人工制氫及氫工業(yè)在我國(guó)的戰(zhàn)略地位是什么？
來源：石油觀察 2020-06-29
全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過 渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期[1]。2017 年我國(guó)能源生產(chǎn)量為 25×108 t 油當(dāng)量，消費(fèi)量達(dá) 31×108 t 油當(dāng)量，整個(gè)能源需要進(jìn)口 20%，尤其是石油進(jìn)口量為 4×108 t，其對(duì)外依存度達(dá)到 70%，對(duì)能源安全造成不利影響。為給我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型和“能源自主”戰(zhàn)略目標(biāo)提供參考，綜述了國(guó)內(nèi)外氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，探討了人工制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展途徑，明確了氫工業(yè)的戰(zhàn)略地位。
氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫。工業(yè)氫氣是指通過一定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等[。氫能作為氫的化學(xué)能表現(xiàn)為物理與化學(xué)變化過程中釋放出 能量，是具有二次能源屬性的一種重要能源類型。這種大規(guī)模人工制氫并利用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工 業(yè)，包括上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)和下游應(yīng)用。氫工業(yè)體系中各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)即 為氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括氫工業(yè)價(jià)值鏈、氫工業(yè)企業(yè)鏈、 氫工業(yè)供需鏈和氫工業(yè)空間鏈。
為了更好地閱讀和理解本文的內(nèi)容，筆者建議首先界定和明確上述 5 個(gè)基本概念（工業(yè)氫氣、人工制氫、氫能、氫工業(yè)、氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈），并由此建立 氫工業(yè)概念體系。儲(chǔ)氫是實(shí)現(xiàn)氫能有效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、微球儲(chǔ)氫和碳納米材料儲(chǔ)氫等。基于大規(guī)模低成本制氫和高密度儲(chǔ)氫，以燃料電池為關(guān)聯(lián)的氫工業(yè)應(yīng)用將推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和 新能源汽車、分布式供能等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而改變能源結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從能源供給端到消費(fèi)端的全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)變。
01氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著氫能應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，以及全球應(yīng)對(duì)氣候變化的壓力持續(xù)增大，促使我們積極布局、發(fā)力推動(dòng)氫工業(yè)的發(fā)展。
1.1 全球氫工業(yè)初具規(guī)模
全球氫工業(yè)發(fā)展迅猛，市場(chǎng)規(guī)模從2011年的1870.82億美元增長(zhǎng)到2017年的2514.93億美元，
圖1 2011—2017年全球工業(yè)氫氣市場(chǎng)規(guī)模及其走勢(shì)
增速達(dá) 34.4%（圖 1）。其中，美國(guó)是工業(yè)氫氣最大的進(jìn)口國(guó)，2012—2016 年進(jìn)口總額達(dá) 2.48 億美元，而荷蘭則是工業(yè)氫氣最大的出口國(guó)，2012—2016 年出口總額達(dá) 3.42 億美元。
