一、问题背景
近年来大气中二氧化碳浓度持续升高，NOAA莫纳罗亚大气基线观测站今年5月测得大气中二氧化碳浓度达到421ppm，为过去450万年来最高水平，全球变暖正由未来威胁转变为当下危机。能源的使用是二氧化碳排放主要的来源，实现碳中和的首要任务是能源系统实现深刻变革。氢能作为能源转型的重要抓手，将在各行业“去碳化”进程中发挥重要作用，为解决全球环境问题和实现我国“双碳”目标提供解决方案。
按照世界能源理事会的划分标准，氢能根据其生产来源不同可分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。“灰氢”是指以天然气、煤等化石燃料为原料制取的氢气，同时也是目前应用最广泛的制氢方法，但其生产过程碳排放量最高。“蓝氢”包括甲烷重整制氢等传统制氢工艺配以碳捕获、利用与封存（CCUS）技术，该方法理论上可降低约90%的碳排放。同时，对最近中国科学家报道的CO2到淀粉的人工合成技术有积极影响，但受CCUS技术及成本的限制，目前世界各国的CCUS碳减排规模均较小。据估计，2020年中国利用CCUS项目处理的碳排放量未达总CO2排放量的1%。而“绿氢”则以电能、太阳能、生物质能等可再生绿色能源制取氢气，此方法可从源头上阻断碳排放，不仅有助于完成短期内发电和交通领域的减排任务，还可实现冶金、化工等工业领域长期深层脱碳，也是推动新能源大规模发展的重要手段。
图1 氢气不同来源分类
数据来源：中国台湾省国立成功大学
在众多新型绿色能源中，氢能源可摆脱其他如太阳能、风能等可再生能源固有的间歇性、波动性和随机性等缺陷，具有原料来源丰富、用途广泛等优势，又凭借热值高、清洁无污染等特点，遂被誉为21世纪的“终极能源”。氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链的快速进步，加快了交通运输业脱碳的步伐，同时也为氢能产业发展带来了新的机遇。
二、我国的氢能产业
（一）氢能的来源
氢的制取产业主要有三种技术路线：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产氢，三是电解水制氢、光化学制氢、生物质制氢等清洁制氢方式等。
当前化石燃料制氢技术最为成熟，制氢效率最高。但在各类制氢技术中，化石燃料制氢的二氧化碳排放量也更多。且所得氢气中普遍含有硫、磷等危害燃料电池的杂质，对提纯及碳捕获有较高的要求。
工业副产氢指在生产化工产品的同时得到的氢气，主要有焦炉煤气、氯碱化工、轻烃利用（丙烷脱氢、乙烷裂解）、合成氨、合成甲醇等工业的副产氢。我国氯碱、炼焦以及化工等行业有大量工业副产氢资源，从工业副产氢的放空量上来看，供应潜力可达450万吨/年，足以满足近期和中期氢气的增量需求。但因渠道、价格、信息等原因，目前工业副产氢基本为各企业自产自用；且存在地域性分布差异的特点。
目前，中国氢气供给结构中约近80%来源于煤制氢或焦炉煤气副产氢，电解水等清洁氢源占比较低。根据中国氢能联盟对未来中国氢气供给结构的预测，中短期来看，中国氢气来源仍以化石能源制氢为主，以工业副产氢作为补充，可再生能源制氢的占比将逐年升高。预计到2050年，约70%左右的氢由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氢等其他技术供给。表1显示了三种制氢方式的优缺点对比情况。
表1 不同制氢方式介绍
数据来源：RCCF根据公开资料整理
（二）氢能的用途
氢能源的利用场景丰富，主要可以被分为四大应用领域，分别是交通、工业、电力和建筑。
图2 氢能前四大应用领域
数据来源：中国氢能联盟
1.交通领域。氢气在交通领域主要是通过燃料电池技术应用在汽车、轨道交通等工具上，从而降低交通领域对传统化石燃料的依赖。氢燃料电池是一种将氢气和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高和产能过程清洁的过程。以绿氢作为燃料的燃料电池汽车应用的全产业链碳排放量明显低于传统油气能源汽车。目前的燃料电池技术主要有碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等多个种类，其中质子交换膜燃料电池是普遍采用的燃料电池技术，也是目前发展应用前景最好的燃料电池技术。
