可再生能源發(fā)電制綠氫和氫能儲運技術現狀與發(fā)展分析

摘 要：氫能已納入我國能源發(fā)展戰(zhàn)略。綠氫作為一種綠色二次能源，能夠助推實現“雙碳”目 標。氫氣制備和儲運是氫能產業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié)。重點闡述了電解水制綠氫和氫能儲運的技術類型與發(fā)展現狀，并對其應用前景和發(fā)展趨勢進行了分析；提出氫氣生產成本和儲運方式是限制氫大規(guī)模部署的主要技術瓶頸；最后為傳統(tǒng)電力企業(yè)進入綠氫制備和儲運產業(yè)提供了一些思考和建議。

關鍵詞：綠氫；電解水；儲運；可再生能源；電力企業(yè)

中圖分類號： TQ116.2"" 文獻標志碼： A

Technical status and development analysis of green hydrogen production from renewable energy and hydrogen storage and transportation

YIN Tiantian

（Shanghai Electric Power Construction Co.， Ltd.， Shanghai 200031， China）

Abstract：Hydrogen energy has been included in China's energy development strategy. As a kind of secondary green energy， green hydrogen can help realize dual carbon goals. Hydrogen preparation， storage and transportation are the key links in the hydrogen energy industry chain. The technical types and development status of green hydrogen production by water electrolysis and hydrogen energy storage and transportation methods were mainly introduced. Their application prospects and development trends were analyzed. It has been pointed out that the production cost and storage and transportation mode of hydrogen are the main technical bottlenecks limiting its large-scale deployment. Finally， some thoughts and suggestions are provided for traditional power enterprises to enter the green hydrogen preparation， storage， and transportation industry.

Keywords：green hydrogen; water electrolysis; storage and transportation; renewable energy; power enterprise

隨著氣候變化問題和能源安全等問題日益突出，世界各國都在尋求通過大力發(fā)展清潔能源的方法來推動能源變革以實現綠色發(fā)展。綠氫能是一種能量密度高、來源多樣、用途廣泛且清潔環(huán)保的二次能源，能夠作為重要的能源載體來實現電、氣、熱等不同形式能源之間的相互轉化[1–6］，綠氫是指利用可再生能源方式獲取的氫氣，主要制備方式是通過可再生能源產生的電力來電解水制備氫氣［7］，其從生產到消費全過程碳排放量幾乎為零，其大規(guī)模應用可以實現零碳排放。

2022年，我國《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》［8］中正式將氫能納入我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，可再生能源制氫在終端能源消費中的比重明顯提升。在“雙碳”背景下清潔能源加快發(fā)展，電解水制氫將逐步占主導地位。據中國氫能戰(zhàn)略聯盟預測［9］，預計2060年我國氫氣需求量超過1×108 t，綠氫在全部氫能中的占比超過80%。綠氫占比在終端能源消費體系中的上升，將加快推動能源系統(tǒng)的轉型升級［10–12］。

氫能產業(yè)鏈包括氫氣制備、氫能儲運、氫能加注和氫能利用等，目前從新能源企業(yè)到傳統(tǒng)化石能源企業(yè)，都在分階段、有側重地進入氫能的“制儲輸用”全鏈條，大力布局氫能產業(yè)，這將進一步推動可再生能源制氫產業(yè)規(guī)模化發(fā)展，助力產業(yè)低碳轉型。本文聚焦可再生能源發(fā)電制取綠氫，重點分析綠氫制備和氫能儲運這兩個關鍵技術的特點和發(fā)展趨勢，指出綠氫發(fā)展的瓶頸，最后對傳統(tǒng)電力企業(yè)在可再生能源發(fā)電制綠氫領域的未來發(fā)展提出建議，以期為企業(yè)在能源換代發(fā)展方面提供參考。

1 電解水制綠氫

1.1 電解水制氫技術的類型與現狀

在眾多可再生能源制取綠氫技術中，可再生能源發(fā)電制氫技術是當前的主流技術，其中“風電制氫/太陽能發(fā)電+電解水制氫”技術最成熟，產業(yè)基礎較好且應用最廣泛。而其他技術，如太陽能光催化制氫和生物質制氫等還有待進一步研究。