人類社會(huì)已經(jīng)歷了三次工業(yè)革命（圖 2），從 20 世紀(jì)中葉起，伴隨著第四次工業(yè)革命全球向新能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)開始（圖 3）。縱觀能源發(fā)展史，三大能源升級(jí)換代體現(xiàn)了“三大經(jīng)濟(jì)”形態(tài)。瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)促使木柴向煤炭的第一次重大轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為“高碳經(jīng)濟(jì)”；戴姆勒發(fā)明內(nèi)燃機(jī)，完成煤炭向油氣的第二次 重大轉(zhuǎn)換，呈現(xiàn)出“低碳經(jīng)濟(jì)”；現(xiàn)代科技進(jìn)步與當(dāng) 今環(huán)保要求推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源向氫能等非化石新能 源的第三次重大轉(zhuǎn)換，全球可能逐步邁入非碳的“氫能時(shí)代”。
圖2 人類經(jīng)歷的歷次工業(yè)革命示意圖
圖3 全球能源體系轉(zhuǎn)型示意圖（1850—2150年）
1.2 人工制氫主要依靠化石資源
全球工業(yè)氫氣市場(chǎng)具有較強(qiáng)的地域性，已形成亞太、北美、歐洲三大區(qū)域版圖。化石資源是當(dāng)前主要的制氫原料，其中煤氣化制氫發(fā)展?jié)摿薮骩5]。
1.2.1 工業(yè)氫氣生產(chǎn)具有區(qū)域性
亞太地區(qū)工業(yè)氫氣生產(chǎn)量居全球首位，北美地區(qū)緊隨其后（圖 4）。2017 年亞太地區(qū)工業(yè)氫氣的生 產(chǎn)規(guī)模為1 071.36 億美元，北美為555.80億美元，而歐洲則為 517.57 億美元。中國(guó)和印度等亞太發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，由此帶來了亞太地區(qū)對(duì)氫能等清潔能源的強(qiáng)勁需求。
圖4 全球工業(yè)氫氣生產(chǎn)市場(chǎng)占比餅圖
中國(guó)工業(yè)氫氣的需求量和生產(chǎn)量旺盛，呈逐年上升的態(tài)勢(shì)，目前保持著供需平衡的狀態(tài)，需求量和產(chǎn)量均居世界首位。作為全球氫能利用的大國(guó)，中國(guó)自 2009 年產(chǎn)量首次突破 1 000×104 t 以來，已經(jīng)連續(xù) 9 年保持世界第一（圖 5）。
圖5 中國(guó)工業(yè)氫氣產(chǎn)量與需求量變化圖
1.2.2 化石資源制氫居主導(dǎo)地位
當(dāng)前，人工制氫原料主要以石油、天然氣、煤炭等化石資源為主，較之于其他的制氫方法，化石資源制氫工藝成熟，原料價(jià)格相對(duì)低廉，但會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成污染。
2017 年，全球主要人工制氫原料的 96% 以上都來源于傳統(tǒng)化石資源的熱化學(xué)重整，僅有 4% 左右來源于電解水（圖 6）。煤炭和天然氣是我國(guó)人工制氫的主要原料，占比分別為 62%和 19%（圖 7）。電解 水制氫在日本氫工業(yè)中占有特殊的地位，其鹽水電解制氫的產(chǎn)能占該國(guó)所有人工制氫總產(chǎn)能的 63%。
圖6 2017年全球人工制氫原料占比餅圖
圖7 2017年中國(guó)人工制氫原料占比餅圖
1.2.3 煤氣化制氫發(fā)展?jié)摿Υ?/p>
煤的氣化是指煤在高溫常壓或加壓條件下，與氣化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。隨著煤制合成氣、煤制油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤制氫產(chǎn)量逐年增多，其規(guī)模較大、成本較低，制氫成本約 20元/kg。此外，化工產(chǎn)品（包括合成氨、甲醇等）生產(chǎn)過程中，從含氫弛放氣中回收純度大于 99%工業(yè)氫氣的裝置也日趨成熟與增多。
煤炭地下氣化制氫發(fā)展?jié)摿艽螅彩敲禾壳鍧嵒D(zhuǎn)型利用的有效途徑。煤炭地下氣化制氫技術(shù)具有資源利用率高、地表環(huán)境破壞少等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)“富煤貧油少氣”的資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但該項(xiàng)技術(shù)目前仍然處于探索階段，離商業(yè)化利用還有不短的距離。
1.3 高效儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn)
安全、高效的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化的關(guān)鍵[6-7]。氫能的存儲(chǔ)方式主要包括低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等，不同的儲(chǔ)氫方式具有不同的儲(chǔ)氫密度，其中氣態(tài)儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最小，金屬氫化物儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最大（圖 8）。
