雙碳戰略下的氫能源

王 剛

軍民結合(北京)裝備技術研究院 北京 100085

當前，世界面臨著兩大危機——能源危機、環境危機，人類面對著由此引發的諸多挑戰。“雙碳”目標和行動是人類應對能源危機和氣候變化挑戰的全球行動。“雙碳”目標的實現是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革。目前全球已有54 個國家的碳排放實現達峰，占全球碳排放總量的40%，其中大部分是發達國家。而我國2019 年碳排放98.25 億噸，約占全球碳排放量的29%，位列全球之首。我國單位GDP 碳排放0.69 千克，是世界平均水平的1.77 倍，碳排放強度顯著高于世界平均水平。相較于發達國家，我國“雙碳”目標的實現時間更緊、幅度更大、困難更多，任務異常艱巨。

為實現我國高質量發展，展現中國的大國擔當，2020年9 月，我國提出了將力爭在2030 年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標。同年12 月，提出了“到2030 年中國單位國內生產總值CO2排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右”的具體目標。實現“雙碳”是一項長期任務，需要堅定不移，科學有序推進。

1 實現“雙碳”戰略目標的十大路徑

一是能源結構轉型路徑。我國能源結構中高碳的化石能源占一次能源消費比重的85%，其每年產生的碳排放量占全社會碳排放總量的近90%，其中煤炭消費產生的碳排放占能源排放總量的79%。在當前低碳時代引領的能源革命下，煤炭消費減量替代已是大勢所趨。要堅持能源脫碳的大方向，大力發展非碳基能源。

二是產業結構調整路徑。我國目前整體上傳統產業規模大、占比高，高能耗、高碳排放企業占比較大，在綠色低碳產業布局和發展中，要降低“雙高產業”規模，還要提高各產業、行業的能效和碳效。

三是運輸結構優化路徑。在用能總量上，交通用能需求增長快于一次能源增速，占比持續提升。在用能結構上，交通能源消費以油品為主，占比近86%。在運輸方式上，道路交通能源消費規模最大，2019 年占比近80%。在碳排放量上，以油品為主的能源消費結構導致交通部門與能源相關的碳排放量持續提升。運輸結構轉型路徑，重點要優化運輸結構、推動運輸低碳化發展。

四是空間結構優化路徑。從區域視角，目前分工明確的城鎮群格局尚未形成，鄉鎮空間格局分散低效，增加了鄉鎮間的交通碳排放量。生態空間缺乏統籌保護，未能最大限度地集聚生態效應。鄉鎮生態空間相互分割、自成一體、不成系統，一些碳匯能力較高的生態要素面積不成規模，斑塊破碎化程度高，尚未形成系統性的生態網絡和生態體系。鄉鎮農業空間具有碳源、碳匯的雙重屬性，農用地的碳匯作用十分顯著。

五是碳匯系統建設路徑。國內外碳匯相關研究主要集中在自然環境的水體、土壤、植被三大方面，地球碳匯主體是海洋、森林。我國約有300 萬平方公里的海洋國土，相比陸地生態系統，海洋的固碳能力毫不遜色。城市碳匯是綠地，農村碳匯則是農田。要科學有序增加森林碳匯以及其他各類碳匯，建立專門的碳匯觀測和評估體系，充分激發海洋碳匯的價值和潛力。

六是碳封存碳利用路徑。碳捕集利用與封存技術（CCUS）通過地質利用、化工利用和生物利用等資源化利用手段，能夠將化石能源利用或工業過程排放的CO2以及從空氣中捕集的CO2進行封存或轉化為燃料和化工產品，可大幅減少碳排放，是實現“雙碳”目標重要的技術路徑。中國工程院、清華大學等對CCUS 在中國的減排潛力進行研究評估，2060 年中國CCUS 封存量可達10～16億噸。

七是顛覆性碳科技路徑。目前，一些可望產生根本性變革、顛覆性影響的碳科技不斷涌現，雖大多還處在科研初期或產能、產品小試階段，但其發展未來可期。

八是貿易結構轉型路徑。我國目前的經濟發展正承受著貿易摩擦和履行碳減排的雙重壓力，貿易結構亟待轉型。對外出口的高碳排放產品份額要大幅削減將直接導致我國宏觀經濟和對外貿易結構發生巨大改變，出口產品類型需要從高碳排放的工業品徹底轉變到技術密集型產品或第三產業上來。

