王雯雯 安璐 王敏 陽(yáng)建宏
（北京科技大學(xué)金屬冶煉重大事故防控技術(shù)支撐基地）
摘要：氫能源是公認(rèn)的清潔能源，近年來(lái)作為低碳能源正在脫穎而出，廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、航天等領(lǐng)域。本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外氫能源發(fā)展的概況，分析了氫能源全產(chǎn)業(yè)鏈。氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有極重要的戰(zhàn)略價(jià)值。
關(guān)鍵詞：氫能源；產(chǎn)業(yè)鏈；制氫；儲(chǔ)運(yùn)；應(yīng)用
氫能源作為一種綠色、高效的二次能源，具有熱值較高、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源多樣、應(yīng)用廣泛、利用形式多等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要助力。隨著氫能源產(chǎn)業(yè)的興起，全球迎來(lái)“氫能社會(huì)”發(fā)展熱潮，各國(guó)家和地區(qū)均出臺(tái)相應(yīng)政策，將發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。
1 氫能源行業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
隨著應(yīng)對(duì)氣候變化壓力增大、能源低碳轉(zhuǎn)型加速，氫能源以其清潔、高效和應(yīng)用場(chǎng)景豐富的優(yōu)勢(shì)備受世界矚目。氫能源是實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的關(guān)鍵能源，當(dāng)前已有多個(gè)國(guó)家制定了氫能源發(fā)展路線圖。歐美等國(guó)家和地區(qū)通過(guò)戰(zhàn)略引領(lǐng)、路線規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)支持政策以及持續(xù)投資，在氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展上取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。我國(guó)已將氫能源產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，從鼓勵(lì)創(chuàng)新與投資、獎(jiǎng)勵(lì)與優(yōu)惠等多方面頒布了多個(gè)支持政策，各級(jí)地方政府與企業(yè)積極開(kāi)展產(chǎn)業(yè)布局和項(xiàng)目建設(shè)。
1.1 國(guó)外氫能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢(shì)
美國(guó)、俄羅斯、日本、歐盟等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都開(kāi)展了氫能源戰(zhàn)略布局。美國(guó)重視氫能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的建立和前瞻技術(shù)的研發(fā)，發(fā)布了《美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)路線圖——減排及驅(qū)動(dòng)氫能在全美實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)》，在氫能源經(jīng)濟(jì)的迅速興起和發(fā)展進(jìn)程中，不斷壯大相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)；俄羅斯新版《2035年能源戰(zhàn)略草案》明確將氫能源作為能源行業(yè)戰(zhàn)略重點(diǎn)，目標(biāo)是通過(guò)擴(kuò)大氫氣產(chǎn)能到2035年成為全球重要的氫能源經(jīng)濟(jì)國(guó)家。俄羅斯聯(lián)邦能源部公布本國(guó)第一份氫能源戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，提出2024年前在俄境內(nèi)建立一個(gè)完全由傳統(tǒng)能源企業(yè)主導(dǎo)的、涉及上下游的氫能源產(chǎn)業(yè)鏈；日本高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于構(gòu)建氫能源社會(huì)和氫經(jīng)濟(jì)，明確提出將氫能源社會(huì)納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。先后制定發(fā)布了《氫能源基本戰(zhàn)略》和《氫能/燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，規(guī)劃實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)戰(zhàn)略的技術(shù)路線；歐盟將氫能源作為能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要保障，加大了氫能產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)步伐，推出《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》，宣布建立歐盟氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將綠氫作為未來(lái)氫能源發(fā)展重點(diǎn)，大力促進(jìn)氫能源特別是可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及氫能源的廣泛應(yīng)用。
各國(guó)除了明確了氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，還制定了一系列產(chǎn)業(yè)支持政策，還不斷完善氫能源產(chǎn)業(yè)政策體系。
1.2 國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的形勢(shì)