1.3.1 低溫液態(tài)儲(chǔ)氫成本高
工業(yè)氫氣的規(guī)模化廉價(jià)生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能 實(shí)用化利用的基礎(chǔ)。氣態(tài)氫在－253℃時(shí)為液體，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的 845 倍。液氫存儲(chǔ)的重量比介于 5.0%～ 7.5%，體積容量約為0.04 kgH2/L。氫氣液化費(fèi)用昂貴，耗能較高（4 ～ 10 kWh/kg），約占 液氫制取成本的三分之一。液氫貯存容器需要具有極高的絕熱能力，以避免液氫沸騰氣化。
當(dāng)前，液態(tài)氫主要作為航天火箭推進(jìn)器燃料，其儲(chǔ)罐和拖車已在我國(guó)航天等領(lǐng)域應(yīng)用。隨著人類太空計(jì)劃的發(fā)展，液態(tài)氫貯存容器正趨于大型化，目前已能建造貯存量超過 1 000 m3 的大型液氫絕熱貯槽。
1.3.2 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用、最成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，其儲(chǔ)存方式是將工業(yè)氫氣壓縮到耐高壓容器中[8]。高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)存裝置主要有固定儲(chǔ)氫罐、長(zhǎng)管氣瓶、長(zhǎng)管管束、鋼瓶組和車載儲(chǔ)氫氣瓶等。鋼瓶是最常用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在著安全性能較差和體積比容量低等不足。目前國(guó)內(nèi)已建和在建的加氫站一般都采用的是長(zhǎng)管氣瓶組儲(chǔ)氫設(shè)備。
1.3.3 固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)尚不成熟
固態(tài)儲(chǔ)氫方式是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式，能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲(chǔ)氫方式的不 足，具有儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合，如氫能燃料電池汽車。固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)可分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫。前者可分為金屬有機(jī)框架（MOFs）和納米結(jié)構(gòu)碳材料；后者可分 為鈦系、鎂系、鋯系和稀土等金屬氫化物，以及硼氫化物和有機(jī)氫化物等非金屬氫化物。
金屬氫化物儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、純度高、可靠性高（無需高壓或低溫條件）和儲(chǔ)氫工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，主要原理是選擇合適的金屬氫化物，在低壓條件下使氫與另一種物質(zhì)（儲(chǔ)氫合金）結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)。目前，金屬氫化物儲(chǔ)氫仍處于研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，主要受到以下因素的制約：①儲(chǔ)氫合金價(jià)格昂貴；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于儲(chǔ)氫過程中會(huì)釋放大量的熱，因而儲(chǔ)存器內(nèi)必須增加換熱設(shè)備；③氫化物自身穩(wěn)定性差，易形成有害雜質(zhì)組分，多次使用之后，性能明顯下降；④儲(chǔ)氫質(zhì)量比較低，若以質(zhì)量計(jì)， 僅能儲(chǔ)存 2% ～ 4% 的工業(yè)氫氣。
1.3.4 有機(jī)液體儲(chǔ)氫備受關(guān)注
有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)是通過不飽和液體有機(jī)物的可逆加氫和脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫的。這種儲(chǔ)氫方法具有高質(zhì)量、高體積儲(chǔ)氫密度，安全、易于長(zhǎng)距離運(yùn)輸， 可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)仍處于研發(fā)階段，尚存在著技術(shù)要求苛刻、成本昂貴、脫氫效率低且易結(jié)焦失活等缺點(diǎn)。催化加氫和脫氫裝置設(shè)備成本較高，脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下完成，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低且易發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣產(chǎn)物不純。此外，在高溫條件下，容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致結(jié)焦失活。