九是轉型低碳綠色生活路徑。這需要作為能源資源消費者的每一個人在衣食住行等日常生活的各個環節踐行減排方式。

十是現代化經濟體系實現路徑。現代化經濟體系本身除了涵蓋經濟活動的生產、分配、交換和消費環節，也包括經濟建設領域的產業體系、市場體系等各個方面。目前我國現代化經濟體系的建設依然面臨著諸如產業體系薄弱、分配體系不公、區域發展不協調、技術創新度不足、政策制度不完善等問題。

我國建設綠色低碳循環發展的現代化經濟體系必須使經濟體系最大限度的高效利用資源和付出最低限度的環境代價，注重經濟社會各個體系相互之間全面協調的發展狀態。

2 氫能特點

在“雙碳”目標下，氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，對減少二氧化碳等溫室氣體排放具有重要意義。2022 年3 月23 日，我國發布了《氫能產業中長期規劃（2021- 2035 年）》，明確了氫的能源屬性，強調了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。氫能將為“雙碳”目標的實現提供有力的支撐。

氫能源從上游氫制備、中游氫儲運、下游氫應用，形成了龐大的產業鏈條，在“碳達峰、碳中和”背景下脫穎而出，拉動了眾多行業在新材料、新技術、新工藝等方面的延伸創新發展。

3 氫的制備

氫的制備方法包括以下九大類（圖1）。

圖1 氫的制備方法

3.1 化石原料制氫

化石原料制氫包括煤氣化制氫、重油部分氧化制氫、天然氣制氫等。目前，大規模制氫仍以煤和天然氣為主，全球氫氣生產92%采用煤和天然氣。

煤氣化制氫是工業規模制氫首選之一，其技術路線相對成熟且高效，可大規模穩定制備，是當前成本最低的制氫方式，也是我國主流化石能源制氫方法，可制取不同純度的氫氣，廣泛應用于石化、鋼鐵等領域。

3.2 化工原料制氫

利用化工原料制氫可解決小規模氫源需求問題，如甲醇制氫、氨分解制氫、肼分解制氫等。甲醇作為一種液態燃料制氫具有明顯優勢，其含氫量高，性質穩定，儲運方便，受地域限制較小；利用無水液氨分解制氫，其產物的體積比中H2占75%，N2占25%；液氨相對易于安全運輸，其產氫后的唯一副產物就是N2；水合肼的氫質量分數可達8.0%，完全分解時副產物也只有N2，且水合肼在溫和條件下物理化學性質較為穩定，因此可作為一種理想的移動氫源，在一些特殊場合為燃料電池提供氫源。

3.3 化工副產制氫

化工副產制氫是指化工過程中所產氫氣并非目標產品，而是副產品，主要包括煉廠的催化重整、丙烷脫氫、焦爐煤氣及氯堿化工等，這部分副產氫產能很大。僅氯堿工業副產氫產量就在70 萬噸/ 年以上。工業副產氫相對成本較低，具有市場競爭優勢。

3.4 電解水制氫

電解水制氫技術包括堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫、固體氧化物電解水制氫。堿性電解水制氫技術是目前市場化最成熟的制氫技術，對于局地小規模用氫簡單易行。利用電網負荷低谷時段的富余電能進行電解水制氫，即谷電制氫，是具有較大潛力的儲能方式。

3.5 “三棄”制氫

“三棄”指的是可再生能源發電（風力發電、光伏發電、水力發電）中的棄風、棄光、棄水，即棄電現象。通過利用“三棄”電力電解水制氫可平抑風、光、水發電輸出的隨機性、波動性、階段性等問題，并減少能源浪費，實現能量的有效存儲和利用。同時可通過遠距離輸運氫燃料，將可再生能源從資源豐富地區高效轉移到用能負荷中心，利用氫氣發電增強電網的協調性和可靠性，有效解決可再生能源供需存在的區域錯配問題。

3.6 海洋能制氫

海洋能是一種蘊藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、潮流能等。我國海洋能資源十分豐富，總體上可開發利用量達10 億kW 量級。利用海洋能發電關聯制氫，可解決我國眾多島嶼用電問題，同時解決多余電能的存儲問題，以調節電能在時間和空間上的分布不均。

