氫能、碳減排與可持續(xù)發(fā)展

張春暉,肖 楠,蘇佩東,唐元暉,吳盟盟,劉新民,劉建軍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083; 2.中關(guān)村至臻環(huán)保股份有限公司,北京 100070)

化石能源是決定當(dāng)今文明的本源,然而,自從18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái),人類消耗煤炭等化石燃料向大氣中排放二氧化碳和氣態(tài)污染物的數(shù)量不斷增加,導(dǎo)致生態(tài)破壞、環(huán)境污染以及地球的大氣層充滿過(guò)多的二氧化碳?xì)怏w,使太陽(yáng)照射到地球的熱量無(wú)法得到有效擴(kuò)散,地球產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。溫室效應(yīng)導(dǎo)致了全球氣候變暖、土地沙漠化、病蟲(chóng)害增加和極端氣候的加劇等自然危害,溫室效應(yīng)還會(huì)導(dǎo)致氣候變暖使南北極冰川融化,從而導(dǎo)致海平面上升、農(nóng)作物減產(chǎn)和冰川融化等社會(huì)危害[1]。因此,近幾十年來(lái),各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極地采用太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、氫能、生物能、核能、地?zé)崮堋⒊毕艿刃履茉刺娲鷤鹘y(tǒng)化石燃料方面的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。其中,由于氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)(在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn),它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%),氫氣在世界能源(以及經(jīng)濟(jì))中完全取代所有化石燃料的問(wèn)題現(xiàn)在具有戰(zhàn)略意義[2]。氫能作為替代能源,具有諸多優(yōu)勢(shì),如氫具有燃燒熱值高的特點(diǎn),是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍;氫燃燒的產(chǎn)物是水,是最干凈的能源;氫能具有儲(chǔ)量大、轉(zhuǎn)化效率高、沒(méi)有溫室氣體排放、便于貯存和運(yùn)輸且安全性高等優(yōu)勢(shì)。氫能在21世紀(jì)有可能成為一種舉足輕重的能源。隨著氫氣“產(chǎn)、儲(chǔ)、運(yùn)”相關(guān)技術(shù)的逐步成熟,氫能的各項(xiàng)成本快速下降,其應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的潛力日益顯現(xiàn)。到2030年,氫能將為煉油、化肥、汽車燃料等22種終端應(yīng)用市場(chǎng)提供強(qiáng)有力的碳減排解決方案,也將成為最具有競(jìng)爭(zhēng)力的能源替代品(圖1)[3]。當(dāng)前,氫能已成為國(guó)際議程的熱點(diǎn)話題。中國(guó)氫能聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出,在全球GDP占比近44%的20多個(gè)國(guó)家中,具有完整國(guó)家級(jí)氫能戰(zhàn)略的國(guó)家有9個(gè),同時(shí)還有11個(gè)國(guó)家正在規(guī)劃國(guó)家級(jí)別的氫能戰(zhàn)略。國(guó)際氫能理事會(huì)預(yù)測(cè),到2050年,氫能將占世界能源總量的18%[4]。

圖1 氫能作為替代能源的優(yōu)勢(shì)Fig.1 The advantage of hydrogen energy as an alternative energy source

自從2020年9月我國(guó)承諾2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)后,作為世界最大的能源消費(fèi)國(guó)和碳排放國(guó),實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)對(duì)我國(guó)能源和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提出了更高要求。根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)2020》,氫能將為2060年“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出重大貢獻(xiàn),在重工業(yè)、運(yùn)輸及供暖等高碳排放行業(yè)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用,屆時(shí)氫氣的年需求量將從目前3 300多萬(wàn) t增加到1.3億 t左右,能源結(jié)構(gòu)向可再生能源占主體方向轉(zhuǎn)型(圖2)[5]。然而,目前我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中化石能源占比仍高達(dá)80%以上,我國(guó)要在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的前提下實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”仍然任重道遠(yuǎn)。因此,氫能作為完全零排放的清潔能源,其大規(guī)模應(yīng)用可幫助人們?cè)诠まr(nóng)業(yè)活動(dòng)和生活中實(shí)現(xiàn)脫碳、固碳甚至負(fù)碳,并有可能使我國(guó)在可持續(xù)發(fā)展的前提下,提前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)[6]。

