碳中和視角下的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系發(fā)展研究

吳 昊，張 鵬，張佳麗

(1.中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進會氫能分會，北京 100080；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

0 引 言

在低碳減排的大背景下，全球能源結(jié)構(gòu)正在向以清潔能源為主體的方向轉(zhuǎn)變。其中，氫能作為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，可連接多種能源形式，構(gòu)成耦合發(fā)展體系，是支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實現(xiàn)交通、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，對于推動源端可再生能源消納利用和終端用能的清潔替代，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，有著關(guān)鍵的意義。同時，氫價值鏈很長，涉及許多不同類型的技術(shù)和制造業(yè)，氫能還將有效促進世界經(jīng)濟的發(fā)展，有利于實現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和培育經(jīng)濟新增長點。

在綠氫與燃料電池及汽車應(yīng)用帶動下，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈得到快速發(fā)展，制氫、儲運、應(yīng)用等多方面的技術(shù)取得了長足進步，產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模在全球不斷擴大。氫能的多功能性已吸引了全球多個政府、多類企業(yè)和多家機構(gòu)的強烈興趣。中國境內(nèi)已有130多家上市企業(yè)、1/3以上央企和30多家駐華知名外企在氫能領(lǐng)域積極布局[1]。

在碳達峰、碳中和目標(biāo)的引領(lǐng)下，加快能源領(lǐng)域四個革命、一個合作，成為能源工作的重中之重，而氫能是推進能源革命和實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就氫能全產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行分析研究，有助于厘清行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)，把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展航向，推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 制氫技術(shù)體系分析

制氫產(chǎn)業(yè)主要有化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、生物質(zhì)制氫等多種技術(shù)路線，產(chǎn)業(yè)鏈中還包含各類制氫相關(guān)設(shè)備的制造、制氫工廠及各類附屬設(shè)施。制氫技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 制氫技術(shù)體系

1.1 化石能源制氫

化石能源制氫主要包括煤制氫和天然氣制氫。

煤制氫在所有制氫方式中成本最低，為0.6～0.7元/Nm3[2]，但二氧化碳排放高。如果結(jié)合碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)，仍然是目前已知最便宜的制取低碳?xì)錃獾姆绞?，但如果考慮提純，煤制氫經(jīng)濟性會有所下降，綜合成本將達到1.88～2.9元/Nm3(21.1～31.1元/kg)[3]。我國在新型煤制氫技術(shù)領(lǐng)域居于世界先進水平。

天然氣制氫工藝主要分為甲烷水蒸氣重整制氫(SMR)、甲烷部分氧化制氫、甲烷自熱重整制氫以及化學(xué)鏈重整制氫。SMR是較為成熟的天然氣制氫技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛。在SMR制氫總成本中，天然氣原料成本占比達70%以上，是決定制氫成本的關(guān)鍵。我國在天然氣價格和品質(zhì)上均不占優(yōu)勢，天然氣制氫經(jīng)濟性低。

在幾種新型天然氣制氫技術(shù)中，部分氧化制氫工藝消耗的能量較少；高溫裂解制氫二氧化碳排放低，有良好的應(yīng)用前景；自熱重整制氫中自供熱可降低生產(chǎn)成本；化學(xué)鏈重整制氫技術(shù)可將反應(yīng)過程和分離過程集成，使碳捕集更為便利，更具發(fā)展前景。

1.2 工業(yè)副產(chǎn)氫

工業(yè)副產(chǎn)氫主要來自焦?fàn)t煤氣、氯堿工業(yè)、丙烷脫氫、乙烷裂解、合成甲醇及合成氨。因產(chǎn)量大，成本相對低，且靠近使用地，工業(yè)副產(chǎn)氫是當(dāng)前國內(nèi)發(fā)展氫能和氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的主要氫源。

焦?fàn)t煤氣多配套天然氣、合成氨、氫氣、聯(lián)產(chǎn)甲醇合成氨等綜合利用裝置，是大規(guī)模高效低成本生產(chǎn)廉價氫氣的途徑，提純制氫綜合成本約為0.83～1.33元/Nm3，目前制氫潛力在工業(yè)副產(chǎn)氫中最大。

氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫凈化回收成本低，環(huán)保性能好，氫氣純度高。氯堿產(chǎn)業(yè)主要生產(chǎn)地與氫能潛在負(fù)荷區(qū)域重疊度高，但產(chǎn)能較分散，適合短距離、小規(guī)模氫源供應(yīng)。氯堿副產(chǎn)氫綜合成本約1.2～1.8元/Nm3。

丙烷脫氫原料大多依賴進口，東部沿海地區(qū)具備碼頭區(qū)位優(yōu)勢；乙烷裂解制乙烯副產(chǎn)氫仍處在起步階段，但氫凈化回收成本低，經(jīng)濟效益好；合成甲醇、合成氨工藝也較成熟。

1.3 電解水制氫

電解水制氫目前占全球氫氣產(chǎn)量比重不高，但潛力巨大，是生產(chǎn)清潔氫氣的主要方法。目前存在三種主要的電解槽技術(shù)：堿性電解(ALK/AEL)、固體聚合物電解質(zhì)電解(SPE)和固體氧化物電池(SOEC)電解。其中SPE主要是指質(zhì)子交換膜(PEM)電解技術(shù)。

ALK技術(shù)最為成熟，已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，最大優(yōu)勢在于成本較低，易實現(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用。目前ALK是國內(nèi)可再生能源制氫的主要技術(shù)路線，堿性電解水制氫國內(nèi)技術(shù)與國際先進水平保持同步，產(chǎn)品性能指標(biāo)接近或優(yōu)于國外競爭者。

PEM電解技術(shù)可克服堿性電解技術(shù)的多項局限，避免了堿液回收和循環(huán)，響應(yīng)時間快，工作范圍更加靈活，能更好適應(yīng)風(fēng)電光電波動性特點，在可再生能源制氫領(lǐng)域優(yōu)勢顯著，也是加氫站電解水現(xiàn)場制氫最佳選擇。但當(dāng)前整體造價遠(yuǎn)高于堿性電解槽，技術(shù)主要掌握在國外廠商手中，國內(nèi)自主研發(fā)廠商在技術(shù)成熟度、單堆規(guī)模、壽命等方面尚有不小差距，PEM電解設(shè)備價格偏高。

SOEC電解技術(shù)成熟度最低，目前仍未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。SOEC電解技術(shù)最大優(yōu)勢在于可雙向運行，將氫轉(zhuǎn)化為電，便于為電網(wǎng)提供平衡服務(wù)，并提高設(shè)備的整體利用率，但該技術(shù)尚需解決諸如高溫下材料降解等問題。

圖2 儲氫運氫技術(shù)體系

1.4 其他方式制氫

生物質(zhì)制氫技術(shù)主要有生物質(zhì)熱化學(xué)制氫法、生物制氫法和電解生物質(zhì)制氫法，產(chǎn)業(yè)化水平不高。生物質(zhì)制氫處理過程復(fù)雜，成本相比太陽能發(fā)電和風(fēng)電電解制氫更昂貴，且大規(guī)模制氫潛力受制于生物質(zhì)的供給。但將生物質(zhì)制氫與CCUS技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)碳“負(fù)排放”，是未來深度脫碳的重要途徑。

近年來，還有多個直接利用太陽能制取氫氣的技術(shù)處在研究中，包括熱化學(xué)水分解、光電化學(xué)水分解、光生物分解、微生物轉(zhuǎn)化等。

2 氫儲運及加注技術(shù)體系分析

儲運是氫能產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，包括高壓氣體儲運裝備、低溫液態(tài)儲運裝備、新型儲氫材料、加氫設(shè)備及加氫站建設(shè)運營等產(chǎn)業(yè)子環(huán)節(jié)。其技術(shù)體系如圖2所示，各種儲運形式的特點見表1。

2.1 氫存儲

氫的儲存方式主要分為4種：高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)存儲、固態(tài)金屬存儲和有機液態(tài)存儲。