可再生能源發(fā)電制氫的關鍵是電解槽。根據電解槽的不同，電解水制氫技術路線可分為三種：堿性電解制氫、質子交換膜電解制氫、固體氧化物電解制氫。三種電解水制氫技術路線對比如表1所示。

（1）堿性電解制氫技術。國內外堿性電解水技術成熟，具有成本相對較低、商業(yè)化程度高且單槽電解制氫量大等優(yōu)點，但目前對電力波動的適應性差，適用于穩(wěn)定的電網來大規(guī)模電解制氫，不易與可再生能源消納相結合。

（2）質子交換膜電解制氫技術。國外該技術已實現商業(yè)化，國內還處于商業(yè)化初期。質子交換膜電解技術電流密度大、運行靈活性高且響應速度更快，與波動性和隨機性較大的光伏機組和風電機組具有良好的匹配性［13］。

（3）固體氧化物電解制氫技術。目前國內該技術處于試驗示范階段，但未進行商業(yè)化應用。由于其制氫需高溫環(huán)境，較適合于產生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電等系統(tǒng)中。

1.2 發(fā)展趨勢

目前堿性電解槽技術成本較低且經濟性較好，市場上大規(guī)模電解制氫仍以堿性電解槽技術為主，目前1000 Nm3H2·h?1的堿性電解槽已在國內多個大型綠氫項目中應用。未來隨著電解水制氫技術工藝的不斷成熟，質子交換膜電解槽成本會隨之降低，商業(yè)化程度將與堿性電解槽不相上下。隨著中國氫氣需求量的大幅上升及綠氫在氫氣制取來源中的占比的提高，未來電解水制氫設備的市場規(guī)模將迅速增長，企業(yè)應根據堿性電解槽技術和質子交換膜電解槽技術各自與可再生能源電力系統(tǒng)的適配性，將其應用到光伏發(fā)電和風力發(fā)電工程領域中。

2 氫能儲運

目前已商業(yè)化的儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能和熱水/熔鹽等儲能技術。其中：抽水蓄能是最成熟的大規(guī)模儲能方式，但其建設對地址條件要求高、建設周期長和動態(tài)調節(jié)響應速度慢；壓縮空氣儲能技術同樣會受建設地形制約，目前處于商業(yè)化示范初期［14］；電化學儲能包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等，其中磷酸鐵鋰電池化學儲能發(fā)展迅速，但儲能規(guī)模和周期受限；熔鹽儲熱技術主要應用于光熱發(fā)電站領域。在未來的新型電力系統(tǒng)中，能夠大容量且長時間尺度充分消納利用可再生能源的儲氫技術是其他型式儲能的有益補充，是推動多能互補和源網荷儲一體化發(fā)展的重要手段。

2.1 氫氣儲運技術的類型與現狀

目前氫能儲運技術是氫能全產業(yè)鏈應用的薄弱環(huán)節(jié)，也是我國氫能布局的瓶頸。不同氫氣儲運方式的優(yōu)缺點及主要應用如表2所示［15–16］。

（1）儲氫方面。高壓儲氫技術最成熟，是目前最常用的儲氫技術，但儲氫密度低，安全性能較差。低溫液態(tài)儲氫技術儲氫密度大且安全性相對較好，但其氫液化能耗大，對儲氫容器的絕熱要求很高，導致其儲存成本過高。有機液態(tài)儲氫技術儲運過程安全高效，但多種技術瓶頸仍限制其大規(guī)模商業(yè)化應用。固體材料儲氫技術尚處于攻關研究階段。利用鹽穴、廢棄礦井和含水層等特殊地質進行儲氫現國外已有成功的應用案例，適合于長期規(guī)模化儲氫。甲醇儲氫因其極好的安全便捷性，且應用前景廣闊，而被稱為“液態(tài)陽光”。2020年我國成功建成了全球首個千噸級“液態(tài)陽光加氫站”示范工程項目。此外，我國也逐步建設一些儲氫示范性工程支持氫能產業(yè)的發(fā)展，比如“安徽六安國內首個 MW 級氫儲能項目”“江蘇如東光氫儲一體化項目”和“張家口200 MW/800 MW ·h 氫儲能發(fā)電工程”等。