圖2 中國(guó)能源體系的轉(zhuǎn)型[5]Fig.2 Transformation of China’s energy system

我國(guó)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中將氫能和儲(chǔ)能列為前瞻謀劃的六大未來(lái)產(chǎn)業(yè)之一。截至2021年底,全國(guó)已有16個(gè)省(或市、自治區(qū))制定了氫能發(fā)展規(guī)劃,北京、山東、河北、天津、四川、浙江和寧夏等省市發(fā)布了氫能相關(guān)政策或規(guī)劃,明確了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo),其余省市則頒布了包括氫燃料汽車在內(nèi)的一系列政策規(guī)劃,確立了氫能產(chǎn)業(yè)的建設(shè)目標(biāo)。目前,北京市把氫能產(chǎn)業(yè)主要聚集在大興氫能示范區(qū)、中關(guān)村(房山)氫能產(chǎn)業(yè)園、中關(guān)村延慶園氫能產(chǎn)業(yè)園和昌平區(qū)能源谷4個(gè)集中區(qū)域,在投資、優(yōu)惠政策和產(chǎn)業(yè)孵化等方面給予相關(guān)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)大力支持。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的測(cè)算,到2030年,中國(guó)氫能需求將由目前的2 000多萬(wàn) t提高到3 500萬(wàn) t,在終端能源占比中占比由不到3%提升至5%;到2050年,氫能的需求量將進(jìn)一步提升至6 000萬(wàn) t,其在終端能源中的占比也將提升至10%以上,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值可達(dá)12萬(wàn)億元。

然而,對(duì)于氫能的大規(guī)模應(yīng)用,還急需解決制氫成本的經(jīng)濟(jì)性、儲(chǔ)氫和氫能使用過(guò)程中的安全性以及氫能應(yīng)用中的高效性(即儲(chǔ)氫密度與儲(chǔ)氫速率)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[7]。本文將重點(diǎn)從制氫、儲(chǔ)氫和氫能應(yīng)用等方面介紹氫能發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),并探討氫能發(fā)展與碳減排和可持續(xù)發(fā)展之間的內(nèi)在聯(lián)系,力求為后續(xù)研究提供方向性參考。

1 氫能發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1.1 氫能發(fā)展歷史

1970年,氫經(jīng)濟(jì)(Hydrogen Economy)概念由John Bockris 在美國(guó)通用汽車公司技術(shù)中心演講時(shí)首次提出。氫經(jīng)濟(jì)是將氫作為一種低碳燃料使用,如用于供暖、氫能汽車、季節(jié)性能源儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離能源運(yùn)輸?shù)取榱酥鸩教蕴剂喜⑾拗迫蜃兣?氫開(kāi)始被用作燃燒燃料,只向大氣釋放干凈的水,而不向大氣釋放二氧化碳。早在20世紀(jì)90年代中期,氫就作為環(huán)保的可持續(xù)能源而得到重視,但此后至今幾十年的發(fā)展進(jìn)程卻與人們的期望相差甚遠(yuǎn)。截至目前,氫氣主要用作生產(chǎn)氨、甲醇和煉油過(guò)程等的工業(yè)原料。氫能作為一個(gè)“產(chǎn)業(yè)”在各國(guó)都處于初步發(fā)展階段[8]。

氫能的相關(guān)環(huán)節(jié)與涉及領(lǐng)域逐漸細(xì)化,產(chǎn)業(yè)鏈也日益完善,主要可分為上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)和下游應(yīng)用。目前,我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,無(wú)論從制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)氫,還是在氫能利用方面都還尚屬萌芽階段。氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括電力、供暖、交通運(yùn)輸、軍事、建筑供熱、氫能冶金和氫能化工等。其中,交通運(yùn)輸領(lǐng)域中氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的熱度最高。迄今為止,具有相關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)政策的省市區(qū)幾乎都以燃料電池汽車及其產(chǎn)業(yè)鏈作為氫能發(fā)展的重點(diǎn)與主導(dǎo)方向[9]。今后一段時(shí)間,我國(guó)將以交通運(yùn)輸領(lǐng)域作為應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展的突破口,逐步向儲(chǔ)能、工業(yè)和建筑領(lǐng)域氫能應(yīng)用等方向發(fā)展[10]。

1.2 氫能發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 制氫

氫作為二次能源,又稱能源載體,獲取渠道多種多樣,按照所需原料和資源(天然氣、石油、煤炭、生物質(zhì)、水等)以及相關(guān)的溫室氣體排放情況,依照慣例通常按照低二氧化碳、無(wú)二氧化碳和無(wú)碳生產(chǎn)工藝路線,可把制氫過(guò)程大體分為灰氫、藍(lán)氫、藍(lán)綠氫和綠氫[11],如圖3所示。

在未來(lái)的氫經(jīng)濟(jì)中,要求最大限度地減少氫氣生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。基于產(chǎn)氫過(guò)程對(duì)外在環(huán)境的影響程度,一般把傳統(tǒng)的通過(guò)煤、石油或天然氣等化石能源重整或冶金、焦化等過(guò)程的工業(yè)副產(chǎn)品提取得到的氫稱為“灰氫”,雖然上述技術(shù)已相對(duì)成熟,成本也已得到有效控制,但在生產(chǎn)過(guò)程中依舊會(huì)帶來(lái)二氧化碳排放。將“灰氫”與碳捕獲和封存技術(shù)相結(jié)合所制備出的氫氣稱為“藍(lán)氫”,“藍(lán)氫”過(guò)程具有低二氧化碳排放的特征。“藍(lán)綠氫”過(guò)程則在“藍(lán)氫”的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了碳的轉(zhuǎn)化利用并制成含碳副產(chǎn)品。“綠氫”指通過(guò)水電解產(chǎn)生的氫,這一過(guò)程屬于清潔、綠色的可再生制氫,但成本是限制其進(jìn)一步發(fā)展的最大阻力。“藍(lán)綠氫”和“綠氫”過(guò)程都沒(méi)有二氧化碳?xì)怏w排放[11]。