1.4 氫工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施
工業(yè)氫氣輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主，長(zhǎng)輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎(chǔ)研究，并創(chuàng)新管道運(yùn)營(yíng)管理方式，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設(shè)。
1.4.1 管道輸氫處于起步階段
管道“摻氫”和“氫油同運(yùn)”技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)。全球管道輸氫起步較早，但發(fā)展緩慢。歐洲的長(zhǎng)距離管道輸氫已歷時(shí) 80余年，目前擁有總長(zhǎng)度約1 500 km 的輸氫管道，其中長(zhǎng)度接近 400 km 的法國(guó)—比利時(shí)輸氫管道為目前世界最 長(zhǎng)。美國(guó)現(xiàn)有輸氫管道的長(zhǎng)度為 720 km，遠(yuǎn)低于其天然氣管道的長(zhǎng)度（208×104 km）。我國(guó)已有多條輸 氫管道在運(yùn)行，如中國(guó)石化洛陽煉化濟(jì)源—洛陽的氫氣輸送管道全長(zhǎng)為 25 km，年輸氣量為 10.04×104 t；烏海—銀川焦?fàn)t煤氣輸氣管線管道全長(zhǎng)為 216.4 km，年輸氣量達(dá) 16.1×108 m3，主要用于輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣。
1.4.2 加氫站氫—油聯(lián)建
隨著氫工業(yè)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈正趨于不斷完善。目前，氫燃料汽車快速發(fā)展，工業(yè)氫氣需求量大增，加氫站建設(shè)也相應(yīng)提速。截至 2017年底，全球共有 328 座加氫站投入運(yùn)營(yíng)，其中歐洲139 座，亞洲 118 座，北美 68 座，南美、澳大利亞、迪拜各 1 座。
《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》對(duì)我國(guó)中長(zhǎng)期加氫站建設(shè)和燃料電池車輛的發(fā)展目標(biāo)做出了規(guī)劃，預(yù)計(jì)到 2020年我國(guó)將建成加氫站達(dá)100 座、2030 年將達(dá)到 1 000 座。截至 2018 年 2 月，中國(guó)已建成及在建的加氫站共計(jì)為 31 座，其中正在運(yùn)營(yíng)的有 12 座。
加氫站的主要設(shè)施包括儲(chǔ)氫裝置、壓縮設(shè)備、加注設(shè)備和站控系統(tǒng)等。目前一個(gè)加氫站的建設(shè)成本介于 200萬～ 500萬美元，其中壓縮機(jī)成本最高，約占總成本的 30%（圖 9）。中國(guó)加氫站的建設(shè)成本 相對(duì)較低，介于 200萬～ 250萬美元（35 MPa 加氫能力）。因此，需加快工業(yè)氫氣壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，降低加氫站建設(shè)成本，促進(jìn)氫工業(yè)的發(fā)展。
圖9 2017年中國(guó)加氫站建設(shè)成本構(gòu)成圖
筆者預(yù)測(cè)，全球加氫站將進(jìn)入快速發(fā)展階段，到 2020 年全球加氫站數(shù)量將超過 435 座，2025 年將超過 1 000 座。同時(shí)，應(yīng)加大對(duì)加氫站—加油站聯(lián)建的可行性研究，例如德國(guó)、日本等國(guó)采用的聯(lián)建模式， 以及 2017 年中國(guó)廣東云浮開展的多座加氫站—加油站聯(lián)建試驗(yàn)。未來，很有可能將出現(xiàn)加氫站、加油站、 加氣站、充電站“四站聯(lián)建”的模式。
02、氫能的發(fā)展前景與戰(zhàn)略地位
氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要的作用，也將成為我國(guó)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)預(yù)測(cè)，煉油業(yè)、新能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能利用的最大終端市場(chǎng)，其中工業(yè)氫氣在全球煉油業(yè)中的用量將占到全球工業(yè)氫氣消耗總量的 90%。隨著燃料環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產(chǎn)低硫清潔燃料，這將極大地刺激工業(yè)氫氣需求量的快速增長(zhǎng)。