（2）輸氫方面。當前高壓氣態(tài)儲運是氫氣輸送的主要方式，分為長管拖車和管道運輸兩種，長管拖車是我國長距離氫氣運輸的主流方式，但長距離大容量輸送時效率較低且成本較高。此外，液氫船運輸和液氫槽車在大規(guī)模氫氣運輸中也有應用。輸氫管道具有輸氫量大且能耗低等優(yōu)勢，可實現氫氣大規(guī)模和長距離輸送，但前期管道等設施建設投資成本較大。我國純氫摻氫管道研究起步較晚，長距離輸氫管道項目不多，目前主要有“金陵?揚子氫氣管道”“巴陵?長嶺氫氣提純及輸送管線”“濟源?洛陽氫氣管道”和“定州?高碑店氫氣管道工程”等。

總的來說，我國在氫氣儲運方面已經取得了一定的進展，但仍需加速打破氫氣儲存和運輸的技術壁壘，同時降低建設成本，提高市場接受度，確保全過程的安全環(huán)保性，實現氫的規(guī)模化儲運，從而加快氫能產業(yè)發(fā)展。

2.2 發(fā)展趨勢

（1）儲氫方面。技術成熟度高且運營成本低的高壓氣態(tài)儲氫在短期內仍是主流方式，為促進廣泛運用需提高其安全可靠性。低溫液態(tài)儲氫技術和輕質高效的固態(tài)儲氫能夠大規(guī)模儲氫，是未來的研究重點，但亟待相關技術攻關來降低成本［16］。用鹽穴、廢棄礦井和含水層等特殊地質儲氫和“液態(tài)陽光”儲氫方式也受到了關注。

（2）輸氫方面。目前高壓氣態(tài)儲氫仍是國內發(fā)展的主流，適合于短距離運輸。低溫液態(tài)輸氫、固體材料輸氫和長管拖車方式輸氫還遠不能實現大規(guī)模運輸氫能的目標。長期來看，管道輸運是未來發(fā)展的必然趨勢，其中天然氣摻氫管道輸送可利用已建設的天然氣輸配管網與基礎設施，因此探索摻氫天然氣方式可實現氫能的低成本、規(guī)模化和連續(xù)性供應。

3 綠氫發(fā)展瓶頸

綠氫的大規(guī)模部署還需思考和解決很多問題：氫氣生產成本、氫氣相關技術、基礎設施、市場需求、政府法規(guī)、行業(yè)標準及認證、水的供應和環(huán)境影響等。其中氫氣生產成本和氫氣儲運技術是主要技術瓶頸[17]。

3.1 氫氣生產成本

電解制氫成本是目前工業(yè)化制氫領域最高的，其單位制氫成本是煤制氫的4～5倍［8］。電解制氫成本主要由三部分組成：①電力成本。依靠風電、光伏等可再生能源產生的電力，將水電解成氫氣和氧氣。②投資成本。主要為電解槽系統(tǒng)成本。③運維成本。其中電價占其總成本的60%～80%［18］，是制約電解水制氫技術推廣使用的最重要原因。

3.2 氫氣儲運方式

氫氣的體積能量密度相對較低，對液化能量的需求非常高。氫氣的儲存和運輸被認為是氫能源產業(yè)大規(guī)模發(fā)展和應用最困難的階段。氫儲運在電解水制氫和氫能利用環(huán)節(jié)起到銜接作用，因此安全經濟、高效可行的儲運模式能夠顯著提升綠氫產業(yè)核心競爭力，建議需要加快氫儲運技術與裝備、安全檢測技術與規(guī)范和管網安全運行保障等系列關鍵技術的研究和攻關［19］。

4 傳統(tǒng)電力企業(yè)發(fā)展建議

傳統(tǒng)電力企業(yè)具有豐富的電力工程經驗，可基于已有的發(fā)電業(yè)務來延伸產業(yè)鏈，以便切入綠氫賽道。氫氣制備和儲運對于電力企業(yè)來說是較好的切入點。對傳統(tǒng)電力企業(yè)在綠氫領域的發(fā)展主要有以下幾點建議：