2.工业领域。氢气是重要的化工原料，合成氨、合成甲醇、原油提炼等均以氢气作为还原剂或碳链重整的化学原料。基于减碳的角度，实现“绿氢转型”，用绿氢替代灰氢可以大幅减少工业部门的碳排放。而钢铁、化工、石化、非金属矿产、有色金属等行业的碳排放量占总工业碳排放量的四分之三左右，氢气在这些工业流程中可以作为还原剂替代大部分的焦炭，从而大量减少整个工业领域的碳排放。
3.电力储能。氢能在电力领域的应用主要在于储能方面。当前我国光伏、风电等可再生能源发电发展迅猛，但由于其波动性、随机性、发电设备的低抗扰性和弱支撑性等特点，给电网带来了高效消纳、安全运行等挑战。氢能可以为电力储能的一种形式，可以作为电力供应中的中间载体，当电力生产过剩时，不能上网的冗余电量可以用来电解水制氢，从而将电能转化为氢能；在用电负荷增加时，可以用储存的氢能进行发电，从而达到平衡供需的目的。相较于抽水储能和电化学储能方式，氢储能具有响应快，转化效率高衰减少，具备大规模长周期的优势，可用于可再生能源电力的波动性调节。
4.供热减排。氢气在建筑领域的作用主要在于助力建筑供热领域的碳减排。一方面天然气掺氢用作家用燃料，可以降低燃气使用碳排放强度。另一方面，氢驱动的燃料电池热电联供系统，为建筑物供电供热，综合能源利用效率超过80%。
（三）氢能产业发展目标
根据2022年三月最新发布的《氢能产业发展中长期规划》中相关内容，我国明确了氢能产业在2021-2035年的具体发展目标。
表2 氢能产业发展目标
数据来源：《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》
三、双碳目标下氢能产业的发展方向
（一）可再生能源制氢
可再生能源制氢技术是将可再生能源通过风机、太阳能电池、水泵等发电机组转换成电能，电能通过电解水制氢设备转换成氢气，将氢气输送至氢气应用终端或经燃料电池并入电网中，完成从可再生能源到氢能的转换。根据电能来源的不同，可将可再生能源制氢技术分为并网型制氢和离网型制氢两种。
由于风电、光伏发电等可再生电力具备较强的波动性，通过将上述绿电用于制氢可大大缓解对电网的冲击。能源互补协同发电，可以提高能源利用率，推动工业及生活向更加低碳清洁的方向发展。电解水制氢过程可以有效地缓解可再生能源引起的功率波动，将会贯穿于氢能发展的整个过程。在可再生能源互补系统下电解水制氢的技术将会不断成熟，制氢成本也将逐渐下降，未来的制氢来源将倾向于绿电解水制氢发展。下图显示了未来制氢的来源变化趋势。
图3 制氢来源变化趋势及预测
数据来源：电工技术学报
（二）氢冶金
氢冶金是氢代替碳还原金属及非金属氧化物，不但没有排放，而且反应速度极快。氢冶金主要包括高炉富氢冶炼和氢直接还原铁。氢冶金是从反应原理上对炼铁过程进行根本性改变，下公式显示了二者的反应式对比：
氢冶金：Fe2O3 +3H2 = 2Fe +3H2O
碳冶金：Fe2O3+3CO = 2Fe +3CO2
数据来源：钢铁研究学报
目前氢冶金主要包括富氢还原高炉、氢冶金气基竖炉、氢冶金熔融还原等工艺。从技术角度而言，富氢还原高炉技术相对成熟，部分已开始工业化应用，碳减排能力在10%~20%；氢冶金竖炉直接还原工艺的碳减排能力可达50% ~98%，如MIDREX、HYLIII及 ENERGIRON工艺，是当前的重点研发方向；氢冶金熔融还原多数处于实验室研究阶段，目前工业化尚未成熟。从技术发展规律来看，一项变革性技术从研发到成熟周期较长，要实现碳冶金向氢冶金的转变仍需时日。
（三）储氢
氢气虽然具有绿色可再生能源的诸多优点，但是也存在不可忽视的缺点。与化石燃料相比，氢的体积能量密度较低，导致氢气的存储需要大量的空间，这对于固定能源系统尚可接受，但是对于可移动的能源系统(例如绿色能源汽车、移动电 源等)则是巨大的挑战。因此，发展高体积能量密度的储氢技术成为当前的研究热点。
高压、低温和强氢分子吸附材料是目前能够实现较高体积密度储氢的三个主要技术途径，以上三种技术途径可独立或复合在一起达到高体积密度储氢的目的，根据这三种技术途径的不同组合以及材料的分类，氢存储技术可分为物理储氢、物理吸附储氢和化学吸附储氢。
从运输方式的角度来分类，储运氢气的方式可以被分为四种：气态储运、液态储运、有机液态储运和固态储运。下表显示了四种储运方式的技术比较。
表3 不同储运方式的技术比较
数据来源：中国钢研科技集团
作者：朱雪瑞、谭盛钰