2.1 新能源是未來能源消費(fèi)的主體
氫能和電能都是重要的二次能源，也是未來主要的綠色清潔能源。氫能具有遠(yuǎn)距離輸送、大規(guī)模存儲(chǔ)和氫—電互換的特性。氫能和電能在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電子、 鋼鐵、民用等各個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，都具有不同時(shí)段峰谷用量的特點(diǎn)，氫—電互換是解決能源峰谷波動(dòng)的有效手段之一。通過氫能發(fā)電和電解水制氫是實(shí)現(xiàn)有效利用氫—電互換優(yōu)勢(shì)、發(fā)揮能源智慧互聯(lián)互補(bǔ)、提高能源利用效率的關(guān)鍵。工業(yè)氫氣在使用中若出現(xiàn)短期過剩，可以通過發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能，以緩解電力不足；而電解水制氫可消納暫時(shí)富裕的電力，彌補(bǔ)風(fēng)電、 光電波動(dòng)起伏的不足，降低棄風(fēng)、棄光率[9-11]。
2.2 氫能將引領(lǐng)未來新能源消費(fèi)變革
氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將拉開氫能商業(yè)化利用的 序幕。目前，氫能已小規(guī)模應(yīng)用于大型物流車、城市交通車、家用小汽車，甚至火車、自行車、航模、無人機(jī)等。氫能將在交通領(lǐng)域引領(lǐng)新能源汽車變革。據(jù)報(bào)道，日本、韓國(guó)已量產(chǎn)高壓儲(chǔ)氫技術(shù)氫能乘用車，更有日本大型連鎖便利店與豐田汽車公司合作，計(jì)劃于 2019 年推出氫燃料電池（FC）貨車，建立“零排放”物流體系。在歐洲，德國(guó)已于 2017 年 3 月成功測(cè)試了世界上第一輛零排放氫動(dòng)力火車——“氫鐵”， 并與法國(guó)阿爾斯通公司合作，于 2021 年建造氫動(dòng)力驅(qū)動(dòng)列車。2017 年 12 月，法國(guó)圣洛市第一批氫能源電動(dòng)自行車正式投入使用。自 2018 年李克強(qiáng)總理訪問日本豐田氫燃料電池汽車后，國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)家能源集團(tuán)）牽頭成立了中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，國(guó)家能源集團(tuán)、中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司等能源企業(yè)將與浙江吉利控股集團(tuán)、中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司、長(zhǎng)城汽車股份有限公司等車企一同布局氫燃料汽車。
世界能源發(fā)展正處在油氣向新能源的第三次轉(zhuǎn) 換期，能源類型由高碳向低碳、非碳發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，到 2050年，天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比將首次超過石油和煤炭，世界能源將邁入天然氣、石油、煤炭和新能源“四分天下”的新時(shí)代。氫能約占全球能源消耗總量的 20%，預(yù)計(jì)每年可減排二氧化碳60×108 t。氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá) 2.5 萬億美元，世界將進(jìn)入清潔能源時(shí)代。
2.3 氫能的多元化應(yīng)用將推動(dòng)新能源的快速發(fā)展
2.3.1 電解水制氫將貫穿于氫能發(fā)展的全過程
隨著全球氫工業(yè)的發(fā)展，人工制氫的需求量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，制氫技術(shù)日新月異。煤氣化制氫雖然同樣會(huì)產(chǎn)生大量 CO2，但由于其原料豐富、價(jià)格低廉，故仍將是規(guī)模化、低成本人工制氫的最佳途徑；高爐煙道氣、化工尾氣等通過變壓吸附（PSA） 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本回收氫氣；太陽能制氫技術(shù)（光催化、光熱解）是未來理想的制氫技術(shù)，但受制于轉(zhuǎn)換效率和成本等問題，預(yù)計(jì) 2030年前難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。