高壓氣態(tài)儲存具有成本低、能耗小、充放氣速度快、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點。目前，車用儲氫容器是氣態(tài)儲氫研究重點，國際先進技術(shù)多采用塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶(Ⅳ型)，儲氫壓力70 MPa，國內(nèi)通常以鍛壓鋁合金為內(nèi)膽，外包覆碳纖維，有35 MPa和70 MPa兩種型號。高壓氣態(tài)儲氫主要應(yīng)用在固定場所，如制氫廠、加氫站等。

液態(tài)儲運是將氫氣在低溫下進行液化，然后存放在絕熱儲存容器中進行運輸。但氫液化能耗高，且儲存容器絕熱及耐壓要求嚴(yán)格、制造難度大、成本高。液氫儲運在較長距離運輸中具備成本優(yōu)勢，是氫能大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的必要儲氫技術(shù)，預(yù)計2050年將成為工業(yè)氫氣的主要儲存形式[4]。

固態(tài)儲存技術(shù)主要是金屬儲氫，具有低壓、氫氣純度高、可重復(fù)利用等優(yōu)點，但其商業(yè)化應(yīng)用還須進一步提高質(zhì)量儲氫密度、降低分解氫的溫度和壓力、降低生成熱、提高使用壽命等。

有機氫載體在常壓下呈液態(tài)，儲存和運輸簡單易行。常用的有機物氫載體(LOHC)主要有：苯、甲苯(TOL)、甲基環(huán)已烷(MCH)、萘等，新型材料仍在研究中。

氫基燃料儲氫是將氫通過化學(xué)反應(yīng)生成如氨和甲醇等液體燃料，可大幅降低運輸成本并提高運輸安全性。氨作為化工原料和燃料直接使用更具吸引力，是目前適合遠(yuǎn)距離運輸?shù)膬浞绞絒5]。

2.2 氫運輸

氫運輸?shù)姆绞街饕?種：氣氫拖車運輸、液氫罐車運輸和管道運輸。距離、用途和終端用戶氫的用量，是衡量不同氫運輸經(jīng)濟性的重要影響因素。

氣態(tài)氫氣的運輸通常利用集裝格、長管拖車和管道等工具輸送，其中，集裝格運輸靈活，適合需求量較小的用戶；長管拖車技術(shù)成熟，規(guī)范完善，加氫站多采用該方式運輸。液氫罐車運輸使用槽罐車，其成本會隨著規(guī)模的增大而大幅降低。管道運輸適合大規(guī)模點地點的氫氣輸送，可以利用專用氫氣管道，也可適當(dāng)比例摻入天然氣管道，實現(xiàn)大規(guī)模氫氣運輸。

表1 各種儲運形式的特點

2.3 氫加注

基礎(chǔ)設(shè)施中的加氫站是促進氫能發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，加氫站三大核心設(shè)備為氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機。

目前加氫站使用的壓縮機主要有3種：隔膜式壓縮、液驅(qū)壓縮機和離子式壓縮機。隔膜式壓縮機氫氣純度高，壓力高，但需要冷卻降溫；離子式壓縮機能實現(xiàn)等溫壓縮，但尚未大規(guī)模使用。

儲氫罐通常采用低壓(20～30 MPa)、中壓(30～40 MPa)、高壓(40～75 MPa)三級壓力進行儲存，國內(nèi)已擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的45 MPa與98 MPa固定儲氫容器設(shè)計與制造能力。

加氫機包括一系列部件：壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優(yōu)先控制裝置、安全裝置等。35 MPa的加氫機基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，但加氫槍、流量計等核心零部件仍依賴進口；70 MPa實驗樣機已開發(fā)，在產(chǎn)品工藝改進、成本控制和商用化方面仍待加強。

3 氫能應(yīng)用技術(shù)體系分析

氫能應(yīng)用環(huán)節(jié)是其產(chǎn)業(yè)鏈末端，包括氫燃料電池及汽車應(yīng)用，也包括氫及氫基燃料在工業(yè)、電力、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。在全球氫能新一輪商業(yè)化浪潮中，我國氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)獲得快速發(fā)展，氫能終端應(yīng)用規(guī)模不斷擴大。

