫原理、系統組成及流程

根據電解質的不同，主流的電解水制氫技術可分為三種類型：堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫和固態氧化物電解水制氫[10]。其中：堿性電解水制氫系統損耗小，安全性高，是最為成熟、經濟，也是應用最為廣泛的制氫技術;質子交換膜電解水制氫在國外已實現商業化，但在國內還處于商業化初期，電解效率優于堿性電解水制氫，但設備投資成本較高;固態氧化物電解水制氫可以實現部分電能被熱能取代，轉化效率高，但因其工作在高溫區間而限制了其商業化應用。

堿性電解水制氫原理圖如圖2所示。在堿性電解質水溶液（常為 KOH 和 NaOH）中，采用石棉布等作為隔膜，通入直流電時，在陰極和陽極分別發生如下反應，從而制得氫氣。

氫（H2）

陽極反應（產生氧氣）

2OH?→H2O +0.5O2+2e?

陰極反應（產生氫氣）

總反應（水電解為氧氣和氫氣）

H2O =H2+0.5O2

堿性電解水制氫系統較為簡單，主要由補水系統、堿液循環系統、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置等部分組成。堿性電解水制氫工藝系統流程圖如圖3所示。

2.4堿性電解水制氫裝置占地、投資和氫氣生產成本分析

按目前堿性電解水制氫系統技術發展水平，大

規模制氫系統中可選用的最大的堿性電解水制氫裝置制氫能力為1000 Nm3·h?1，制得的單位氫氣耗電量約5 kW·h ·Nm?3，生產過程中動力耗電約為0.027 kW·h ·Nm?3，原料水和冷卻水的消耗分別為0.002 t ·Nm?3和0.001 t ·Nm?3。在年運行8000 h 的負荷條件下，整個制氫系統的壽命約10～15a。表1列出了某國內主流堿性電解水制氫裝置生產廠家1000 Nm3·h?1的堿性電解槽技術參數。

圖4為某國內主流堿性電解水制氫裝置生產廠家的制氫能力為1000 Nm3·h?1的堿性電解槽外形圖。該電解槽直徑約為1.8 m，整個裝置長度約為3 m。

分別以5000、20000 Nm3·h?1的制氫系統為例，分析堿性電解水制氫工程的建設投資、占地面積和各分項投資比例等關鍵信息，詳見表2。

從表2中可見，依制氫系統的規模不同，堿

性電解水制氫系統的單位 m3氫氣投資成本在1.7～2.2萬元·Nm?3之間。堿性電解水制氫裝置設備購置費占投資構成中的比例最大，約為40%～60%;其次是建筑和安裝工程費，約為20%～45%;土地費用及其他相關費用等則最小，約為10%～15%。

按照堿性電解水制氫系統技術發展水平，對制氫過程中的電量、壓縮空氣、原料水、堿液、壓縮空氣等各種物質消耗水平及制氫系統年運行時間進行分析，發現對制氫成本影響最大的兩個因素是電價和制氫系統年運行小時數。分別以5000、20000 Nm3·h?1兩個不同制氫系統容量的工程為例，分析電價及系統年運行小時數對制氫成本的影響，結果分別如圖5、6所示。

從圖5、6中可見，電價越高，制氫成本也越高。電價為0.3元·（ kW ·h）?1時，不同制氫容量系統的制氫成本在1.9～2.0元·Nm?3之間。若制氫時使用棄風棄光電量，則電價會分別下降到0.2、0.1元·（ kW ·h）?1時，制氫成本會分別降到1.3～1.5元·Nm?3和0.7～1.0元·Nm?3之間。

在相同制氫系統年運行小時數下，制氫系統容量大小對制氫成本幾乎沒有影響。年運行8000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1下，5000、20000 Nm3·h?1制氫系統容量的制氫成本均分別在0.778、1.346、1.914元·Nm?3附近，不同電價下兩種容量的制氫成本差額小于6%。年運行4000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（kW ·h）?1下，5000、20000 Nm3·h?1制氫系統容量的制氫成本均分別在0.952、1.523、2.094元·Nm?3附近，不同電價下兩種容量的制氫成本差額小于5%。

在相同制氫系統容量下，制氫系統年運行小時數越多，則制氫成本越低。5000 Nm3·h?1制氫系統容量，年運行8000 h ，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1下，其制氫成本分別為0.827、1.396、1.965元·Nm?3，比年運行4000 h，相同電價下的制氫成本分別降低17.3%、11.2%、8.3%。20000 Nm3·h?1制氫系統容量，年運行8000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（kW ·h）?1下，其制氫成本分別為0.778、1.346、1.914元·Nm?3，比年運行4000 h，相同電價下的制氫成本分別降低18.3%、14.4%、10.7%。

綜上可見，電價對制氫成本影響最大。不同電價[0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1]下，按照制氫系統容量和年運行小時數不同，制氫成本大致在0.78～2.10元·Nm?3之間。與表3中所列常見工業規模制氫技術的制氫成本相比可知，只要繼續降低新能源發電成本，充分利用新能源棄風棄光電量，結合新能源制氫清潔、無污染的優點，新能源制氫將會更加具有競爭力，必將成為“綠色氫氣”的主要來源之一。