我國(guó)是全球最大的氫生產(chǎn)國(guó)，豐富的資源為發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。自2011年以來(lái)，我國(guó)持續(xù)出臺(tái)支持氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，從戰(zhàn)略定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新、財(cái)政金融等多個(gè)方面相繼發(fā)布了一系列支持政策，引導(dǎo)鼓勵(lì)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！吨袊?guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)（2016）》首次提出我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路線圖，制定了我國(guó)在氫能源領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施和燃料電池汽車的發(fā)展目標(biāo)；2019年，加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)寫(xiě)進(jìn)了《政府工作報(bào)告》，明確提出“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)發(fā)展良機(jī)。《中國(guó)制造2025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，將發(fā)展氫燃料電池提升到了戰(zhàn)略高度[1]。2020年，國(guó)家發(fā)改委提請(qǐng)十三屆全國(guó)人大三次會(huì)議審查的《關(guān)于2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃執(zhí)行情況與2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃草案的報(bào)告》中明確指出制定國(guó)家氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，這是氫能源首次被寫(xiě)入年度國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃。2020年4月，在《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見(jiàn)稿）》中，首次將“氫能”納入能源范疇。氫能產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，正迎來(lái)政策性利好的發(fā)展機(jī)遇。
近年來(lái)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，各省市相繼出臺(tái)了多元化跟進(jìn)政策并示范實(shí)施，結(jié)合產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)和各自的優(yōu)勢(shì)，提出了各自的發(fā)展重點(diǎn)。目前，我國(guó)已初步形成京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角、山東半島及中部地區(qū)等氫能源產(chǎn)業(yè)集群和示范應(yīng)用。隨著我國(guó)氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向及產(chǎn)業(yè)定位逐漸明朗。2019年10月召開(kāi)的國(guó)家能源委員會(huì)會(huì)議指出，探索先進(jìn)儲(chǔ)能、氫能等商業(yè)化路徑。2020年，國(guó)家能源局發(fā)布關(guān)于《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見(jiàn)稿）》首次將“氫能”納入能源范疇；近日，財(cái)政部下發(fā)燃料電池汽車推廣意見(jiàn)征求稿，決定以獎(jiǎng)勵(lì)替代補(bǔ)貼的形勢(shì)支持燃料電池汽車的推廣和示范。
2 氫能源行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)呛w氫氣制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、燃料電池到終端應(yīng)用的龐大產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈整體具有技術(shù)含量高、投入大、產(chǎn)出慢、市場(chǎng)化程度高、政策依賴性強(qiáng)等特點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)鏈在技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施方面都初具規(guī)模，但是國(guó)外相比還有一定的差距。
2.1 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈上游為制氫環(huán)節(jié)，包含氫氣制取（見(jiàn)圖1）(主要技術(shù)方式包括化石燃料制氫、工業(yè)副制氫、高溫分解制氫、電解水制氫以及其他工藝制氫)、氫氣純化等環(huán)節(jié)[2]。氫氣制取方式的不同會(huì)極大影響制氫成本，主要的影響因素包括制氫設(shè)備、規(guī)模和原料成本等。目前，我國(guó)超過(guò)95%的氫氣生產(chǎn)主要依靠化石燃料制氫。化石燃料制氫工藝成熟，原料價(jià)格較低，適合大規(guī)模制氫，但是碳排放和常規(guī)污染物排放量大，不符合清潔低碳的綠色氫能要求。工業(yè)副制氫成本低，技術(shù)比較成熟，但是受制于原料供應(yīng)，建設(shè)地點(diǎn)受到約束。高溫分解制氫污染少、產(chǎn)氫純度高，但是能耗和成本較高。電解水制氫是各類制氫方式中中碳排放最低的工藝，尤其是可再生能源電解水制氫呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，是未來(lái)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。其他工藝制氫，包括生物質(zhì)制氫和核能制氫等新型制氫技術(shù)，目前尚處于研發(fā)示范階段，制氫成本受實(shí)際生產(chǎn)條件影響大。
氫氣純化是指利用物理或化學(xué)的方法，除去氫氣中的雜質(zhì)。由于自然界中的氫總是以化合物的形式存在，因此在制氫時(shí)就會(huì)帶有雜質(zhì)。氫氣中有雜質(zhì)，就帶來(lái)了安全隱患，容易發(fā)生爆炸，這就要求對(duì)氫氣原料進(jìn)行純化。常用的氫氣純化技術(shù)有膜分離法、低溫分離法、變壓吸附法、金屬氫化物法、催化脫氧法等。通過(guò)各類氫氣純化技術(shù)，可以制取高純氫和超純氫，滿足工業(yè)上對(duì)各種高純氫的需求。
圖1 氫氣制取方式
2.2 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈中游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的中游就是儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)。由于制氫與用氫不在同一地點(diǎn)，必然需要儲(chǔ)存和運(yùn)輸。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，氫能的儲(chǔ)存、運(yùn)輸系統(tǒng)要求大容量、低成本、高安全性、使用便捷，因此氫能的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。