在所有的人工制氫途徑中，電解水制氫可以有效地消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力，以及其他富余波谷電力，因而將貫穿于氫能發(fā)展的全過程，是建設(shè)“氫能社會(huì)”工業(yè)氫氣的主要來源之一（圖 10）。隨著電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的逐漸降低，電解水制氫將能逐漸滿足商業(yè)化的要求，實(shí)現(xiàn)分布式制氫。未來，既可以集中制氫、區(qū)域供氫，也可以單個(gè)加油站建設(shè)小型電解水制氫裝置，實(shí)現(xiàn)氫能源智慧互聯(lián)。
圖10 氫氣的主要來源趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖
2.3.2 液態(tài)氫是未來主要的儲(chǔ)氫形式
目前工業(yè)氫氣主要采用高壓氣態(tài)的方式儲(chǔ)存，由于成本的限制，液態(tài)儲(chǔ)存的方式使用較少，主要用于航空航天領(lǐng)域。但隨著技術(shù)的不斷成熟，預(yù)計(jì) 2050年液態(tài)儲(chǔ)氫將成為工業(yè)氫氣的主要儲(chǔ)存形式 （表 1）。
2.3.3 多能互補(bǔ)與多能協(xié)同
以氫能為紐帶，通過風(fēng)能、太陽能、潮汐能等分布式新能源發(fā)電制氫，可以降低制氫成本，實(shí)現(xiàn)氫能和新能源的多能互補(bǔ)、多能協(xié)同發(fā)展。氫能既可作為二次能源，又可作為儲(chǔ)能技術(shù)，連接多種新能源。氫能與新能源協(xié)同發(fā)展，一方面擺脫了依賴傳統(tǒng)化石資源制氫，形成更清潔、更環(huán)保的制氫新途徑；另一方面又整合了各種新能源類型，提升了能源系統(tǒng)的利用率。
隨著氫工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和氫能經(jīng)濟(jì)的不斷 發(fā)展，因地制宜、協(xié)同利用新能源與傳統(tǒng)能源，通過多種能源相互補(bǔ)充和能源智能微網(wǎng)等，將實(shí)現(xiàn)多能智慧協(xié)同供應(yīng)，充分發(fā)揮新能源、天然氣、石油、煤炭等能源的組合優(yōu)勢(shì)，“氫能社會(huì)”建設(shè)藍(lán)圖將更 加清晰。
03、中國(guó)的氫工業(yè)與氫能發(fā)展戰(zhàn)略
3.1 全球氫能發(fā)展的路線圖
1）作為氫能發(fā)展先行者和領(lǐng)導(dǎo)世界氫燃料電池發(fā)展的主要國(guó)家，美國(guó)從1970年開始布局氫能技術(shù)研發(fā)[12]。2002 年 11 月，美國(guó)能源部發(fā)布《國(guó)家氫能發(fā)展路線圖》，明確了氫能的發(fā)展目標(biāo)，分析了氫能技術(shù)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展影響因素，制定了詳細(xì)的發(fā)展路線，標(biāo)志著美國(guó)“氫能社會(huì)”由設(shè)想階段轉(zhuǎn)入行動(dòng)階段。2014 年，美國(guó)頒布《全面能源戰(zhàn)略》，開啟了新的氫能計(jì)劃，重新確定了氫能在交 通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用，并于 2017 年宣布繼續(xù)支持 30個(gè)氫能項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)氫工業(yè)的快速發(fā)展。預(yù)計(jì)美國(guó) 2030—2040 年將全面實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)。
2）日本長(zhǎng)期受困于國(guó)內(nèi)資源短缺，于 2014 年4 月制定了《第四次能源基本計(jì)劃》，確定了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略方向[12]。日本把 2015 年定為“氫能元年”，2020 年定為“氫能奧運(yùn)元年”， 2025 年定為“氫能走出去元年”，2030年定為“氫燃料發(fā)電元年”，并提出了 3 條低成本、清潔化用氫 技術(shù)路線：①推動(dòng)建立海外氫能供應(yīng)系統(tǒng)；②利用海外廉價(jià)褐煤實(shí)現(xiàn)低成本制氫；③利用海外新能源電解水制氫。到 2030年日本的工業(yè)氫氣年供應(yīng)量將達(dá) 30×104 t，并將在 2040年建成全國(guó)性氫能供給網(wǎng)絡(luò)。