3氫能應用途徑

3.1氫氣作為原料的用途

氫氣作為原料被廣泛應用于人們熟知的各個行業中[12–13]，如化學工業中作為合成氨和甲醇的原料;石油工業中用于石油、粗柴油和燃料油的加氫脫硫;玻璃生產工業中用于保護錫槽中的液態錫不被氧化;電子工業中半導體、電真空材料和硅晶片產等領域;冶金工業中氫氣作為還原氣，將金屬氧化物還原為金屬;在金屬高溫鍛壓時，氫氣作為保護氣保護金屬表面不被氧化;食品加工行業中氫氣用于天然食用油中不飽和成分的氫化處理。

3.2氫氣作為能源的用途

氫氣作為能源，不論是燃燒還是通過燃料電池發電，在交通、工業、民用等方面都有著重要的應用，如火箭、飛機、汽車的發動機燃料，還有氫燃料電池叉車、氫燃料有軌電車、氫燃料電池船等[12，14]。尤其是氫燃料電池汽車，是氫能的重要應用領域和氫能大規模商業化應用的關鍵一環[15]，相比傳統燃油汽車，其具有無污染的優勢;相比電動汽車，具有高續航、加注時間短的優勢，因此氫燃料汽車具有極大的發展應用前景。

截至2020年12月底，我國已經建成118座加氫站，其中投入運營101座，待運營加氫站17座，在建及擬建的加氫站約167座，均已初步具備維持氫燃料汽車正常運行使用的基本條件。預計到2030年，中國氫燃料電池車將達到200萬輛，加氫站將達到1000座以上，尤其是重點發展氫能的中東部地區城市，可初步滿足氫燃料汽車的燃料加注需求。

4結論

氫能具有清潔、高效、可存儲性和可持續發展的特點，因此其作為“終極能源”在未來的能源格局中必將占據關鍵位置。我國具有豐富的新能源風、光資源，利用新能源電量，尤其是棄風棄光電量為電解水制氫過程提供清潔、廉價的電力，既能解決新能源發電工程的大規模消納問題，又能促進新能源產業和氫能產業的發展，對我國調整能源結構有著重要意義。

在新能源制氫系統的投資成本構成中，電解槽等裝置占總投資的40%～60%，故需努力提高相關技術發展水平，進一步降低裝置初始投資，獲得更佳的經濟性。

影響新能源制氫成本的關鍵因素是電價和制氫系統年運行小時數。在新能源制氫成本構成中，電價占總成本的60%～80%，因此，進一步降低新能源電價，降低堿性電解水制氫過程中的能耗，對新能源制氫技術的大規模商業化應用有著決定性的影響。

參考文獻：

[1] DAWOOD F， ANDA M， SHAFIULLAH G M. Hydrogenproduction? for? energy： an? overview[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（7）：3847-3869.

[2] 徐斐，何耀宗， 何定兵， 等.萊茵衣藻?se 兩步法產氫用培養基的研究[J].上海理工大學學報， 2007， 29（4）：307-310.

[3] 陸穎.美國產業界發布氫能經濟路線圖J[].科技中國，202011（）：100-102.

[4] European? commission： EU? hydrogentrategy[EB OL/].[2020?07?08]，https：//ec.europa.eu/commission/ presscorner/api/files/attachment/865942/EU_Hydrogen_ Strategy.pdf.

[5] 董一凡.歐盟氫能發展戰略與前景[J].國際石油經濟，2020， 28（10）：23-30.

[6] 李爭， 張蕊， 孫鶴旭， 等.可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述[J].電工技術學， 2021， 36（3）：446-462.

[7] 王涵，李世安， 楊發財， 等.氫氣制取技術應用現狀及發展趨勢分析[J].現代化工， 2021， 41（2）：23-27.

[8] 孔令國.風光氫綜合能源系統優化配置與協調控制策D .略研究[]北京：華北電力大學（北京）， 2017.

[9] YILMAZ? F，? OZTURK? M，? SELBAS? R. Design? andthermodynamic modeling of a renewable energy basedplant? for? hydrogen? production? and? compression[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（49）：26126-26137.

[10]舟丹.水電解制氫技術發展概況[J].中外能源， 2017，22（8）：69.

[11]蔣敏華， 肖平， 劉入維， 等.氫能在我國未來能源系統中的角色定位及“再電氣化”路徑初探[J].熱力發電， 2020， 49（1）：1-9.

[12] ZINI G， TARTARINI P.太陽能制氫的能量轉換、儲存及利用系統——氫經濟時代的科學和技術[M].李朝升， 譯.北京：機械工業出版社， 2015.

[13]王艷艷， 徐麗， 李星國.氫氣儲能與發電開發[M].北京：化學工業出版社， 2017.

[14]于全虎.氫能和燃料電池及其船舶應用進展[J].船舶，2020， 31（5）：69-76.

[15] GRASMAN S E.氫能源和車輛系統[M].王青春， 王典， 譯.北京：機械工業出版社， 2014.