綠氫的本質(zhì)和意義

田 倩，王卓然，劉 濤，王彥科

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056000）

近兩年，美國、日本、韓國、歐盟均采取了較大的政策力度加碼氫能源產(chǎn)業(yè)，并出臺了相關(guān)經(jīng)濟(jì)路徑規(guī)劃，力爭領(lǐng)跑該賽道。截止到2021年初，全球共有約20個(gè)國家和地區(qū)發(fā)布了氫能發(fā)展規(guī)劃或路線 圖[1]。中國對光伏、風(fēng)電、新能源車的產(chǎn)業(yè)政策大獲成功，度電成本平價(jià)、汽車制造彎道超車，成為全球最具備競爭力的產(chǎn)業(yè)，成了中國制造的名片，給中國進(jìn)一步推動氫能賦予了信心。占據(jù)氫能成本最大的電力會隨著光伏、風(fēng)能度電成本而下降，同時(shí)技術(shù)進(jìn)步及大規(guī)模生產(chǎn)帶來的制造和人力成本的下降[2]。

因此，在全球氫能源產(chǎn)業(yè)資金跑步進(jìn)場，國內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)政策的逐步推進(jìn)，成本不斷下降的三重趨勢下，政府開始密集出臺促進(jìn)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并提出相應(yīng)規(guī)劃。綠氫中的水電解制氫很適合與可再生能源構(gòu)建自體的能源儲備系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)包括存儲范圍大、應(yīng)用范圍廣等。

1 氫氣的來源

在氫氣制取上，目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。其中，化石能源制氫通過裂解煤炭或者天然氣獲得氫氣，俗稱“藍(lán)氫”。工業(yè)副產(chǎn)制氫則是對焦炭、純堿等行業(yè)的副產(chǎn)物進(jìn)行提純獲取氫氣，俗稱“灰氫”。本質(zhì)上兩者的氫氣來源仍為傳統(tǒng)的化石燃料。雖然通過碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放，但長期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。

目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。根據(jù) IRENA 的測算，全球僅有 4%的氫氣來自電解水制氫，其余均來自煤炭、天然氣以及石油煉化領(lǐng)域。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游：氫生產(chǎn)與供應(yīng)；中游：燃料電池及核心零部件；下游：燃料電池應(yīng)用。而在“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)下，目前國內(nèi)煤制氫的占比超過 60%，電解水制氫的比例則不到 2%。可再生能源制氫仍然任重道遠(yuǎn)，未來的發(fā)展空間巨大。

1）化石能源制氫或者是化工副產(chǎn)，這個(gè)大概念下涵蓋了幾乎所有的通過以碳基能源為原料進(jìn)行各種裂解來獲得氫氣，無論“灰藍(lán)”，本質(zhì)差異就是是否對碳基能源中的碳進(jìn)行捕捉和收集，最終轉(zhuǎn)變成工業(yè)氣體進(jìn)行利用或者封存。

這個(gè)路徑的氫氣來源比重會逐步調(diào)整但大概率永遠(yuǎn)不會消失。一是富煤、缺油、少氣的能源基本面決定的，再生能源可以逐步提高比重，但不可能完整替代；二是整個(gè)化工產(chǎn)業(yè)也是會永遠(yuǎn)存在，盡管未來可能有不同的形態(tài)出現(xiàn)。在這個(gè)過程中如果“氫氣”能產(chǎn)生它的附加價(jià)值，那就沒有不存在的道理。對于二氧化碳捕捉的問題，目前CO2捕捉和利用的方式有很多，但有一個(gè)路徑需要特別關(guān)注[3]。將CO2模擬在大氣中的混合成分狀態(tài)下和水發(fā)生催化電解，獲得氫氣、氧氣、一氧化碳。同時(shí)產(chǎn)生三種工業(yè)氣體，方程式如下：CO2+H2O=H2+O2+CO，這種方式不需要高純度的CO2，可以模擬在各種化工或者電力場景下的CO2收集直接加工成可再利用的工業(yè)氣體。

2）以水為原材料、采用電解或者光解或者熱解等方式，脫離碳基能源為原料的方式。這個(gè)路徑上產(chǎn)生的氫氣一般統(tǒng)稱為“綠氫”。

3）其他方式：如生物質(zhì)、廢棄物制氫等方式，暫且忽略催化手段，本質(zhì)上要根據(jù)產(chǎn)生氫氣的直接物質(zhì)是碳基還是水基以及用來水解的能量來源是否清潔來區(qū)分定義為最佳方式。

2 綠氫的本質(zhì)和意義

從全球范圍的政策以及各種研報(bào)以及前沿研究等來看，綠氫逃離不開是以再生能源或清潔能源為能量來源進(jìn)行水電解獲得氫氣以及副產(chǎn)氧氣，至于水電解的能量和催化方式可以是多元化的組合[4]。

綠氫的基本面是基于再生能源的利用，忽略再生能源裝備制造以及水電解制氫設(shè)備生產(chǎn)的碳足跡，基于取之不盡用之不竭的再生能源轉(zhuǎn)化成氫氣這個(gè)過程是脫碳的，所以稱之為綠氫。當(dāng)然核能作為一種特殊的能源，用其來水電解制氫，這種途徑的來源定義成綠氫也可勉強(qiáng)說得過去[5]。