（1）綠氫實現產業(yè)化還有很大的難度，對于綠氫行業(yè)未來存在不可預期的大量投入和面臨的政策、技術等諸多風險，都需要企業(yè)有充足的思想準備。

（2）目前純綠氫制備項目缺乏成本優(yōu)勢，但在我國三北地區(qū)，大量可再生能源電力如風電和光伏發(fā)電還存在不能并網的情況，存在棄風棄光現象，造成能源浪費，因此企業(yè)可考慮新能源棄風棄光電量制綠氫項目。

（3）液態(tài)儲氫、鹽穴儲氫和管道輸氫具有較好的市場前景，國內很多電力企業(yè)在這些領域有項目業(yè)績與經驗，在上述市場領域是具有競爭優(yōu)勢的。

5 結語

發(fā)展氫能是“雙碳”目標的必經途徑，加快研究綠氫制備技術，降低制氫成本是必然的發(fā)展趨勢。存儲時間長、運輸距離遠且消納利用渠道多的氫儲能是極好的能量載體，可對光伏和風電等不穩(wěn)定新能源進行充分的消納利用，助力構建配置能力強、安全可靠性高且綠色低碳的全球能源互聯網。傳統(tǒng)電力企業(yè)涉足其中，不僅可以拓展自身主業(yè)的發(fā)展，還可以搶占能源轉型的全新制高點。

參考文獻：

［1］凌文， 李全生， 張凱.我國氫能產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學， 2022， 24（3）：80?88.

［2］ ZHANG X Q. The development trend of andsuggestions for China’s hydrogen energy industry[J].Engineering， 2021， 7（6）：719?721.

［3］ BREAR M J. Thoughts on the prospects of renewablehydrogen[J]. Engineering， 2020， 6（12）：1343?1345.

［4］趙文會，王上佳，侯建生，等.考慮發(fā)電商差異與獎懲的增強型可再生能源配額制設計與仿真[J].上海理工大學學報， 2022， 44（2）：112?121.

［5］劉富斌，桂薇，劉國軍，等.浮式風電制氫裝置設計研究[J].能源研究與信息， 2022， 38（3）：144?149.

［6］王陽墚旭，高進，吳柯，等.應用于平抑風功率的燃氫燃氣輪機儲能系統(tǒng)控制策略研究[J].能源研究與信息， 2022， 38（2）：88?93.

［7］李建林， 梁忠豪， 梁丹曦， 等.“雙碳”目標下綠氫制備及應用技術發(fā)展現狀綜述[J].分布式能源， 2021，6（4）：25?33.

［8］ 國家能源局.氫 能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）[EB/OL].（2022?03?23）[2022?08?15].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-03/23/c_1310525630.htm.

［9］ 中國氫能源及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟.中國氫能源及燃料電池產業(yè)發(fā)展報告[R].北京：人民日報出版社， 2020.

［10］劉堅.我國綠氫規(guī)模化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與建議[J].中國電力企業(yè)管理， 2022（16）：53?55.

［11］羅佐縣， 曹勇.氫能產業(yè)發(fā)展前景及其在中國的發(fā)展路徑研究[J].中外能源， 2020， 25（2）：9?15.

［12］韓紅梅， 楊錚， 王敏， 等.我國氫氣生產和利用現狀及展望[J].中國煤炭， 2021， 47（5）：59?63.

［13］武魏楠.綠氫的未來[J].能源， 2021（9）：10?19.

［14］杜忠明.儲氫在新型電力系統(tǒng)中應用的關鍵問題及建議[J].電力設備管理， 2021（8）：19?20，28.

［15］李建林， 李光輝， 馬速良， 等.氫能儲運技術現狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應用[J].現代電力 ， 2021，38（5）：535?545.

［16］殷卓成， 楊高， 劉懷， 等.氫能儲運關鍵技術研究現狀及前景分析[J].現代化工， 2021， 41（11）：53?57.

［17］叢琳， 王楠， 李志遠， 等.電解水制氫儲能技術現狀與展望[J].電器與能效管理技術， 2021（7）：1?7，28.

［18］孫培鋒， 吳守城， 盧海勇， 等.新能源制氫及氫能應用淺述[J].能源研究與信息， 2021， 37（4）：207?213.

［19］杜忠明， 鄭津洋， 戴劍鋒， 等.我國綠氫供應體系建設思考與建議[J].中國工程科學， 2022， 24（6）：64?71.