目前,在我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本組成中,制氫所需成本占總比超過(guò)50%,占比最高。因此,上游制氫環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)布局將對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展起到重要支撐作用。如今,中國(guó)已經(jīng)是世界制氫第一大國(guó),2021年,中國(guó)氫氣產(chǎn)量約為3 300萬(wàn) t,位居全球第一。從制氫方式上來(lái)分,制氫可分為化石燃料制氫(如石油和煤制氫)、工業(yè)副產(chǎn)品制氫(如氯堿副產(chǎn)品制氫、焦?fàn)t氣制氫、丙烷脫氫和乙烷裂解制氫等)、高溫分解制氫(如甲醇裂解和氨分解等)、電解法制氫(如水電解、光解水、風(fēng)能和核能制氫等)和其他方式制氫(如生物質(zhì)制氫和微生物制氫等)。中國(guó)地大物博,化石能源豐富,若能將其與碳捕獲、利用和封存技術(shù)相結(jié)合,將為我國(guó)帶來(lái)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的規(guī)模化氫能供應(yīng)。目前,我國(guó)氫能供給結(jié)構(gòu)中 99%以上的氫能來(lái)自化石能源制氫。然而,化石燃料制得的氫畢竟屬于“灰氫”,有二氧化碳排放,不是最環(huán)保的。工業(yè)副產(chǎn)品制氫占比小,難以形成規(guī)模。對(duì)于生物質(zhì)和微生物制氫,由于制氫速率慢,距離規(guī)模化應(yīng)用還有很大一段距離。

近年來(lái),作為“綠氫”的電解水制氫,越來(lái)越受到人們重視,雖然目前我國(guó)電解水制氫占比不足 1%[12]。由于電解水制氫過(guò)程無(wú)二氧化碳排放,因此,電解水制氫是我國(guó)氫能真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的工藝路線。但制氫的昂貴成本導(dǎo)致電解水制氫目前還難以得到大規(guī)模推廣。目前,電解水制氫成本接近30元/kg,主要是電耗(按目前工業(yè)用電價(jià)格0.4元/kWh計(jì)),遠(yuǎn)高于天然氣制氫或煤制氫10～15元/kg的制氫成本,毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)的電力系統(tǒng)主要由火電驅(qū)動(dòng),若將其運(yùn)用于電解制氫,火電過(guò)程的碳排放強(qiáng)度不僅高于煤制氫與天然氣制氫,更會(huì)與“雙碳”政策背道而馳[13]。目前,中國(guó)是世界上最大的可再生能源發(fā)電國(guó),若能將每年廢棄的風(fēng)能、光能和水能轉(zhuǎn)換成電能用于電解水制氫,可產(chǎn)氫氣約200萬(wàn) t。隨著國(guó)家、地方政策的推進(jìn)與科技的進(jìn)步,中國(guó)可再生能源格局不斷壯大,若能將電解水與光伏、風(fēng)電等可再生電力耦合,則可實(shí)現(xiàn)綠色制氫的規(guī)模化推廣。

1.2.2 儲(chǔ)氫運(yùn)氫

儲(chǔ)氫方式類型較多,其中以壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫和液氨/甲醇儲(chǔ)氫等較為常見(jiàn)。目前,壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫以其初始投資成本低、技術(shù)難度低等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要用于航空領(lǐng)域,民用領(lǐng)域有待進(jìn)一步推廣。液氨/甲醇儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫目前主要處在研發(fā)階段。儲(chǔ)氫的關(guān)鍵問(wèn)題是能效和安全。目前普遍采用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式存在儲(chǔ)氫密度低、壓縮能耗高和儲(chǔ)氫罐體體積小、成本高等缺點(diǎn)。

氫的運(yùn)輸按照氫的形態(tài)可分為氣態(tài)運(yùn)輸、液態(tài)運(yùn)輸和固體運(yùn)輸。按運(yùn)輸方式可分為陸運(yùn)、海運(yùn)和管道運(yùn)輸。其中,氣態(tài)和液態(tài)運(yùn)輸是目前主流的運(yùn)氫方式。高壓氣態(tài)運(yùn)輸主要有拖車汽運(yùn)和管道運(yùn)輸2種方式。韓國(guó)主要采用“高壓氣態(tài)+管道”的運(yùn)輸方式,日本正在探索通過(guò)液氫船將澳大利亞褐煤制氫通過(guò)海運(yùn)運(yùn)回日本國(guó)內(nèi)。我國(guó)現(xiàn)階段氫的運(yùn)輸方式主要以20 MPa高壓氣氫拖車為主。在加氫站日需求量500 kg以下及短距離運(yùn)輸?shù)那闆r下,氫氣拖車是比較經(jīng)濟(jì)的。但對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸來(lái)講,則應(yīng)該考慮管道輸氫[14]。鑒于成本以及技術(shù)制約,固態(tài)氫氣運(yùn)輸目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段。近年來(lái),在我國(guó)和西方發(fā)達(dá)國(guó)家,氫燃料電池新能源汽車的增長(zhǎng)很快。燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)加氫站的建設(shè),加氫站能夠?yàn)槿剂掀囈约坝脷溲b置的重要供氫氣場(chǎng)所。我國(guó)在氫能加注方面,累計(jì)已建成加氫站超過(guò)250座,約占全球總數(shù)的40%,加氫站數(shù)量居于世界第一。35 MPa智能快速加氫機(jī)和70 MPa一體式移動(dòng)加氫站技術(shù)也取得了較大進(jìn)展[15]。

