“綠氫”制備需突破三大瓶頸

／工業和信息化部賽迪研究院 崔志廣 李歡 趙衛東 ／

“綠氫”將是解決可再生能源轉型中大規模、長周期能源存儲與多元化終端利用的主要方式之一。“綠氫”是推動全球能源結構轉型，應對氣候變化的重要能源載體，具有實現二氧化碳深度減排氣候目標的潛力。

氫能作為一種綠色低碳、來源豐富、應用廣泛的二次能源，在全球低碳發展背景下，正逐步成為能源轉型的重要載體。我國已將氫能列為未來能源體系的重要組成部分，視為戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。目前我國氫氣年產量約3300萬噸，主要為化石能源制氫，制備過程碳排放量大，利用風能、太陽能等可再生能源電解制氫的“綠氫”1僅約占1%。為促進能源轉型以及工業、交通、建筑等領域深度脫碳，實現碳達峰碳中和目標，亟待發展“綠氫”產業，破解“綠氫”制備成本高、產用氫空間分布不匹配、裝備規模化三大瓶頸。

一、發展“綠氫”的意義

（一）“綠氫”是實現能源轉型的主要載體

氫氣具有可儲存、能量密度大、使用過程零污染、零碳排的特點，是可再生能源的主要載體之一，兼有動力和儲能的性能，同時作為無碳工業原料，具有不可替代性。“綠氫”將是解決可再生能源轉型中大規模、長周期能源存儲與多元化終端利用的主要方式之一。“綠氫”是推動全球能源結構轉型，應對氣候變化的重要能源載體，具有實現二氧化碳深度減排氣候目標的潛力。

（二）“綠氫”是工業深度脫碳的重要支撐

工業是產生碳排放的主要領域，鋼鐵、水泥、合成氨、乙烯等工業因生產工藝消耗化石能源、原料特性，難以直接應用可再生能源或電氣化技術進行深度脫碳。“綠氫”可以作為原料或燃料，取代以化石原料、燃料為基礎的生產工藝，促進重點行業深度脫碳。

（三）“綠氫”是交通建筑領域脫碳的重要選擇

交通運輸和建筑領域目前以化石能源消費為主，“綠氫”可以作為交通運輸和建筑供熱領域深度脫碳的方式，在需要高能源密度電池（如重型商用車），氫燃料電池比普通電池更具競爭優勢。同時在天然氣中摻加綠色低碳氫，有助于家庭燃氣具以及供熱領域深度脫碳。

二、“綠氫”制備面臨的三大瓶頸

（一）瓶頸一——成本高

“綠氫”制備成本主要分為設備成本、能源成本等，其中設備折舊成本約占總成本的40%~50%。一是制氫關鍵設備成本高，比如目前適用于可再生能源的質子交換膜生產工藝，由于質子交換膜和鉑電極催化劑等關鍵組件成本較高，導致PEM電解槽制造成本較高。二是制氫設備利用率低，采用光伏、風能等可再生能源發電制取氫氣，受可再生能源發電時間短影響，制氫設備電解槽等利用率低，增加了設備折舊成本占比，間接增加了制氫成本。三是可再生能源發電時間占比小，可再生能源發電受自然條件限制，發電波動性大。比如2021年全國光伏發電利用小時數為1163小時，利用小時最高的內蒙古為1558小時，利用率為17.78%。全國風力發電利用小時數為2246小時，利用小時數為2836小時，利用率為32.37%。在不考慮電解設備檢修的情況下，直接利用光伏發電電解水制氫設備利用率不到1/5，直接風力發電電解水制氫設備的利用率最高也不到1/3。

（二）瓶頸二——空間分布不匹配

一是可再生能源與用能產業存在空間錯位，我國光伏、光熱、風電等再生能源集中在太陽能光照充裕的西北、東北等地區，而高耗能、高碳排且難以脫碳的鋼鐵、煤化工、水泥等工業以及氫燃料電池汽車交通工具，大多集中在東中部經濟發達地區，與可再生能源制氫空間分布上存在不均衡。二是可再生能源與水資源存在空間錯位，可再生能源電解水制氫原材料為水，我國水資源分布南方多、北方少，在西北、東北等可再生能源豐富的地區水資源相對缺乏。三是長距離輸送能源效率低、能耗損失大，在清潔能源逐漸占主導地位的情況下，靠特高壓和輸氣管道來輸電輸氣，工程浩大，而且時間緊張，容量不夠。

（三）瓶頸三——裝備規模化有待突破

氫能尚處于產業化初級階段，產業化仍存在諸多瓶頸，規模化效應尚未形成。一是電解槽不滿足大規模工業化需求。我國電解水制氫項目當前最大的電解功率為2.5兆瓦，產能僅約1.12噸氫氣／天，相較德國、日本等國家存在一定差距，不足以滿足工業領域的大規模用氫需求。二是實現規模化應用關鍵設備還有待提升。日均生產10噸以上的氫液化技術及裝備，DN50以上液氫閥門、膨脹機、液氫泵等關鍵設備制造等還未能國產化。三是適應可再生能源波動性的技術裝備還有待完善，如風電制氫系統中抗風電大范圍擾動的電解槽設計技術尚處于研發階段。

三、促進“綠氫”發展的建議

（一）政府層面加大培育支持力度

一是研究制定支持可再生能源制氫的政策傾斜與激勵，降低可再生能源制氫的能源成本。二是結合清潔能源開發情況調整優化產業布局，推動高耗能、高排放產業向西北、東北地區規模化、有序化轉移，結合氫能在“源端”和“荷端”的發展路徑，引導各地走差異化發展道路。三是聚焦制氫關鍵核心技術，通過揭榜掛帥、首臺套重大技術裝備、稅收優惠等方式促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示范到產業化轉化的創新能力提升。

（二）行業層面多途徑促進制氫用氫協同發展

一是加快可再生能源電力制氫設計規范等“綠氫”制備標準制定，促進行業規范化發展。二是建設一批各具特色、優勢互補的氫能產業集群，因地制宜地探索不同“綠氫”制備技術路線、儲運技術路線、應用場景有機結合的可行性。三是強化科技創新與產業化銜接，推動“綠氫”成本快速下降。四是儲備研發光解水和生物質氣化制氫等技術路線，促進我國“綠氫”核心技術全面、自主的持續發展，力爭“綠氫”技術成為繼光伏、風電之后的全球領先行業。

（三）企業層面多途徑降低可再生能源制氫成本

一是研發混合可再生能源互補系統，延長可再生能源供電時間，提高電解設備利用率。二是充分利用電解水制氫的副產品氧氣，促進產業上下游協同，提高項目整體經濟性。三是加大大型電解槽的研發應用，開發可替代材料及催化劑，減少電解槽關鍵材料以及貴金屬催化劑的使用。四是積極開展產業化示范，促進制氫規模化發展，帶動制氫成本下降。