3.1 氫燃料電池

燃料電池是氫能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的裝置，是當(dāng)前氫能應(yīng)用的主要形式，可廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑、軍事等領(lǐng)域。燃料電池技術(shù)主要有堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動快、比功率高，在交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池在發(fā)電、供暖領(lǐng)域更具優(yōu)勢。氫燃料電池應(yīng)用技術(shù)體系如圖3所示。

3.1.1 燃料電池及關(guān)鍵零部件

目前，燃料電池性能和成本最受關(guān)注，電池結(jié)構(gòu)、催化劑優(yōu)化等是研究重點。氫燃料電池堆是整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，其性能和成本直接決定了燃料電池產(chǎn)業(yè)化進程。近年來，國產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐加快，國內(nèi)正在從技術(shù)引進向自主化研發(fā)過渡。

我國燃料電池關(guān)鍵材料和部件，在可靠性和耐用性方面與國際先進產(chǎn)品相比仍然存在差距，不少部件仍然依賴進口。主要零部件情況如下：

(1)膜電極(MEA)，燃料電池電堆的核心零部件，結(jié)構(gòu)包括質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴散層等。

圖3 氫燃料電池技術(shù)體系

目前，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜技術(shù)已達國際水平；催化劑已突破技術(shù)瓶頸，小規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用相對成熟，但與國際領(lǐng)先產(chǎn)品相比，鉑含量相對較高，性能較差；氣體擴散層仍以進口產(chǎn)品為主，國內(nèi)尚無規(guī)模化生產(chǎn)能力。

(2)雙極板，其質(zhì)量直接影響電堆的輸出功率和使用壽命，大批量低成本制造對降低燃料電池汽車成本意義重大。目前，我國金屬雙極板產(chǎn)業(yè)化得到快速發(fā)展，產(chǎn)品精度、壽命、一致性上均表現(xiàn)較好。

(3)空壓機，常用的類型有羅茨式、螺桿式、渦旋式和離心式等。目前無油螺桿式空壓機已成為市場主流，而離心式空壓機因在功率密度、效率和噪聲等方面具有最好的總體效果而被多數(shù)車企青睞。

3.1.2 燃料電池應(yīng)用

在交通領(lǐng)域，燃料電池汽車競爭力正在增強，相比純電動汽車，預(yù)計2025年600 km重卡和650 km出租車總成本(TCO)的都將具備優(yōu)勢，2030年200 km以上城市汽車也將取得優(yōu)勢；對比傳統(tǒng)燃油車，在商用車領(lǐng)域，燃料電池汽車在各里程下優(yōu)勢會更早出現(xiàn)。

燃料電池軌道交通應(yīng)用已取得實質(zhì)進展，歐洲技術(shù)和示范推廣領(lǐng)先，我國也較早開展相關(guān)研究；船舶和航運方面，氫燃料電池的應(yīng)用是脫碳關(guān)鍵，但我國目前大功率燃料電池技術(shù)和船用動力系統(tǒng)尚有不足；航空業(yè)應(yīng)用前景同樣廣闊，燃料電池適用于中短程飛機，而長途商用飛機更適合燃?xì)浒l(fā)動機或直接使用氫基合成燃料。

在發(fā)電領(lǐng)域，燃料電池發(fā)電是增強電網(wǎng)靈活性的重要手段，在固定式發(fā)電、移動式發(fā)電等方面均有廣泛應(yīng)用，固定式發(fā)電又主要分為分布式發(fā)電(熱電聯(lián)產(chǎn))、家用熱電聯(lián)產(chǎn)、備用電源等幾種場景[6]。

過去10年，全球固定式燃料電池裝機容量一直在快速增長，不過燃料以天然氣為主，氫燃料使用較少。在備用電源領(lǐng)域，國外通信用燃料電池應(yīng)急備用電源已實現(xiàn)成熟商業(yè)化應(yīng)用，而國內(nèi)也已在通信基站等場所實現(xiàn)少量應(yīng)用。