1.2.3 氫能應(yīng)用

氫能主要以燃燒和通過(guò)燃料電池發(fā)電的形式在工業(yè)和民用中得到應(yīng)用,如汽車、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料,以及以氫作燃料的叉車、有軌電車、電船等[16]。其中,氫燃料電池汽車備受矚目,氫燃料電池可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為電能,是目前氫能的重要應(yīng)用領(lǐng)域。氫燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比污染更低,與電動(dòng)汽車相比,則有續(xù)航長(zhǎng)、加注時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。因此,其在未來(lái)有望得到極大發(fā)展[17]。我國(guó)氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。截至2021年,全球主要國(guó)家氫燃料電池汽車保有量為49 562輛,中國(guó)占18%,保有量約為8 922輛。

氫能源在工業(yè)方面的應(yīng)用有:航天火箭的燃料供給、集成電路板的批量生產(chǎn)、作集體管和顯像管的保護(hù)氣,以及采用燃料油、粗柴油和重油來(lái)制造氫氣等。在冶金行業(yè)中,還原劑常選用氫氣,一方面可作金屬加工過(guò)程的高溫保護(hù)氣體,另一方面則可以在精細(xì)有機(jī)物加工過(guò)程中作原料合成氨氣。近年來(lái),對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域氫能應(yīng)用,我國(guó)也有了長(zhǎng)足進(jìn)展。例如,山西某鋼鐵集團(tuán)憑借其在鋼鐵、化工、焦化行業(yè)的能源互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)帶頭設(shè)下了“鋼—焦—化—?dú)洹钡娜]環(huán)低碳產(chǎn)業(yè)布局,以高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煤氣合成乙二醇、液化天然氣、氫氣等產(chǎn)物,在降低污染、減少碳排放之余,還可在高爐中實(shí)現(xiàn)氫能冶煉。我國(guó)公司正在和德國(guó)公司合作,開(kāi)展煤化工副產(chǎn)品制氫及應(yīng)用方面的前期工作。

2 氫能未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 制氫

鑒于采用化石燃料產(chǎn)氫的“灰氫”路線具有不環(huán)保、運(yùn)行成本高且排放二氧化碳總量高等問(wèn)題,通過(guò)資料和實(shí)地調(diào)研、專家咨詢等方法,筆者認(rèn)為未來(lái)制氫產(chǎn)業(yè)最有發(fā)展前景的有:褐煤等低階煤制氫、電解水制氫和微生物制氫等幾種形式。

褐煤是煤化程度最低的礦產(chǎn)煤,化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),在空氣中容易風(fēng)化,不易儲(chǔ)存和運(yùn)輸,燃燒時(shí)對(duì)空氣污染嚴(yán)重。因此,如何高效利用褐煤是近年來(lái)煤炭科研工作者的重要任務(wù)之一。太原理工大學(xué)劉靜雅[18]采用褐煤和造紙黑液制備成水煤漿作為煤制氫的反應(yīng)介質(zhì),以水煤漿為原料,采用超臨界方法,可在同一反應(yīng)體系中完成煤的熱解、氣化、凈化、轉(zhuǎn)化以及分離過(guò)程,縮短工藝流程,反應(yīng)介質(zhì)為水,成本低,可以免去煤的干燥過(guò)程,且無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題。昆明理工大學(xué)王奕雪等[19]采用間歇式超臨界水反應(yīng)裝置,以滇池疏浚底泥和褐煤為原料進(jìn)行超臨界水氣化制氫實(shí)驗(yàn),得到較高的碳?xì)饣屎彤a(chǎn)氫率,并同時(shí)可達(dá)到處置底泥的目的。對(duì)于以化石燃料為原料的“灰氫”路線,褐煤制氫,尤其是褐煤礦坑口制氫,可望成為未來(lái)規(guī)模制氫的技術(shù)路線之一。