氫氣儲(chǔ)存方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫[3-7]。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是最常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式，氫氣的密度小，需用1.5 MPa以上的高壓才可用特制的鋼瓶貯存；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將氫氣降溫至零下252.72攝氏度變?yōu)橐后w，然后保存在特制的高度真空的絕熱容器中，目前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域；有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫密度高，但脫氫溫度也高，尚未應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。固態(tài)儲(chǔ)氫一般是用金屬合金儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫密度大，成本低，安全性穩(wěn)定性高，但是技術(shù)尚未成熟，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。
氫氣運(yùn)輸方式主要有氣氫拖車、液氫罐車以及氣氫管道運(yùn)輸。氣氫拖車運(yùn)輸技術(shù)成熟，是國(guó)內(nèi)最普遍的運(yùn)氫方式，但運(yùn)輸效率低，適用于小規(guī)模的短途運(yùn)輸。氣氫管道運(yùn)輸輸送量大，供應(yīng)可靠性高，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大規(guī)模運(yùn)輸氫的重要環(huán)節(jié)，我國(guó)正處于起步階段，目前氫氣管網(wǎng)僅有300-400公里。相對(duì)于氣氫儲(chǔ)運(yùn)，液氫儲(chǔ)運(yùn)最大的優(yōu)勢(shì)在于其運(yùn)輸?shù)臍淠苊芏雀?、運(yùn)輸周期短，是一種極為理想和有效的儲(chǔ)存、運(yùn)輸方式，是未來(lái)氫儲(chǔ)運(yùn)的重要方向。但同時(shí)也存在一些不足：氫氣液化過(guò)程將消耗大量的外部能量，儲(chǔ)存液氫的容器為特制液氫罐，增加了液氫儲(chǔ)運(yùn)容器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與加工成本。目前，國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力發(fā)展相對(duì)落后，液化設(shè)備依賴進(jìn)口，與國(guó)外技術(shù)差距明顯。
2.3 氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游
氫能源產(chǎn)業(yè)鏈下游為加氫及氫的綜合應(yīng)用，涉及到加氫站建設(shè)以及交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用。加氫站是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。截至2020年11月21日我國(guó)累計(jì)建成88座加氫站，其中已投入運(yùn)營(yíng)的有80座，另有50座正在建設(shè)當(dāng)中，還有99座正在規(guī)劃中。氫燃料電池是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)和制高點(diǎn)，它是由燃料電堆及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，燃料電堆是核心，包括質(zhì)子交換膜、催化劑、擴(kuò)散層、雙極板。降低燃料電堆成本的關(guān)鍵在于核心組件膜電極的技術(shù)突破。國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)激烈，未來(lái)需求量大，需要與氫燃料電池汽車等動(dòng)力裝置配套發(fā)展。目前我國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)集成技術(shù)比較成熟，但距國(guó)際先進(jìn)水平還有一定差距。在交通領(lǐng)域，氫燃料電池汽車屬于氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的終端應(yīng)用，相比傳統(tǒng)燃油汽車，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、無(wú)傳動(dòng)部件的優(yōu)勢(shì)；相比電動(dòng)汽車，具有高續(xù)航、加注時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。我國(guó)出臺(tái)的《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等重要文件中，明確提及要大力發(fā)展氫燃料汽車。未來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步以及規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的成本下降，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。
除此之外，氫能源除了作為移動(dòng)能源外，還可以用于固定能源，作為建筑、社區(qū)等的供能載體和備用能源；還可以用于氫冶金、汽油精煉工藝、玻璃磨光、黃金焊接等多個(gè)領(lǐng)域，擴(kuò)大低碳?xì)涞墓I(yè)應(yīng)用范圍。
3 氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景
從中長(zhǎng)期看，由于氫能源獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)、能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)以及掌握核心技術(shù)、替代進(jìn)口的戰(zhàn)略需求，我國(guó)的氫能源產(chǎn)業(yè)具有非常大的發(fā)展空間。中國(guó)氫能聯(lián)盟2019年發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》預(yù)計(jì)，到2030年，我國(guó)氫氣需求量將達(dá)到3500萬(wàn)噸，在終端能源消費(fèi)中占比5%，燃料電池商用車銷量將達(dá)到36萬(wàn)輛；到2050年，氫能源將在我國(guó)終端能源消費(fèi)中占比至少達(dá)到10%，氫氣需求量接近6000萬(wàn)噸，可減排CO2約7億噸，其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫約2500萬(wàn)噸，約占該領(lǐng)域用能的20%。氫能源產(chǎn)業(yè)具有極為廣闊的發(fā)展前景，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有極重要的戰(zhàn)略價(jià)值。
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