隨著人類社會能源形式從柴薪到煤炭到油氣，再到低碳可再生能源的演變，能源作為人類生存和發(fā)展的基石，向來都是全球各個(gè)區(qū)域體關(guān)注和爭奪的主要物質(zhì)，未來對相對無形的再生能源轉(zhuǎn)化成的相對有形的能源體掌控也不會例外[6]。再生能源和其他能源一樣也存在地域分配不均的問題，所以針對如何轉(zhuǎn)變再生能源成有形的物質(zhì)，如何解決大距離、跨地域的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸也成了關(guān)注的重點(diǎn)。

制約綠氫發(fā)展的因素是成本，綠氫生產(chǎn)成本中占比最高的為電力和電解槽，占比分別為50%和40%，所以降低電價(jià)和電解槽成本是中國實(shí)現(xiàn)綠氫工業(yè)化、規(guī)模化的兩大核心環(huán)節(jié)。隨著光伏、風(fēng)電的進(jìn)一步降本，到 2030 年國內(nèi)部分可再生資源優(yōu)勢區(qū)域，其度電成本到達(dá)到 0.1～0.15 元/kW·h，電解槽目前單位造價(jià)2 500元/W；隨著更大的槽體、更優(yōu)質(zhì)的制造工藝，以及技術(shù)環(huán)節(jié)的精進(jìn)和材料的優(yōu)化，有望降至1 300元/W。屆時(shí)，綠氫成本將從 2020 年的 30.8 元/kg 快速降至 16.9 元/kg，實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià)。這種上游原材料的平價(jià)前景一旦達(dá)成，意味著氫能源的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。

3 綠氫的價(jià)值

1）以當(dāng)下來看，基于電價(jià)或者接近于零成本的電價(jià)（0.2元/kW·h以內(nèi)）才可能和現(xiàn)有的灰藍(lán)氫一較高下。如果僅以淺顯和粗暴的對比綠氫似乎沒有未來，但是賦予其另外一種意義，即不需要額外的碳排，也意味著當(dāng)真正全球交易市場追蹤所有交易物品的碳足跡時(shí)，再額外地征收高額碳稅，這個(gè)時(shí)候綠氫的價(jià)值就不是其他所能比擬的。

丁達(dá)一副沮喪的樣子，頭都懶得抬起來，任由臉朝下埋在地上。盡管希望渺茫，他還是忍不住問道：“鏡心羽衣，你呢？你也像壺天曉一樣，把我看透了嗎？你們智能生物都是這樣先斬后奏嗎？”

2）盡管當(dāng)下碳排的追溯和結(jié)算體制還在摸索和建立的過程中；也盡管這件事在全球范圍內(nèi)會不會有很多的約束力也是未知數(shù)，但低碳或者脫碳已經(jīng)是全球主要國家體的基本共識。

3）在通過累積大容量裝機(jī)堆出來的再生能源無法在高峰出力階段完整消納的問題也需要一個(gè)出口，要想再生能源裝機(jī)量能被最大可能的利用背景下，跨季的儲能尤為重要，至少當(dāng)下除了“綠氫”還沒看到更好的載體，盡管再生能源——?dú)錃猓ɑ蛘邭涞妮d體）—電這個(gè)環(huán)節(jié)還有很多問題沒有克服，但大體上的方向和趨勢是清晰的。氫氣在跨季節(jié)儲能的示范和應(yīng)用在歐洲已經(jīng)有部分家庭或者社區(qū)的應(yīng)用案例，采用蓄電池進(jìn)行短儲，采用氫氣進(jìn)行跨季儲被證明是有效可行的方式[7]。

4 綠氫的應(yīng)用場景

綠氫的應(yīng)用一是作為再生能源的載體；二是部分替代原有的灰藍(lán)氫氣作為一種珍貴工業(yè)原料，比如在化工加氫合成、半導(dǎo)體、特殊燃料、浮法玻璃、新材料、冶煉鋼鐵等行業(yè)；當(dāng)然也包括“氫健康”產(chǎn)業(yè)。

總之，綠氫不僅可以部分替代原有的一些使用場景，更重要的是擔(dān)當(dāng)再生能源轉(zhuǎn)換和存儲的角色之 大任。

5 如何實(shí)現(xiàn)再生能源資源的再分配問題

當(dāng)下比較熱的名詞“液態(tài)陽光”和“氨能”也是這種原理，液態(tài)陽光的基本邏輯是采用再生能源綠氫和CO2合成綠色甲醇，然后把甲醇作為燃料、工業(yè)原料或者重整成氫氣實(shí)現(xiàn)氫氣額遠(yuǎn)距離輸送和便于存儲之目的。“氨能”也稱之為氫能2.0，也是基于綠氫的再加工，和“液態(tài)陽光”有異曲同工之妙。