目前工業(yè)上常用的制氫方式中,電解水制氫所占比例很小,約4%,遠(yuǎn)低于工業(yè)副產(chǎn)品和工業(yè)廢氣制氫、煤制氫和天然氣制氫的規(guī)模。目前新能源電解水制氫的發(fā)展瓶頸主要是電解水制氫設(shè)備成本和電耗成本較高,隨著電解槽、電極、雙極板成本的下降和光能、風(fēng)能等新能源發(fā)電成本的降低,以新能源作為能源供給的電解水為主流工藝的“綠氫”路線將會(huì)越來(lái)越普及,這種方法也被稱為“多能互補(bǔ)制氫”[20]。據(jù)國(guó)家發(fā)改委在《中國(guó)2050年光伏發(fā)展展望(2019)》中的預(yù)測(cè),未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)光伏發(fā)電成本將有大幅下降,預(yù)計(jì)到2035年光伏發(fā)電成本可下調(diào)至當(dāng)前成本的50%,達(dá)到0.2元/kWh,到2050年更是可下調(diào)至當(dāng)前的30%,達(dá)到0.13元/kWh。電力成本的變動(dòng)會(huì)對(duì)氫氣成本帶來(lái)一定影響,前者每下調(diào)0.1元/kWh,后者便會(huì)隨之下調(diào)0.5元/m3。按上述預(yù)測(cè)基準(zhǔn),到2035年和2050年,制氫成本將會(huì)有較大變化,分別為1.67元/m3和1.32元/m3,從而接近和低于當(dāng)前成本最低的煤制氫。若屆時(shí)有相關(guān)政策的支持,電解制氫成本將有望與化石能源制氫成本相接近[21]。采用風(fēng)能、光能等新能源電解水制氫的工藝路線如圖4所示。

除上述降成本方式外,還可以通過(guò)提升電解槽效率的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn),即通過(guò)材料創(chuàng)新、技術(shù)融合等形式研發(fā)高性能的電極材料,對(duì)槽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在提升轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)降低成本與功耗。其中,電極材料的提升對(duì)電解水制氫的效能提升和成本降低最為有效。近年來(lái),我國(guó)公司開(kāi)發(fā)出孔隙率高、孔徑均勻的多孔金屬電極用于電解水制氫,極大地降低了電解水制氫的成本,是一種積極的嘗試。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉,電解水制氫占比將達(dá)到64%,灰氫占比將達(dá)到21%。

氫氣還可以利用工農(nóng)業(yè)廢料通過(guò)微生物發(fā)酵制取,即微生物制氫。微生物產(chǎn)氫最大的優(yōu)點(diǎn)是低能耗,最大的缺點(diǎn)是產(chǎn)率慢。煤炭地下生物氣化是利用微生物在地下將煤中有機(jī)組分進(jìn)行多級(jí)降解后將固態(tài)資源轉(zhuǎn)化為氣態(tài)資源的一種開(kāi)采方法。近年來(lái),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)肖棟研究團(tuán)隊(duì)在煤炭高效制氫菌的篩選與富集方面取得了一定的研究進(jìn)展。迄今為止,微生物產(chǎn)氫工藝還剛剛起步,且均處實(shí)驗(yàn)室階段,難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,無(wú)論是技術(shù)成熟度還是技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,都無(wú)法與工業(yè)產(chǎn)氫相比。微生物產(chǎn)氫技術(shù)在工業(yè)化應(yīng)用的路上還需有一段時(shí)間成長(zhǎng),但其潛力無(wú)疑是巨大的[22]。

2.2 儲(chǔ)氫運(yùn)氫

氫氣能否得到安全、高效利用,能否得到大規(guī)模發(fā)展,其關(guān)鍵就在儲(chǔ)運(yùn)。目前,氫氣的儲(chǔ)存已較為成熟,常規(guī)途徑主要有物理類固態(tài)儲(chǔ)氫(如多孔材料及金屬合金等)、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫及深冷液化儲(chǔ)氫等。常規(guī)的壓縮氣體罐無(wú)法提供較高的儲(chǔ)存效率,而液氫的貯存則需能提供-253 ℃條件的深度制冷技術(shù),該技術(shù)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)于氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫和輸運(yùn),若未來(lái)能夠使用現(xiàn)有的石油和天然氣運(yùn)輸管道及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸石油或天然氣的海運(yùn)方式,則會(huì)大大降低氫的運(yùn)輸成本,是一種非常值得研究的運(yùn)氫方式。

在上述3種儲(chǔ)氫方式中,固態(tài)儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)明顯、便于管理,也最具有發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖磥?lái),儲(chǔ)氫合金技術(shù)的發(fā)展與普及有望使固態(tài)儲(chǔ)氫方式成為主流。此外,無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫和有機(jī)物儲(chǔ)氫2種形式隨著對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫的研究深入而出現(xiàn)。其中,無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫是利用化學(xué)鍵和離子型非金屬氫化物之間的交互作用對(duì)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存,釋放氫氣的原理則和儲(chǔ)氫合金類似,在加熱后儲(chǔ)存的氫氣便會(huì)被釋放;有機(jī)物儲(chǔ)氫是一種備受矚目的儲(chǔ)氫技術(shù),是以苯或甲苯等液態(tài)試劑為反應(yīng)物,通過(guò)與氫生成環(huán)乙烷來(lái)實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存,這種方式不需要耐高壓裝置,但在釋放時(shí)需要催化劑進(jìn)行脫氫反應(yīng)[23]。同時(shí),對(duì)于使用終端,盡快增大加氫站的數(shù)量也至關(guān)重要。

