奇妙的氢：氢制取简析

  二次能源可大致分为“过程性能源”和“含能体能源”，电能是目前应用最广的“过程性能源”，汽油、柴油是应用最广的“含能体能源”。目前“过程性能源”尚不能大量直接储存，人们也将目光投向寻找新的“含能体能源”。氢能正是一种人们期待的新的“含能体能源”。

  从能效上看，氢能是除核燃料外发热值最高的，其热值约为140MJ/kg，高达煤炭、汽油等传统燃料的3倍以上，燃烧性能好、燃点高、燃烧速度快。氢能应用主要是直接燃烧和燃料电池技术。燃料电池是继水力发电、热力发电和原子能发电之后的第四种发电技术，作为电解水的逆过程，反应产物是水，发电效率能够达到50%以上。

  氢气的制取主要有三种主流的技术路线：以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源重整制氢（灰氢）；

  以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产物提纯制氢（蓝氢）。使用碳捕捉与封存（CCS）技术，可以使碳排放量能够减少90%以上，采用CCS 技术制取的氢气被称为“蓝氢”（CCS 技术将大幅度的增加制氢成本）；

  这其中，来自华中科技大学徐长发撰文认为，2014年，加拿大某公司提出的PEM技术，性能优异，并正式投产，总体效率达74%~87%。在PEM技术中可以在中、高电流和高电压下工作，启停快速方便，能适应可再次生产的能源发电的波动性，在工业制氢中占据了重要位置。近几年，我国准备建造1000多个这样的制氢站。中国也在独自研究关于PEM技术的新材料，准备全力发展PEM制氢技术。此外，SOEC技术成本已经能够降低为传统电解水制氢成本的一半，但该技术目前还处在进一步深化探索阶段。

  可再生能源电解水制取绿氢或将实现与灰氢平价。用电成本决定了电解水制氢成本（电费成本占电解水制氢总成本近80%），依靠传统发电模式制氢则成本比较高，而可再次生产的能源发电（光伏、风电等）制氢则有着非常明显的成本优势。

  可再次生产的能源ALK电解水制氢平准化成本为22.9-27.7 元/kg（不包括海上风电）；采用PEM 电解水制氢技术成本将高出40%左右。采用CCS 技术的低碳氢（灰氢）平准化成本在15-27元/kg，现阶段略低于可再生氢（绿氢）成本，未来随着可再生能源发电成本的下降，绿氢将实现与灰氢平价。

  可再生能源制氢发展的潜在能力巨大，是实现“双碳”目标的重要路径。内蒙古、山西、甘肃、吉林等地区为光伏制氢示范项目主要建设地，其中内蒙古自治区能源局在 2021年8月优选了7个风光制氢示范项目，其中鄂尔多斯市5个、包头市2 个，规划光伏发电建设总规模 185万千瓦，电解水制氢6.69 万吨/年。

  中国石化、隆基股份、阳光电源、宝丰能源、金风科技等光伏、风电、石化巨头企业都在积极布局电解水制氢市场。其中，宝丰能源在宁夏宁东能源化工基地投建了“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”，包括20万千瓦光伏发电装置和产能为每小时2万标方的电解水制氢装置，是全球单厂顶级规模、单台产能最大的电解水制氢项目。

  2021年11月30日，中国石化在北京、乌鲁木齐、新疆库车三地举行云启动仪式，宣布我国首个万吨级光伏绿氢示范项目——中国石化新疆库车绿氢示范项目真正开始启动建设。这是全球在建的最大光伏绿氢生产项目，总投资近30亿元，最重要的包含光伏发电、输变电、电解水制氢、储氢、输氢五大部分。项目将新建装机容量300MW、年均发电量6.18亿千瓦时的光伏电站，年产能2万吨的电解水制氢厂，储氢规模约21万标立方的储氢球罐，输氢能力每小时2.8万标立方的输氢管线及配套输变电等设施。

  今年1月28日，世界上最大的电解水制氢装置之一在河北省张家口绿色氢能一体化示范基地项目启动，一期项目包括在张家口投资建设2万千瓦可再次生产的能源电解水制氢和加氢项目，二期项目的目标是在未来两年内将产能扩大到6万千瓦。该项目由壳牌（中国）有限公司与张家口市交通建设投资控股集团有限公司成立的合资公司做建设，是壳牌在中国的第一个商业化氢能项目，也是目前中国仅有的三个商业化规模的电解水制氢项目之一。其它两个分别是宝丰能源项目（3万千瓦）和位于河北的海珀尔项目（1万千瓦）。