以上兩種方式表面上看起來是在解決氫氣的儲運(yùn)問題。也看起來比現(xiàn)有的高壓氣態(tài)、超高壓氣態(tài)、液氫、固體儲氫（含配位儲氫）、有機(jī)物儲氫等有更高的儲氫密度，但當(dāng)下的轉(zhuǎn)換效率以及經(jīng)濟(jì)賬仁者見仁智者見智，當(dāng)然現(xiàn)狀都是基于一個(gè)規(guī)模下的成本預(yù)測都會有些偏頗。

放在全球?qū)用鎭砜矗瑢?shí)現(xiàn)綠氫跨區(qū)域的運(yùn)輸其更大意義在于實(shí)現(xiàn)了再生能源的再分配。這一點(diǎn)的屬性對于能源的利用和開發(fā)具有極大的意義。如果再生能源是未來的能源主體之一，各區(qū)域體對其的控制和爭奪激烈程度和任何一種形式的能源爭奪方式并無二般。

6 儲運(yùn)關(guān)鍵指標(biāo)：單位體積密度

氫氣在元素周期表位于第一位，意味著其質(zhì)量小，體積小，因此密度低。氫氣的性質(zhì)十分活躍，很容易泄漏和爆炸，儲運(yùn)過程消耗也大，所以在儲氫罐投入的安全設(shè)計(jì)、存量設(shè)計(jì)成本很高。因此，相較于石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，氫氣在儲運(yùn)環(huán)節(jié)具有天然的劣勢，發(fā)展進(jìn)度緩慢。如果按照方式劃分，氫氣儲運(yùn)可分為氣態(tài)儲運(yùn)、液態(tài)儲運(yùn)以及固態(tài)儲運(yùn)三種。

氣態(tài)儲運(yùn)的成本較低、充放氫速度較快，但儲氫密度與運(yùn)輸半徑較為有限，所以適用于短途運(yùn)輸。氫氣氣態(tài)經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑局限在200km以內(nèi)，每公斤氫運(yùn)輸成本為2元，0～100km運(yùn)輸成本是4元/kg，運(yùn)輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運(yùn)300kg。

中長距離大規(guī)模運(yùn)輸考慮管道和液氫運(yùn)輸，液態(tài)儲運(yùn)的儲氫密度較大，但設(shè)備投資與能耗成本較高；固態(tài)儲運(yùn)則在潛艇等特殊領(lǐng)域有所應(yīng)用，整體仍處于小規(guī)模試驗(yàn)階段。因此，只要是運(yùn)氫氣，總會面臨這個(gè)問題：怎樣在儲運(yùn)瓶里裝更多的氫氣？這又延伸出一條技術(shù)路線：如何增加氫氣單位體積密度。但這個(gè)問題，并不能只靠單一環(huán)節(jié)解決，它需要一整套體系的匹配。

與電解水制氫類似，產(chǎn)業(yè)化程度的提升將有效降低氫氣儲運(yùn)的成本，儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與完善是后續(xù)氫能規(guī)模化發(fā)展的前提。考慮到未來氫能的終端應(yīng)用場景將更為豐富，氫氣的儲運(yùn)環(huán)節(jié)也將朝多層次、體系化的方向演進(jìn)。氣態(tài)儲運(yùn)方面就是增壓減重，從儲氫密度、輕量化等角度出發(fā)，提升技術(shù)及相應(yīng)材料。

液態(tài)儲運(yùn)可以有效增加運(yùn)輸量，達(dá)到氣態(tài)儲運(yùn)的10倍，也是一個(gè)很好的方向，目前國外技術(shù)相對成熟，國內(nèi)主要應(yīng)用在航空領(lǐng)域，未來隨著規(guī)模化開展以及技術(shù)成熟，商用/民用有望得到進(jìn)一步發(fā)展。另外就是建立輸氫管道，加強(qiáng)基礎(chǔ)建設(shè)。而終端用氫需求，加氫站是必不可少的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

新能源的商業(yè)化應(yīng)用一定是基礎(chǔ)建設(shè)先行，加氫基礎(chǔ)建設(shè)是未來中國新基建的重點(diǎn)內(nèi)容，隨著氫燃料電池汽車應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，加氫站的市場需求也逐步提升。

目前加氫站建設(shè)成本仍然過高，隨著國產(chǎn)設(shè)備突破和規(guī)模化生產(chǎn)，加氫成本會大幅下降，預(yù)計(jì)2050年成本為800萬左右，將達(dá)到1.2萬座，在2050年達(dá)到千億元的市場規(guī)模。

新能源能否大力發(fā)展下去不只要看其物理、化學(xué)屬性，也要看商用場景，氫能源車就是最有發(fā)展前景的應(yīng)用，新能源車的動力是最核心的環(huán)節(jié)，同時(shí)適用于氫能能源。

7 結(jié)束語

當(dāng)氫氣不再是氫氣，而是一種再生能源的載體，甚至是未來的主要能源形式之一，那其本身的屬性也發(fā)生了質(zhì)的變化，衡量其的價(jià)值或者是定價(jià)規(guī)則也不僅是當(dāng)下的基礎(chǔ)電價(jià)和電解槽設(shè)備的攤銷，更多的可能是一種國際認(rèn)可與能源消耗的關(guān)注與創(chuàng)新。