2.3 氫能應(yīng)用

在我國(guó),氫燃料汽車電池的發(fā)展最為迅速。如今,內(nèi)燃機(jī)已不再能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求,被其他綠色能源替代是其難以逃避的命運(yùn)。燃料電池的高轉(zhuǎn)化效率、極致的碳減排能力使其成為最有潛力的替代品。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》指出,到2025年將初步建立較為完整的氫能供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)體系,氫燃料電池汽車保有量約為5萬(wàn)輛。有學(xué)者認(rèn)為,如果燃料電池以目前的速度繼續(xù)發(fā)展,最后一家汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠可能會(huì)在21世紀(jì)中葉關(guān)閉[24]。但目前氫燃料電池還有很多問(wèn)題尚未解決,比如氫燃料電池的能量密度不高。以1 m3容積的油箱為基準(zhǔn),目前鉛酸電池的能量密度約為90 kWh/m3,燃料電池的能量密度約為260 kWh/m3。而汽油的能量密度約為8 600 kWh/m3,柴油的能量密度約為9 600 kWh/m3。因此,如何提高氫燃料的能量密度,是擺在科研工作者面前最艱巨的任務(wù)[25]。另外,一定要解決好氫的安全性。氫氣是最輕的氣體,它的擴(kuò)散性極強(qiáng),在密閉有限空間如何防止和處置火災(zāi)和爆炸等風(fēng)險(xiǎn),也是亟待解決的課題[26]。目前,我國(guó)氫燃料電池和氫能汽車的發(fā)展與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還相差甚遠(yuǎn),其原因可歸結(jié)于氫燃料電池汽車的技術(shù)與成本問(wèn)題。相比于主流的電動(dòng)汽車,氫燃料電池汽車需要有更復(fù)雜的技術(shù)體系支撐,這也就意味著其需要大量的資金投入,然而我國(guó)目前在該方面尚處劣勢(shì),難以實(shí)現(xiàn)全面追趕。在國(guó)內(nèi),只有上汽對(duì)氫燃料電池汽車進(jìn)行了部署規(guī)劃,而其他汽車企業(yè)均未有實(shí)質(zhì)性研發(fā)落地。受技術(shù)限制,催化劑、雙極板等核心材料以及高壓儲(chǔ)氫罐、空壓機(jī)等重要零部件基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,產(chǎn)業(yè)鏈更是無(wú)從談起。即便如此,隨著我國(guó)“雙碳”政策推進(jìn),我國(guó)氫能源車產(chǎn)量銷量增長(zhǎng)迅速。2021年銷量達(dá)1 586輛,同比2020年增長(zhǎng)35%左右,近5年整體呈產(chǎn)銷量上升趨勢(shì)。實(shí)際上,氫能源汽車有電池和內(nèi)燃機(jī)2種發(fā)展路徑。若要細(xì)分,在氫內(nèi)燃機(jī)方面,還可根據(jù)氫的占比分為純氫內(nèi)燃機(jī)和氫與天然氣混合內(nèi)燃機(jī)。氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)是將氫和氧進(jìn)行催化反應(yīng)而為電動(dòng)機(jī)提供電能,驅(qū)動(dòng)汽車行駛;而氫燃料內(nèi)燃機(jī)則是把汽油換成氫,直接在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中燃燒并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛。在氫燃料電池中氫和氧經(jīng)催化后直接產(chǎn)生電能,過(guò)程中不發(fā)生燃燒,是一種低溫反應(yīng),效率高、無(wú)污染,其燃料利用效率可以達(dá)到氫內(nèi)燃機(jī)的1.5倍[27]。此外,由于其無(wú)需燃燒的特性,尾氣中也不會(huì)存在氮氧化物,能夠有效解決現(xiàn)有汽車尾氣的環(huán)境污染難題。因此,氫燃料電池被業(yè)界公認(rèn)為是新能源汽車的最佳解決方案。然而,高成本、低能量密度、可靠性差的標(biāo)簽還未從氫燃料電池上摘下,氫燃料電池汽車的規(guī)模化普及還有待時(shí)日,為其提供氫能保障的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也就難以得到重視,此時(shí)便需要一種能暫時(shí)替代氫燃料電池的過(guò)渡性產(chǎn)品。氫內(nèi)燃機(jī)與目前市面上的傳統(tǒng)產(chǎn)品較為相似,在技術(shù)上也容易解決,因此用其作為過(guò)渡較為容易實(shí)現(xiàn)。目前,我國(guó)公司正在和德國(guó)公司合作,開(kāi)展氫內(nèi)燃機(jī)的合作研究并利用工業(yè)副產(chǎn)品制氫,預(yù)計(jì)市場(chǎng)應(yīng)用前景較為廣闊。

