“雙碳”目標下綠色氫能技術發展現狀與趨勢研究

張利軍

摘要：據統計我國的電力系統每年碳排放占總碳排量的40%，我國近年來提出“碳中和”目標，并初步打算以氫氣作為潛在支撐，助力一些行業實現低碳轉型，包括電力交通，鋼鐵建筑等。對以上系統進行碳減排，不斷向“雙碳”目標靠近，氫氣在此過程有著重要作用，需要改良傳統能源系統，建立新型能源系統，尋找新能源代替原有資源，實現資源的可再生，降低化石能源在總能源中的比重，建立現代高效能源體系，貫徹落實好低碳安全，清潔衛生目標，助力“碳達峰”與“碳中和”的實現。建立綠色無碳的新產業鏈，通過可再生資源，知道氫氣及其氫能化合物，解決可再生資源的產出與使用問題，是一條擁有巨大潛力的發展路線。文章將重點放在我國目前行業內，應用氫能相關產業的現狀以及新發展，對于氫能關鍵技術，包括制造儲存，應用銷售等環節，結合市場新能源需要，研究未來發展趨勢，針對當下氫能發展現狀，與應用氫能主要產業或場景結合，為后續新能源與氫能的發展提供參考。

關鍵詞：“雙碳”目標;綠氫;可再生能源;關鍵技術;發展趨勢

我國原來提出不少政策，指導新能源技術的進步，在此支持下，我國氫能產業欣欣向榮，但作為一項新能源技術，產業核心問題還有待解決，例如氫能材料技術并沒有實現自主研發，氫能產業基礎設施夠理想有待加強等現象。本文將國內國外新能源產業發展的信息進行動態捕捉，結合氫能產業所需關鍵技術，結合未來新能源發展現狀與趨勢，對我國新能源產業在氫能中的投入和產出在具體場景中的使用提出問題與指導，期待對我國在氫能產業有更多的收獲。

1國內氫能產業發展現狀

2021年2月22日，國務院發布《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》指出，大力發展氫能，加大加氫等配套設施建設。

隨著氫能政策的制定與完善，大批的氫能示范項目也陸續開展，部分綠色氫能示范項目和加氫站分布情況如如表1、圖1所示。

2綠色氫能關鍵技術研究

綠色氫能的技術路線如圖2所示，

2.1綠色制氫技術

2.1.1電解水制氫

電解水技術設備簡單、技術成熟、無污染，由于其成本相對較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術的商業化推廣。

具體分析如下：

（1）堿性電解水制氫技術發展最為成熟，制氫成本也相對較低，已基本實現工業大規模應用，但是能效較低;

（2）PEM制氫技術具有更寬泛的運行功率范圍及更短的啟動時間，可實現高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實現高壓化，能夠很好適應可再生能源的波動性，國外發展較為成熟，已開始商業應用，但在我國基本處于實驗研發階段;

（3）SOEC電解水制氫技術目前國內外均處于研發階段。有研究發現SOEC可在動態電力輸出下工作，并不會有明顯衰減。

（4）堿性電解水制氫成本有限，后期的研究重點將在于成本、效率和靈活性之間的平衡。

（5）固體氧化物制氫技術是能耗最低、能量轉換效率最高的電解水制氫技術，隨著技術的突破有望實現大規模供應。

2.1.2太陽能制氫技術

目前，太陽能制氫技術主要有光催化法制氫、化學制氫、人工光合作用制氫等。

（1）光催化分解水制氫的過程比較復雜，當太陽光照射光催化劑受時，光催化劑進行捕獲、吸收、產生激子，少量存在的激子向表面發生遷移，遷移到反應活性中心分解水產生氫氣。光催化劑制氫有優缺點并存，光催化劑可通過多種材料制造氫，但轉換率無法保證，轉化率普遍偏低。所以重點研究光催化制氫技術，將目標放在光催化劑的改良上，以穩定性，活性，成本作為挑選標準。

（2）熱化學制氫技術，利用聚光器加熱水，當溫度達到2500K以上時分解為氫氣和氧氣。熱化學制氫技術方法簡單，效率高，但是需要高倍聚光器才能獲得分解需要的溫度。研究發現，熱化學制氫技術在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求。

（3）植物在太陽能下進行光合作用，這種模式人工光合作用可以模仿，用來改良氫制造技術，此過程的最大優點為，操作簡單，知青效率有保證，且不會造成環境污染。但發展緩慢，轉化效率不理想也是缺點。

2.1.3生物質制氫技術

微生物法制氫技術包括光發酵法制氫、暗發酵法制氫和光合生物制氫。

（1）熱化學轉化法制氫技術包括生物質氣化法制氫、生物質熱解法制氫、生物質超臨界法制氫。

（2）微生物法制氫技術與生物質超臨界法制氫技術尚處于實驗室研究階段。生物質氣化法制氫的關鍵氣化技術雖已成熟，但由于生物質氣化規模小，目前還沒有生物質氣化制氫工業化裝置建設。

2.2氫能儲運技術

儲氫技術闡述如下：低溫液態儲氫，此項儲存技術在許多發達國家，例如美國，日本等得到廣泛商業化應用。但我國在此方面要求較為嚴格，此項技術僅應用于航空航天領域，軍事領域中也有所涉及。

高壓氣態儲氫，此儲存對核心設備要求較高，氫透平膨脹機是第一核心設備，低溫閥門是第二核心設備，我國有技術無法生產相應標準設備，對進口依賴較大。與國外技術與裝備相比，我國在液氫儲罐制造方面能力也有所缺失。