3.2 氫能其他應(yīng)用

除了燃料電池的重要應(yīng)用，氫及氫基燃料直接利用范圍更為廣泛，可實現(xiàn)發(fā)電、供熱、工業(yè)脫碳等多種功能。

其中，氫燃燒發(fā)電在電力領(lǐng)域目前規(guī)模很小，只占發(fā)電總量的不到0.2%。除了燃料電池豐富的發(fā)電應(yīng)用外，氫發(fā)電還可在諸多領(lǐng)域發(fā)揮作用，既可以在傳統(tǒng)燃煤電廠摻入氨共燃發(fā)電，也可使用燃?xì)漭啓C直接發(fā)電。

而作為一種儲能手段，氫氣熱值高、環(huán)保、存儲和運輸形式多樣、用途廣泛，是一種較好的能量存儲介質(zhì)，適合長期儲能，可支持高比例可再生能源滲透率。氫儲能在多能互補和微電網(wǎng)應(yīng)用中，有助于降低微電網(wǎng)成本[7]。多能互補、微網(wǎng)園區(qū)耦合氫能技術(shù)路徑見圖4。

圖4 多能互補、微網(wǎng)園區(qū)耦合氫能技術(shù)路徑

在建筑領(lǐng)域，利用天然氣管網(wǎng)摻氫是目前建筑供暖的一個熱點，可實現(xiàn)天然氣的部分替代。未來直接在建筑內(nèi)利用氫產(chǎn)生的熱量供熱潛力較大，與電供暖形成能源協(xié)同，有利于平抑電力需求季節(jié)性不平衡。

在工業(yè)領(lǐng)域，未來用氫潛力相當(dāng)可觀。在傳統(tǒng)用氫方式中，煉油是最大的用戶，氫主要被用于加氫除雜(主要為硫)和加氫裂化[8]。此外，氫氣在冶金領(lǐng)域作為還原劑，以及合成氨、甲醇、甲烷等化工應(yīng)用，未來前景同樣廣闊。

4 結(jié) 語

當(dāng)前，氫能與可再生能源的深度融合、協(xié)同發(fā)展已形成共識。我國在氫能傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢，氫工業(yè)基礎(chǔ)較完備。但在以綠氫和燃料電池汽車應(yīng)用為特征的全球新一輪氫能技術(shù)革命中，我國起步較晚，技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平均與先進國家存在不小差距。

制氫方面，我國化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫技術(shù)成熟、規(guī)模較大，特別是煤制氫成本低廉，但CCUS技術(shù)尚不成熟，成本高、應(yīng)用比例低，灰氫減排壓力大。風(fēng)、光等可再生能源制氫潛力巨大，成本快速下降，是未來制氫產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向，但與可再生能源有良好匹配性能的PEM電解水設(shè)備國產(chǎn)化水平有限，自有技術(shù)亟待提高，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電解水裝置耦合技術(shù)尚不成熟。

儲運氫方面，低成本、大規(guī)模、長周期儲氫技術(shù)差距較大，地下洞穴儲氫、天然氣摻氫、管道輸氫等研究及示范應(yīng)用仍須深入，大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電與氫儲能、氫非電應(yīng)用相結(jié)合的示范驗證工作亟待開展。

氫能應(yīng)用方面，燃料電池和燃料電池汽車是發(fā)展重點，相關(guān)投資密集，國內(nèi)燃料電池電堆及關(guān)鍵原材料產(chǎn)業(yè)化水平和產(chǎn)品性能已取得長足進步，在燃料電池輔助系統(tǒng)方面尚待加強。燃料電池商用車(專用車)領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模全球領(lǐng)先，乘用車技術(shù)待完善，氫能在其他交通領(lǐng)域的應(yīng)用仍待突破。燃料電池在發(fā)電和供暖領(lǐng)域的應(yīng)用較少，相關(guān)技術(shù)差距明顯。氫能在工業(yè)、建筑等其他領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在研究階段，其多功能性尚未得到體現(xiàn)。

整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，可再生能源制氫和氫儲能在我國意義最重大，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)減排目標(biāo)、保障能源安全的根本性途徑。基礎(chǔ)研究工作扎實，具備發(fā)展條件，已列入國家科技攻關(guān)重大專項。但目前示范驗證和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平差距較大，應(yīng)重點予以突破。