除氫能源汽車外,氫冶金和氫化工也是氫能應(yīng)用非常重要的領(lǐng)域。氫冶金是指以氫氣作為還原冶煉過(guò)程中的還原劑,可分為高爐富氫冶煉和氫直接還原2種。在我國(guó),高爐富氫冶煉主要是將焦?fàn)t煤氣、天然氣等富氫氣體吹入高爐內(nèi)完成,而氫直接還原則是以焦?fàn)t煤氣為主要原料,通過(guò)氫基豎爐直接還原。如今,我國(guó)寶武集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)和山西晉南鋼鐵等單位都在開(kāi)展氫冶金方面的科研與中試應(yīng)用等工作[28]。

將綠氫和煤、石油化工等相結(jié)合,能夠有效彌補(bǔ)煤炭和石油在化工過(guò)程中富碳缺氫的不足,是值得重視的一大發(fā)展方向。若能將可再生能源制氫技術(shù)與煤化工生產(chǎn)過(guò)程相耦合,既能彌補(bǔ)煤化工過(guò)程中的碳?xì)洳黄胶?又能夠取消水煤氣變換工藝以削減碳排放源頭,在提高煤炭利用能效的同時(shí)大幅減少碳排放,可謂是一舉多得。近年來(lái),有學(xué)者提出基于“光伏治沙—光伏制氫—?dú)浠ぁ钡臍涔I(yè)路線,如中石化庫(kù)車綠氫項(xiàng)目。在國(guó)際上,部分國(guó)家也有所行動(dòng),如沙特、澳大利亞、非洲和中亞等地出現(xiàn)的沙漠光伏制氫項(xiàng)目。澳大利亞公Aqua Aerem和日本大阪燃?xì)?Osaka Gas)已就 Desert Bloom Hydrogen 項(xiàng)目達(dá)成聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議,致力于在位于澳大利亞北領(lǐng)地的特南特克里克研發(fā)綠氫,協(xié)議價(jià)值達(dá)107.5億美元。這種工農(nóng)產(chǎn)業(yè)融為一體的沙產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展模式,也是一種有益的探索[29]。

3 氫能、碳減排與可持續(xù)發(fā)展

3.1 氫能與碳減排

我國(guó)提出二氧化碳排放量力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,同時(shí)奮力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。在此背景下,“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略下脫碳成為全球氫能發(fā)展的第一驅(qū)動(dòng)力,低碳清潔的氫能源成為實(shí)現(xiàn)“碳中和”路徑的重要抓手。在政策的推動(dòng)下,未來(lái)我國(guó)氫能源行業(yè)將進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)。我國(guó)已頒布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》中指出,我國(guó)可再生能源制氫量要達(dá)到10萬(wàn)～20萬(wàn)t/a,實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100萬(wàn)～200萬(wàn)t/a。同時(shí),加強(qiáng)生產(chǎn)源頭管控、嚴(yán)格要求制氫形式等政策,都為氫能賦予了清潔低碳的關(guān)鍵屬性。

一般而言,減少二氧化碳排放的途徑主要有以下5個(gè)方面:①調(diào)整能源結(jié)構(gòu),增加可再生能源的比重;②開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)環(huán)保型技術(shù);③節(jié)約能源、提高能源轉(zhuǎn)換和利用效率;④推廣應(yīng)用環(huán)境友好型能源;⑤利用現(xiàn)有化石能源的同時(shí),實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕集與儲(chǔ)存[30]。氫能在這幾方面都發(fā)揮著不可替代的作用。在應(yīng)對(duì)全球氣候變化和“碳中和”的壓力下,推廣氫能源運(yùn)輸、氫冶金和氫化工等技術(shù)是我國(guó)重工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等降低碳排放的有效途徑。總的來(lái)說(shuō),我國(guó)氫能源車輛應(yīng)著重于重型卡車、水陸遠(yuǎn)距離運(yùn)輸及冬季低溫運(yùn)輸3個(gè)領(lǐng)域來(lái)發(fā)展,填寫(xiě)現(xiàn)有領(lǐng)域與政策空白。將氫能用于公路貨運(yùn)獲得的碳減排效果最顯著,1 000萬(wàn)t氫用于替代現(xiàn)有燃油貨運(yùn)汽車可望產(chǎn)生近1億t的降碳效果[31]。各國(guó)鋼鐵行業(yè)正在積極探索從碳冶金向氫冶金轉(zhuǎn)變。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),鋼鐵行業(yè)必須在能源結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)上革新。作為21世紀(jì)備受矚目的清潔能源,氫能將為鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳排放提供解決方案。氫冶金技術(shù)則身負(fù)重任,將鋼鐵行業(yè)的高碳排放轉(zhuǎn)變?yōu)榱闾寂欧拧Ｄ壳?氫冶金主要有2個(gè)研究方向,即高爐富氫冶煉和氫基直接還原,其中大部分氫冶金試驗(yàn)的氫氣都來(lái)自化石能源,但隨著技術(shù)的深入,可再生清潔能源有望替代化石能源,向綠色氫冶金方向發(fā)展,鋼鐵行業(yè)也將隨之掙脫對(duì)化石能源的依賴,碳排放問(wèn)題將迎刃而解[32]。