金屬或合金物理儲存氫技術，將氫氣以固態方式儲存，但在運輸方面有一定困難，燃料電池車為發展到一定規模，使得氫氣運輸的市場要求較低，氫氣加油站較為分散稀少，長管拖車作為氫氣的主要運輸工具，其優點在于，技術成熟，運輸快捷，補幾方便。普遍應用于國內外加氫站氫氣的補給。

3綠色氫能發展趨勢及典型場景展望

3.1綠氫關鍵技術發展趨勢

3.1.1綠色制氫發展趨勢

我國制氫產業有以下困難，基礎設施不達標，能量大量耗損，生產成本較高。制氫成本的75%～85%，小號在電解水制氫過程中，電力耗損巨大。電價也有波動不穩定性，這與經濟性在綠色氫能中的體現直接掛鉤。國家不斷出臺減排政策，并對碳排量做出承諾，有國家發展政策來支撐新能源系統，新能源發電成本不斷降低，且有風電和光伏，越來越多的研究使制氫技術得到眾多關注，并出臺眾多扶持政策，投入資金也十分可觀。在優良環境下，制氫技術的進步會不斷加快，開發效率也會逐步提高，晚上我國新能源缺口，并充分利用太陽能的作用。

3.1.2氫氣儲運發展趨勢

在儲氫技術中，行業普遍采用高壓氣態儲氫方式，我國在儲存方的優勢為國產化容器罐體材料可大規模生產，但劣勢在于美國和日本發達國家壟斷了關鍵設備材料，高性能碳纖材料仍需依賴對外進口。低溫液態儲氫技術未來發展較為平緩，原因在于此項技術難度系數較大，絕緣材料投入巨大，液化成本不可估計，能量消耗較為嚴重。以上對液體儲氫技術的優缺點進行說明，小規模示范研究在我國某些地區已經開展。與傳統氣態和液態儲氫技術相比，固態儲氫技術安全性好，儲清量較大，方便后續操作。未來發展前景十分廣闊，特別是后續在生產成本控制，設備與材料能夠方便使用，儲氫方式由多種歸納為以固態儲氫為主要方式。氫燃料應用于電池汽車中，得到一定推廣，但仍處于示范運行階段。我國汽車行業對氫氣需求量不高，因此現階段氫氣需求可通過場館拖車運輸氫氣，在加氫站中實現氫氣的自由補給。但未來氫氣需求量，會隨著燃料電池車的不斷推廣和普及加大，基礎設施輔助氫氣的補給會逐漸完善，滿足氫氣運輸方式，通過管道運輸，逐漸形成規模，提高氫氣新能源的經濟性。

3.2綠氫典型應用場景展望

3.2.1海上風電氫能耦合應用場景

海洋能源應用范圍較廣，利用效率可以通過海上風電與氫能耦合提高，作為能源運輸新思路，幫助海上風電的消納順利進行。如圖三所示，將此種技術的應用場景進行展示，你線路圖方式說明技術線路的具體位置。一條技術線路通過海水淡化分解間接制造氫能;另一條技術線路通過利用咸水實現氫能的直接轉換。前者技術比后者成熟。但制氫成本也隨著海水淡化需求而增加，咸水制氫在技術上還有所不足，需要研究關鍵材料和催化劑，實現技術上的突破。

3.2.2綜合能源系統氫能耦合應用場景

提高多種不同類型資源的綜合利用率，需要有完善的綜合能源系統，將電氣，冷氣，熱氣，水氣等充分利用起來。而氫儲能可以作為多能聯供媒介，起到能量平衡工業園區能源系統的作用，有效改善工業園區能量不平衡現象，提高工業園區的整體效益，完善綜合能源系統。在未來能源系統發展中，綜合能源系統結合綠色氫能發展行業，共同打造出兩種能力耦合應用，并作為典型適用于多個不同場景。

3.2.3氫能在交通領域的應用場景

對比傳統純電動汽車，采用新能源氫燃料電池汽車有以下優點，續航里程長，燃料補給方便，燃料補充時間短。在未來隨著規模化的生產以及氫能行業的發展，氫燃料電池汽車的成本不斷降低，廣泛應用于交通運輸領域中。

4結論

作為一種理想清潔能源，也成為平衡環境問題與能源問題的重要載體，綠色氫能有助于穩定我國能源狀態，也是構建新型能源系統一大助力。本篇從發展情況的角度對比國內外氫能產業，將不同環節所應用的關鍵技術與我國綠色氫能結合，提出改良開發建議，應針對我國新能源應用情況，模擬典型應用場景。

（1）與國外應用綠色性能相比，無論是開發利用技術，還是發展現狀，我國有一定不足。氫能作為清潔能源轉型的重要組成，其發揮作用還有待研究。國家需要從戰略方便進行布局，加大對關鍵政策的研發，出臺政策繼續扶持氫能的發展。

（2）綠色氫能制造取用過程較為艱難，運輸方面也存在一些技術性難題。使得氫能其相關操作成本無法控制，無法實現產業規模化應用。政府的扶持與引導，院校的努力研發，企業的支持與合作三者共同促進綠色氫能技術的成熟，加快商業化推廣腳步，為其他行業起到示范作用，加大投資實驗的資金支持，研發力度上也需下更多功夫。

（3）在未來可再生資源應用中，氫能可以占據主要應用場景，在未來制氫方式中，可再生能源也作為重要原料，海上風電，工業園區大規模建設，離不開完善的綜合能源系統，未來交通運輸也會有一定規模發展。在良好環境下，氫能發揮主要作用，保障整個能源系統處于安全穩定狀態，提高系統的商業價值，提高系統應用于其他場景的效益。

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