3.7 核能制氫

核能是低碳、高效的一次能源，其使用的鈾資源可循環利用。核能制氫是將核反應堆與先進制氫工藝耦合，進行氫的大規模生產。目前核能制氫主要有電解水制氫和熱化學制氫兩種方式。核能制氫具有不產生溫室氣體、以水為原料、效率高、規模大等優點，是未來氫源的重要途徑之一。

3.8 太陽能光解水制氫

利用太陽光將水分解為氫氣和氧氣被認為是一個非常有前景的能源供給解決方案。其核心關鍵技術是光催化劑、助催化劑和犧牲劑的研發。

3.9 生物制氫

生物制氫包括生物質熱化學制氫和微生物制氫。生物質熱化學制氫主要有生物質氣化制氫、生物質熱解油制氫、生物質超臨界水氣化制氫，以及生物質液相解聚產物的蒸汽重整、水相重整和光催化重整等制氫技術。其中前兩者是較為成熟的生物質制氫技術，工藝相對簡單，適合分散式小規模制氫。

微生物制氫是依賴微生物自身新陳代謝活動將太陽能或儲存于有機物中的化學能轉化為氫能的生物技術。微生物制氫反應條件溫和、生物質來源廣泛、產氫效能穩定、對環境友好，是未來氫能制備的重要方式之一。

4 氫的儲運

4.1 儲氫技術

儲氫技術主要分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫等（圖2）。

圖2 儲氫技術與儲氫材料

4.1.1 高壓氣態儲氫

高壓氣態儲氫技術比較成熟，是目前最常用的儲氫方式。20MPa 鋼制瓶（I 型）早已工業化應用，并與45MPa 鋼制瓶（II 型）和98MPa 鋼帶纏繞式壓力容器組合應用于加氫站中。但是，I 型和II 型儲氫瓶密度低、氫脆問題嚴重。車載儲氫采用碳纖維復合鋼瓶（III 型瓶和IV 型瓶），目前主要是35MPa 和70MPa 的III 型瓶。但隨著儲氫罐壓力增大，儲罐成本增大，且安全性能有待提升。高壓氣態儲氫向輕量化、高壓化、低成本、質量更穩定，并進一步提高儲氫安全性和經濟性的方向發展。

4.1.2 低溫液態儲氫

液氫可作為火箭氫氧發動機的推進劑。低溫液態儲氫是將氫氣降溫至- 252.78℃以下液化，然后儲存于低溫絕熱真空容器中。此法具有能量密度大、體積密度大、加注時間短等優點。但液氫的沸點極低，與環境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高。

4.1.3 有機液態儲氫

有機液態儲氫是利用有機液體通過加氫反應將氫氣與之固定，形成分子內結合氫的飽和化合物，從而在常溫常壓下以液態形式儲存和運輸，并在使用地點在催化劑作用下通過脫氫反應提取出所需氫氣的方法。開發低成本低功耗的脫氫催化劑和低熔點儲氫介質等是未來氫能儲運大規模發展的重要方向之一。

4.1.4 固態儲氫

固態儲氫是利用物理或化學吸附將氫氣儲存在固體材料之中，根據氫氣與固體材料結合方式不同，可以分為物理吸附儲氫、金屬合金儲氫、有機框架儲氫等。固態儲氫密度相當于同等條件氣態儲氫的1000 倍，且吸氫、放氫速度快，儲氫過程穩定。

4.2 氫的運輸

氫能輸運通常根據儲氫相態不同、運輸量不同以及運距不同而定（圖3）。依據相態，其輸運方式主要有氣氫輸運、液氫輸運和固氫輸運3 種方式。

圖3 氫的運輸

4.2.1 氣氫輸運

氣態輸運包括集裝格運輸、長管拖車運輸和管道輸運。長管拖車運輸壓力一般為20～50MPa，我國長管拖車運輸較為成熟，但對于長距離大容量輸運，成本較高；而管道輸運是實現氫能大規模、長距離輸送的重要方式。氣氫管道輸運時，管道運輸壓力一般為1.0～4.0MPa，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運發展初期，可以積極探索利用現有的天然氣管道摻氫天然氣方式輸運。