氫主要在石化行業(yè)得到應(yīng)用,在全球生產(chǎn)的氫中,每年有33%的氫會(huì)被用于石油煉化,27%的氫用于制備合成氨,11%的氫用于制備甲醇。在石油煉化過(guò)程中,加氫反應(yīng)可分為加氫裂化、臨氫降凝、加氫處理/加氫精制和潤(rùn)滑油加氫等類型。我國(guó)石化行業(yè)副產(chǎn)氣排放量大,在對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí),副產(chǎn)氣中氫氣、一氧化碳等有效成分隨排放而浪費(fèi)。氫氣既是重要的化工原料,也是無(wú)碳、高效的能源,用工業(yè)副產(chǎn)氣制備或分離提純氫氣,既減少資源浪費(fèi),又可減少二氧化碳排放。考慮二氧化碳排放和碳交易成本等因素,與煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫和電解水制氫相比,現(xiàn)階段下工業(yè)副產(chǎn)氣制氫的綜合成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。在“碳中和”背景下,工業(yè)副產(chǎn)氣制氫是獲取低碳?xì)錃獾挠行Ш徒?jīng)濟(jì)的途徑,研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)副產(chǎn)氣制氫技術(shù),將為碳減排提供一條高效路徑[33]。

3.2 氫能與可持續(xù)發(fā)展

氫能作為未來(lái)最具發(fā)展前途的可再生清潔能源之一,是我國(guó)社會(huì)全面實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的具有可操作性的主要手段。同時(shí),氫能也已被納入我國(guó)未來(lái)的國(guó)家能源體系。在“十四五”期間,我國(guó)將首次建設(shè)以工業(yè)副產(chǎn)氫、可再生能源制氫并就近利用為主線的氫能供給體系。

為加速氫能發(fā)展、盡快實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),筆者認(rèn)為今后一段時(shí)間,我國(guó)應(yīng)在政策引導(dǎo)、氫能科技研發(fā)、普及推廣和區(qū)域合作等方面加大支持和投入。①在政策導(dǎo)向上,建議各級(jí)政府行政主管部門(mén)進(jìn)一步制定有利于氫能可再生能源發(fā)展的傾斜政策,對(duì)于使用氫能的企業(yè)和個(gè)人,適當(dāng)給予補(bǔ)貼或稅收優(yōu)惠等政策措施。②要把氫能技術(shù)創(chuàng)新擺在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心位置,突破關(guān)鍵核心技術(shù),以產(chǎn)學(xué)研深度融合開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān),在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用等方面提升氫能關(guān)鍵技術(shù)水平。加快制定氫能制、儲(chǔ)、輸、用各環(huán)節(jié)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),建設(shè)氫能產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證體系,創(chuàng)新商業(yè)模式,不斷提升產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化水平。促進(jìn)氫能技術(shù)加速升級(jí),推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)健康、有序、可持續(xù)發(fā)展。③加大宣傳力度,對(duì)氫能進(jìn)行推廣普及工作,使企事業(yè)單位和個(gè)人都能了解到氫能的優(yōu)勢(shì),并打消大家對(duì)于氫能安全性等方面的疑慮。④氫能的發(fā)展離不開(kāi)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的區(qū)域合作。比如,我國(guó)西北部地區(qū)地廣人稀,光能和風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),產(chǎn)生的棄電完全可以發(fā)展電解水制氫,用于我國(guó)東部和中部發(fā)達(dá)地區(qū)的能源供應(yīng)。國(guó)際層面,比如我國(guó)可以和相毗鄰的蒙古和俄羅斯進(jìn)行氫能的深入合作,我國(guó)提供氫能相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)投資,蒙古和俄羅斯提供場(chǎng)地等。以上措施,必將加快我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)快速、穩(wěn)健發(fā)展,從而使我國(guó)在可持續(xù)發(fā)展之路上走得更快,進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。

4 結(jié)論與展望

總而言之,氫能之所以作為新型替代能源,受到全球范圍的關(guān)注,即可歸因于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,又可歸結(jié)于全球生態(tài)環(huán)境惡化背景下對(duì)綠色科技與清潔能源的迫切需求。氫能的發(fā)展將不僅是能源技術(shù)的一次飛躍,更會(huì)是低碳經(jīng)濟(jì)的制勝法寶,在我國(guó)“雙碳”的強(qiáng)力戰(zhàn)略扶持下,氫能勢(shì)必將發(fā)揮出其巨大潛力。分析我國(guó)的氫能發(fā)展現(xiàn)狀可知,目前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍然存在理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備等方面的種種問(wèn)題。因此,我國(guó)在今后一段時(shí)期內(nèi),應(yīng)重點(diǎn)從政策引導(dǎo)、氫能科技研發(fā)、普及推廣和區(qū)域合作等方面加大對(duì)氫能事業(yè)的支持力度。展望未來(lái),在我國(guó)政府、科研院所、企事業(yè)單位和個(gè)人的共同努力下,我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)必將實(shí)現(xiàn)快速、健康發(fā)展,為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。