（元琛科技）能源是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)保障，當(dāng)今世界各國都十分重視能源安全戰(zhàn)略。當(dāng)前，我國正處于實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的關(guān)鍵時期，迫切需要擁有一個穩(wěn)定、清潔、可靠的能源供應(yīng)體系。氫能具有來源豐富、能量密度高、綠色低碳等特點，已被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?，我國必須從國際視野出發(fā)，深入分析氫能發(fā)展情況，走出一條適合我國國情的氫能發(fā)展新路子。
一、氫能及其重要意義
氫能是指氫在物理與化學(xué)變化過程中釋放的能量。16世紀(jì)瑞士醫(yī)學(xué)界首次發(fā)現(xiàn)氫氣，但氫氣早期主要應(yīng)用于醫(yī)藥化工領(lǐng)域。1839年，人類開始研究氫燃料電池；1969年，美國利用堿性燃料電池（AFC）為首次登月的阿波羅系統(tǒng)提供電力和水，并依靠液態(tài)氫作為燃料推動火箭，此后氫能開始應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。1983年，加拿大巴拉德公司研發(fā)出質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）；1993年，這種大功率電池開始應(yīng)用于公交車。Sherifetal.（2005）指出，氫能可以滿足幾乎所有能源特性的需求，從而形成一個解決能源問題的永久性系統(tǒng)。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲氫、運(yùn)氫到應(yīng)用。
發(fā)展氫能具有重要的意義。一是應(yīng)對氣候變化的需要。由于使用化石能源會帶來大量二氧化碳排放，形成溫室效應(yīng)，對地球生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，而氫能作為高密度、無污染的二次能源被認(rèn)為是實現(xiàn)碳中和的最佳載體。二是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級的需要。氫能產(chǎn)業(yè)是科技和資本密集型產(chǎn)業(yè)，涉及新材料、電力裝備、新能源汽車、航空航天、國防軍工等諸多高端制造領(lǐng)域，能有效帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級并催生新產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)前在世界經(jīng)濟(jì)低迷，缺乏強(qiáng)有力帶動產(chǎn)業(yè)的情況下，許多國家把氫能作為未來產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)劃和發(fā)展，以期推動本國或本地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。三是推動科技革命的需要。能源科技革命是歷次工業(yè)革命的核心要素，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要以科技的重大突破和進(jìn)展為前提，這會極大地促進(jìn)并帶動基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)材料等領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)2017年麥肯錫研究公布的《2050年氫發(fā)展藍(lán)圖》，氫能將創(chuàng)造3000萬個工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造2.5萬億美元的市場價值。全球范圍內(nèi)，氫能產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷前所未有的政治和商業(yè)勢頭。
氫能用途
二、世界主要發(fā)達(dá)國家的氫能發(fā)展戰(zhàn)略以及我國氫能發(fā)展戰(zhàn)略
根據(jù)國際氫能理事會發(fā)布的《全球氫能觀察2021》，截至2021年2月，全球已有30多個國家發(fā)布?xì)淠苈肪€圖，許多經(jīng)濟(jì)體已將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)上升為國家能源發(fā)展戰(zhàn)略。
國際氫能委員會近期發(fā)布的報告顯示，自2021年2月以來，全球范圍內(nèi)啟動了131個大型氫能開發(fā)項目，包括日本、美國、澳大利亞、德國、歐盟、智利、加拿大等國家和地區(qū)?？傊?，越來越多的國家將氫能規(guī)劃上升到國家能源戰(zhàn)略高度，逐步明確氫能在國家能源體系中的戰(zhàn)略地位，通過加強(qiáng)頂層發(fā)展政策指引，加大研發(fā)投入力度，加快基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用示范建設(shè)，持續(xù)推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
電解水制氫領(lǐng)域?qū)＠暾埐季?/p>
《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，在類腦智能、量子信息、基因技術(shù)、未來網(wǎng)絡(luò)、深海空天開發(fā)、氫能與儲能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產(chǎn)業(yè)。氫能成為我國布局未來產(chǎn)業(yè)的重要方向，各省(市)出臺相關(guān)政策，制定實施方案。截至2021年8月底，我國已發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展相關(guān)政策方案的省份及直轄市共有近30個，其中，出臺專項氫能整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的共有5省。
我國近期密集型氫能政策發(fā)布情況
三、制氫工藝路徑與方法
制氫有3種技術(shù)路線：灰氫（化石能源制氫）、藍(lán)氫（化石能源制氫+CCUS）和綠氫（可再生能源制氫）。目前，3種制氫技術(shù)路線成比例約為1∶1.6∶2。從全球看，氫能制備的主要途徑還是依靠傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整，其中天然氣重整占比約48%，真正綠色途徑的電解水制氫僅占4%。而日本在電解水制氫方面發(fā)展較快，其鹽水電解制氫的產(chǎn)能占總產(chǎn)能的63%。我國制氫則主要依賴煤氣化制氫及工業(yè)副產(chǎn)氫的方式，電解水制氫上我國應(yīng)用得很少，僅占1%。在政策引導(dǎo)和可再生電力成本下滑帶動下，預(yù)計制氫將從“灰氫”逐步向“藍(lán)氫”“綠氫”過渡。