3）德國(guó)于 2016 年重新修訂了氫能源交通戰(zhàn)略規(guī)劃，明確了 3 項(xiàng)舉措：①加大投資，推出第二個(gè)氫能 和燃料電池技術(shù)國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃，保證研發(fā)連續(xù)性，維護(hù)氫能和燃料電池汽車在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力；②促進(jìn)合 作，成立了德國(guó)氫能交通公司，負(fù)責(zé)分階段建設(shè)氫能交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到 2019 年，境內(nèi)建設(shè)的加氫站將達(dá) 100座，超過美國(guó)，僅次于日本，到 2023年將建成加氫站 400座；③鼓勵(lì)創(chuàng)新，出臺(tái)了一系列 優(yōu)惠措施，重點(diǎn)支持物流專用車、離網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施自主供電技術(shù)，以激活市場(chǎng)。
4）法國(guó)制定了《氫能計(jì)劃》，將從 2019 年起在工業(yè)、交通及能源領(lǐng)域部署氫能，包括：①創(chuàng)造 無碳化工業(yè)，到 2020年建成工業(yè)氫氣追溯系統(tǒng)，到2023 年工業(yè)氫氣使用量將達(dá)到 10%，到 2028 年將達(dá)到 40% ；②開發(fā)新能源，利用新能源生產(chǎn)電能再制取氫氣，實(shí)現(xiàn)“氫—電”轉(zhuǎn)換，構(gòu)建供氫網(wǎng)絡(luò)；③實(shí)現(xiàn)交通零排放，完善工業(yè)氫氣網(wǎng)絡(luò)部署和管理，支持氫能重型車輛研發(fā)，部署大規(guī)模氫能交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)到 2023 年擁有 5 000 輛輕型商用車、200輛重型車輛以及 100座加氫站，到 2028 年擁有20000 ～ 50000 輛輕型商用車、800 ～ 2 000 輛重型車輛以及 400 ～ 1 000 座加氫站的計(jì)劃目標(biāo)。
3.2 “氫能中國(guó)”戰(zhàn)略
中國(guó)是全球氫能利用的大國(guó)，已形成京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等 7 個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)集群[13-14]。我國(guó)已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》，提出了氫工 業(yè)（氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站）、先進(jìn)燃料電池、燃 料電池分布式發(fā)電等 3 個(gè)戰(zhàn)略發(fā)展方向，以及大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、氫氣/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)、甲醇/ 空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（MFC）技術(shù)和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)等 6 項(xiàng)創(chuàng)新行動(dòng)。
通過消納棄水、棄風(fēng)、棄光等富余新能源，減量替代煤、石油和天然氣等化石燃料，加上煤炭的清潔高效利用，逐步降低成本，穩(wěn)步提高安全性，通過“三大發(fā)展階段”建立有利于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐體系，建成全國(guó)性氫能供給和利用基礎(chǔ)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。分述于下。
1）近期（到 2030年），以煤制氣為代表的化石基氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得重大突破，初步完成產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉丁Ｄ壳靶枰涌煳覈?guó)煤炭地下氣化制氫資源評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)高效產(chǎn)氫配套系列技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及超深層、超臨界水氣化制氫技術(shù)儲(chǔ)備，特別是對(duì)高效產(chǎn)氫機(jī)理進(jìn)行深化研究，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)、工程工藝、監(jiān)測(cè)控制、安全環(huán)保等系列技術(shù)，以及高溫高壓井下工具及高強(qiáng)度防腐管材等重大裝備的研制攻 關(guān)。全國(guó)煤炭地下氣化潛力巨大，僅鄂爾多斯盆地埋深介于 1 000 ～ 2 000 m 的煤炭資源量就達(dá) 1.3×1012t，保守估算可氣化采出商品工業(yè)氫氣約 10×1012 m3（相當(dāng)于 9×108 t）。應(yīng)當(dāng)按照淺層（地層壓力低于 10MPa）、中深層（地層壓力介于 10～ 22 MPa）和超深層、超臨界水（地層壓力超過 22 MPa）3 個(gè)層次來布局我國(guó)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并優(yōu)選鄂爾多斯、二連、準(zhǔn)噶爾等盆地開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。