  在政策层面，绿氢项目今年开始在国家层面获得全力支持。3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业高质量发展中长期规划（2021-2035年）》明白准确地提出：结合氢能产业特点和现状，我国将优先建立以工业副产氢和可再次生产的能源制氢就近利用为主的氢能供应体系。可再次生产的能源制氢——绿氢不仅成为发展重点，且下一步将研究探索可再次生产的能源发电制氢支持性电价政策。可再次生产的能源制氢量到2025年要达到10-20万吨/年。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系，清洁能源制氢及供应体系，可再次生产的能源制氢大范围的应用。到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储运、工业等领域的多元氢能应用生态。可再次生产的能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升。

  在交通领域，氢能应用重点在于中重型车辆的脱碳过程，以及潜在的船舶、航空器领域的应用。在储能领域，可再次生产的能源消纳、电网调峰应用场景是示范重点。在发电领域，氢燃料电池分布式热电联供等氢能综合利用将是发展趋势。在工业领域，清洁低碳氢在化工行业的替代、以及氢冶金将是氢能主要的利用方向，还将探索氢能在工业生产里作为高品质热源的应用。

  比如在工业领域，长期以来，人们一致认为化石燃料才能为将铁矿石变成钢所需的化学反应提供动力，但氢气也可以，实现清洁燃烧，只留下水。瑞典公司SAAB表示，它在2021年生产了第一批无化石钢，这项技术将在本世纪中叶投入市场。我们大家可以使用氢气来实现重型运输业的碳清零，研究表明，几乎所有从中国驶向美国的集装箱都能够正常的使用氢燃料电池，它们能只需要减少5%的货运空间，或增加一个加油站，虽然目前还没有穿越海洋的氢动力船，但有一些很有希望的试点项目。航空业同样如此，2020年，第一架商用航空氢动力飞机起飞，主要飞机制造商空客公司正在开发三款氢燃料飞机模型，据称最早可能在2035年实现部署，长途飞行可能是一个挑战，但一项新的研究表明，即使是使用氢燃料的中短途航行，也可以将航空排放量减少多达1/3，这个格外的简单的元素实际上能解决一个很复杂的问题，它能够在一定程度上帮助我们减少一些污染最严重的行业的碳排放。

  4月7日，工信部、国家发改委等六部门联合发布了《关于“十四五”推动石化化工行业高水平发展的指导意见》，绿氢/富氢原料获得多次提及，包括：加快突破新型催化、绿色合成、功能-结构一体化高分子材料制造、“绿氢”规模化应用等关键技术；合理引导燃料“以气代煤”，适度增加富氢原料比重；鼓励石化化工企业因地制宜、合理有序开发利用“绿氢”，推进炼化、煤化工与“绿电”、“绿氢”等产业耦合示范；适度增加轻质低碳富氢原料进口。

  4月27日，国家科技部发布了《关于发布国家重点研发计划“先进结构与复合材料”等重点专项2022年度项目申报指南的通知》，其中“氢能技术”重点专项围绕氢能绿色制取与规模转存体系、氢能安全存储与快速输配体系、氢能便捷改质与高效动力系统及“氢能万家”综合示范4个技术方向，拟启动24项指南任务，安排国拨经费4亿元。其性关键技术类15项，基础研究类2项，青年科学家类7项。

  因为愈来愈便宜的电价，光伏制氢有望成为最低廉的发展方式。中国2025年目标是，可再次生产的能源制氢量将达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分。专业技术人员认为，如果全部以光伏制氢生产的线GW的光伏发电装机规模，而中国光伏发电并网容量截至2021年底已达305.987GW，仅需不到3%的比例即可满足制氢所需。

  另一方面，光伏发展对氢能发展具有很重要的推动作用，随着产业资本大规模介入光伏的产业链，光伏成本必定迅速下降。如果电力成本控制在每方氢九毛钱的水平，再加上设备的折旧、运维以及相对必要的资产回报率，把氢气控制到一方氢一块五毛钱的水平是完全有可能的。

  但是，虽然绿氢发展正呈现如火如荼之势。今年两会期间，在内蒙古代表团参加审议时，也曾谆谆嘱托：“不能把手里吃饭的家伙先扔了，结果新的吃饭家伙还没拿到手，这不行。”

  国家发展改革委主任何立峰说，推进“双碳”工作一定要坚持全国一盘棋。要坚持先立后破、稳妥推进，绵绵用力、久久为功。“我们不搞‘碳冲锋’，也不搞运动式‘减碳’，有力有序有效推进‘双碳’工作。将在沙漠、戈壁、荒漠规划建设4.5亿千瓦大型风电光伏基地。同时，周边煤电企业坚持先立后破。”