1．化石燃料制氫
我國煤制氫的主要企業(yè)有中國石化、國家能源集團(tuán)、江蘇恒力集團(tuán)以及山東利津石化。其中產(chǎn)量最大的為國家能源集團(tuán)，目前年產(chǎn)超過400萬噸氫氣，居世界首位，而中國石化產(chǎn)量為300萬噸/年。天然氣制氫企業(yè)主要有常州蘭博凈化、亞聯(lián)高科技、上海華西化工等。煤制氫技術(shù)較為成熟，成本約0.55～0.83元/Nm³，而我國天然氣較依賴進(jìn)口，因此天然氣制氫成本較高，約0.8～1.75元/ Nm³。
2．工業(yè)副產(chǎn)制氫
氯堿行業(yè)的鴻興達(dá)業(yè)和濱化股份在氫能方面已有布局，兩者燒堿產(chǎn)能超過100萬噸，副產(chǎn)氫可達(dá)2.5萬噸/年。嘉化能源可實現(xiàn)氯堿副產(chǎn)氫1萬噸，同時其產(chǎn)業(yè)鏈可實現(xiàn)制、儲、運(yùn)、加氫全覆蓋。目前，我國焦?fàn)t煤氣制氫龍頭是擁有660萬噸焦炭產(chǎn)能的美錦能源，副產(chǎn)氫氣可達(dá)到5.9萬噸/年。丙烷脫氫（PDH）方面，國內(nèi)PDH項目計劃至2023年產(chǎn)氫37.04萬噸/年。衛(wèi)星石化未來有250萬噸乙烷裂解項目投產(chǎn)，產(chǎn)氫16萬噸。東華能源現(xiàn)有副產(chǎn)氫5萬噸，寧波二期PDH建成后達(dá)到7.5萬噸。目前采用PSA技術(shù)的焦?fàn)t煤氣制氫、氯堿尾氣制氫等裝置已經(jīng)得到推廣。當(dāng)前氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫生產(chǎn)成本約1.1～1.4元/標(biāo)準(zhǔn)立方米，計入PSA成本后綜合成本約1.2～1.8元/ Nm³，而焦?fàn)t煤氣提純制氫綜合成本約0.83～1.33元/ Nm³。
3．電解水制氫
電解水制氫有3種技術(shù)路線：堿性水電解槽（ALK）、質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM）、固體氧化物水電解槽（SOEC）。堿性水電解槽（ALK）技術(shù)較為成熟，單臺最大產(chǎn)氣量為1000 Nm³/h。質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM ）需要采用貴金屬催化劑，成本較高，目前國內(nèi)單臺最大產(chǎn)氣量為蘇州國能圣源的設(shè)備，產(chǎn)量為500 Nm³/h。我國PEM總體規(guī)模與國外仍有差距。固體氧化物水電解槽（SOEC）技術(shù)的研發(fā)國內(nèi)外都在進(jìn)行，主要研發(fā)機(jī)構(gòu)包括日本三菱重工、東芝、京瓷；美國Idaho國家實驗室、Bloom Energy公司、丹麥托普索燃料電池公司、韓國能源研究所、中國科學(xué)院、清華大學(xué)、中國科技大學(xué)等。電解水制氫不僅受制于技術(shù)，還受制于電價，據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告預(yù)測，在2030年光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電成本分別降至0.2元/kW·h和0.25元/kW·h，電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性也會隨之提升。
總體而言，隨著電解水制氫成本降低，傳統(tǒng)化石能源制氫方式產(chǎn)量逐漸降低，并被可再生能源發(fā)電結(jié)合電解水制氫方式取代。電解水制氫方式中，PEM電解制氫處在快速發(fā)展階段，SOEC電解技術(shù)國內(nèi)外都在加快研發(fā)進(jìn)度。
堿水（ALK）制氫原理圖
PEM電解水制氫原理圖
四、企業(yè)未來氫能戰(zhàn)略
（一）乘勢而上助力“雙碳”達(dá)成
實現(xiàn)2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和的目標(biāo)，必然與氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、氫能生態(tài)的建立密切相關(guān)。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有利于實現(xiàn)我國能源轉(zhuǎn)型，有利于形成我國新經(jīng)濟(jì)增長點，有利于實現(xiàn)我國綠色發(fā)展目標(biāo)，為此，企業(yè)要加快發(fā)展、科學(xué)發(fā)展。截止到2020年，全國共有超過30個地方政府發(fā)布了氫能發(fā)展相關(guān)規(guī)劃；企業(yè)要結(jié)合國家氫能發(fā)展的整體頂層設(shè)計，以及戰(zhàn)略規(guī)劃、專項規(guī)劃和政策體系，制定出本公司氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間表、路線圖、施工圖 。要加快明確在“雙碳”背景下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路，確定氫能產(chǎn)業(yè)在能源體系中的角色定位、階段性可量化指標(biāo)、產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的發(fā)展重點，構(gòu)建促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展的體制機(jī)制。
（二）加大氫能技術(shù)攻關(guān)
目前，我國電解水關(guān)鍵材料包括催化劑、質(zhì)子交換膜及電解槽，抗腐蝕電極材料等材料主要依賴進(jìn)口，關(guān)鍵組件制備工藝急需提升。與此同時，膜電極、雙極板、壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵等與國外相比存在較大差距。耐高溫連接板材料以及集成系統(tǒng)等亟須加大研發(fā)力度。這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“痛點”，也是機(jī)遇。企業(yè)要扎實做好基礎(chǔ)研究，設(shè)立氫能源重大專項，建立持續(xù)性研發(fā)支持保障機(jī)制。要以重大需求為導(dǎo)向，協(xié)同開展基礎(chǔ)性研究和科技攻關(guān)，依托骨干企業(yè)、高校、科研院所組建氫能與燃料電池關(guān)鍵材料實驗室，力求在品種、規(guī)格或技術(shù)參數(shù)等有重大突破、具有自主知識產(chǎn)權(quán)與取得市場業(yè)績的首臺（套）或首批次的裝備、系統(tǒng)和核心部件。同時，給予研發(fā)激勵等相關(guān)措施，相關(guān)研發(fā)人員具有良好的梯隊建設(shè)與核心帶頭人。（元琛科技）
堿水制氫系統(tǒng)
PEM制氫工藝圖
PEM制氫微觀反應(yīng)