2）中期（2035—2050年），氫能產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分；打造 新材料、儲(chǔ)能和氫能產(chǎn)業(yè)鏈；加大石墨烯、納米超材 料等新材料的超前儲(chǔ)備。通過自主、合作、技術(shù)購(gòu)買、 優(yōu)質(zhì)企業(yè)并購(gòu)等多種方式研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)、高性能車用、船用等電池，與主要汽車廠商合作或參股推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化電池在交通領(lǐng)域的規(guī)模利用。發(fā)揮企業(yè)加油站布局優(yōu)勢(shì)，建設(shè)大型倉(cāng)儲(chǔ)式充電中心，快速建立新能源汽車高效率充電站網(wǎng)絡(luò)，搶占交通領(lǐng)域能源革命的先機(jī)。發(fā)揮石油管道布局優(yōu)勢(shì)，發(fā)展棄風(fēng)、棄光、棄水低成本電解制氫、天然氣管網(wǎng)輸氫、 摻氫天然氣、液化氫、加氫站等業(yè)務(wù)。
3）遠(yuǎn)期（2050—2100年），氫能成為我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，依靠新能源等實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”。中國(guó)“能源自主”概念是指通過中國(guó)新能源生產(chǎn)革命，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)基本自給和消費(fèi)安全。2017 年，我國(guó)一次能源產(chǎn)量中，煤炭占 70%、石油占 8%、天然氣占 5%、新能源占 17%。中國(guó)煤炭資源豐富但油氣相對(duì)不足的先天稟賦條件，決定了能源生產(chǎn)和消費(fèi)必須具有中國(guó)特色，構(gòu)成“一大三小”（煤炭大，石油、天然氣、新能源小）的中國(guó)能源結(jié)構(gòu)。太陽能、風(fēng)能產(chǎn)量的增長(zhǎng)率最快，水電、核電產(chǎn)量的占比最高，氫能、儲(chǔ)能、新材料、新能源最具顛覆性，應(yīng)加快煤炭清潔化利用和新能源“兩個(gè)規(guī)模”提前到來，減少油氣在我國(guó)能源利用路徑中的時(shí)間跨度和安全壓力。中國(guó)“能源自主”可能要到新能源占主體地位才行。
我國(guó)需要謀劃加快實(shí)現(xiàn)常規(guī)—非常規(guī)油氣的“生 產(chǎn)革命”、煤炭發(fā)展的“清潔革命”和新能源發(fā)展的“速 度革命”，力爭(zhēng) 2050 年前后實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從“一大三 小”向煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型革命，屆時(shí)煤炭約占一次能源消費(fèi)比例 40%、油氣占 30%、新能源占 30%[4]。
到 2100年前后，有可能依靠新能源等實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”，化石能源占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例下降至 30%，非化石能源占到 70%，實(shí)現(xiàn)二者的地位轉(zhuǎn)換（圖 11）。
圖11中國(guó)能源消費(fèi)情景及未來變化預(yù)測(cè)圖
04、結(jié)束語
氫能是最清潔的新能源，因此發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“氫能中國(guó)”、實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能 源自主”、推動(dòng)能源消費(fèi)和供給革命、奉獻(xiàn)清潔高效 能源、建設(shè)“美麗中國(guó)”、保障國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略 選擇，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)“能源自主”戰(zhàn)略中占有重要的地位；全球氫工業(yè)發(fā)展已初具規(guī)模，煤炭地下氣化制氫符合我國(guó)的國(guó)情，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