4.2.2 液氫輸運

液氫輸運適合遠距離、大容量輸送，一般把液氫裝在專用低溫絕熱槽罐（液氫槽車）內，然后用拖車、列車或專用液氫駁船運輸。液氫槽車是關鍵設備，其存儲液氫的容量可以達到100m3。鐵路用特殊大容量的槽車甚至可運輸120～200m3的液氫。

4.2.3 固氫輸運

固態儲氫技術解決了高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫面臨的高壓、低溫等問題，相比于氣態和液態儲氫，其體積更小、安全性更高，可通過汽車、貨車、集裝箱船運輸，更適合使用大規模、遠距離的運輸，是一類具有市場潛力的安全儲運方式。就目前來看，氫能固態儲運的缺點在于固體儲氫材料室溫下儲氫量過低，且吸附材料的制備較昂貴，影響了目前的商業化進程。

研究表明，300km 以上的運輸距離，運輸成本排序為：有機液態儲氫＜液氫槽車＜氫氣管道＜管束車。50km 以內氫氣管道運輸成本較低，因此適合小規模運輸，比如化工廠區氫氣管道以及孤島微電網內氫氣運輸等場合。隨著輸送距離的增加，有機液態輸氫和低溫液態輸氫成本極具優勢，因此液態輸運更適合長距離、大規模輸氫，比如跨省運輸。

5 氫的應用

氫的應用領域十分廣泛（圖4），包括石油化工、鋼鐵冶金、航空航天、交通運輸等諸多領域。

圖4 氫的應用

5.1 石油化工

以往氫主要應用于石油化工行業，其中全球生產的氫33%用于石油煉化，27%用于合成氨生產（80%的氨用于化肥生產），11%用于甲醇生產。

石油煉制工業中的加氫反應主要包括加氫處理/ 加氫精制、加氫裂化、臨氫降凝、潤滑油加氫等。

5.2 航空航天

氫的能量密度很高，是普通汽油的3 倍。對飛行器而言，燃料自重可減輕2/ 3，同時液態燃料的流量易于控制。因此，氫與肼類燃料（如無水肼、偏二甲肼和甲基肼等）均是優良的液體火箭燃料，被廣泛應用于火箭、飛船、空間站主推進系統和軌姿控推進系統中。

目前，無人機應用領域廣泛，但其巡航時間短導致的續航能力不足是其應用的一個瓶頸問題。氫燃料電池以其重量輕、能量密度高等特點使續航時間理論上可達傳統鋰電池的4 倍，因此無人機用氫能源具有很大潛力。同時，用于數據通訊、地面觀測、戰場監控等任務的平流層飛艇等各類浮空器所使用的氦氣十分稀缺，且其進口受到限制，利用阻燃阻爆技術和材料對氫氣進行處理來替代氦氣是未來氫氣應用的一個重要方向。

5.3 鋼鐵冶金

冶金行業是我國重要的經濟支撐行業，也是主要的碳排放行業，全球范圍內鋼鐵工業碳排放占總排放的5%～6%，在中國鋼鐵工業CO2排放占比達15%。傳統高爐煉鐵工藝強烈依賴冶金焦，能耗高、污染重，為了擺脫高爐工藝的固有缺點，氫冶金是當前冶金領域低碳發展的重要方向，已受到國內外廣泛關注。

氫冶金，就是在還原冶煉過程中主要使用氫氣作為還原劑，目前主要有高爐富氫冶煉和氫直接還原工藝。

5.4 交通運輸

將氫燃料電池作為汽車、水運甚至軌道交通的能源，符合科學構建未來國家能源體系需求。總體上看，我國氫燃料電池車輛的發展重點應集中在重型卡車、長距離客貨運輸（包括水運與軌道交通）以及冬季低溫地區客貨運輸3 個領域，與既有電動汽車政策形成互補。研究表明，氫能替代公路貨運獲得的碳減排效果最顯著，1000 萬噸氫用于替代現有燃油貨運汽車可望產生近1 億噸的降碳效果。

電氣化接觸網依然將是高密度交通線路最有效的解決方案。在因運營頻率過低而無法實現固定運營的電氣化線路，以及需要使用大容量電池的長途線路上，氫燃料電池則具有潛在的應用價值。