“双碳”目标下绿色氢能技术发展现状与趋势研究

张利军

摘要：据统计我国的电力系统每年碳排放占总碳排量的40%，我国近年来提出“碳中和”目标，并初步打算以氢气作为潜在支撑，助力一些行业实现低碳转型，包括电力交通，钢铁建筑等。对以上系统进行碳减排，不断向“双碳”目标靠近，氢气在此过程有着重要作用，需要改良传统能源系统，建立新型能源系统，寻找新能源代替原有资源，实现资源的可再生，降低化石能源在总能源中的比重，建立现代高效能源体系，贯彻落实好低碳安全，清洁卫生目标，助力“碳达峰”与“碳中和”的实现。建立绿色无碳的新产业链，通过可再生资源，知道氢气及其氢能化合物，解决可再生资源的产出与使用问题，是一条拥有巨大潜力的发展路线。文章将重点放在我国目前行业内，应用氢能相关产业的现状以及新发展，对于氢能关键技术，包括制造储存，应用销售等环节，结合市场新能源需要，研究未来发展趋势，针对当下氢能发展现状，与应用氢能主要产业或场景结合，为后续新能源与氢能的发展提供参考。

关键词：“双碳”目標;绿氢;可再生能源;关键技术;发展趋势

我国原来提出不少政策，指导新能源技术的进步，在此支持下，我国氢能产业欣欣向荣，但作为一项新能源技术，产业核心问题还有待解决，例如氢能材料技术并没有实现自主研发，氢能产业基础设施够理想有待加强等现象。本文将国内国外新能源产业发展的信息进行动态捕捉，结合氢能产业所需关键技术，结合未来新能源发展现状与趋势，对我国新能源产业在氢能中的投入和产出在具体场景中的使用提出问题与指导，期待对我国在氢能产业有更多的收获。

1国内氢能产业发展现状

2021年2月22日，国务院发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》指出，大力发展氢能，加大加氢等配套设施建设。

随着氢能政策的制定与完善，大批的氢能示范项目也陆续开展，部分绿色氢能示范项目和加氢站分布情况如如表1、图1所示。

2绿色氢能关键技术研究

绿色氢能的技术路线如图2所示，

2.1绿色制氢技术

2.1.1电解水制氢

电解水技术设备简单、技术成熟、无污染，由于其成本相对较高、效率低、能耗大等因素制约了电解水制氢技术的商业化推广。

具体分析如下：

（1）碱性电解水制氢技术发展最为成熟，制氢成本也相对较低，已基本实现工业大规模应用，但是能效较低;

（2）PEM制氢技术具有更宽泛的运行功率范围及更短的启动时间，可实现高电流密度电解、功耗低、体积小、生成气体纯度高、容易实现高压化，能够很好适应可再生能源的波动性，国外发展较为成熟，已开始商业应用，但在我国基本处于实验研发阶段;

（3）SOEC电解水制氢技术目前国内外均处于研发阶段。有研究发现SOEC可在动态电力输出下工作，并不会有明显衰减。

（4）碱性电解水制氢成本有限，后期的研究重点将在于成本、效率和灵活性之间的平衡。

（5）固体氧化物制氢技术是能耗最低、能量转换效率最高的电解水制氢技术，随着技术的突破有望实现大规模供应。

2.1.2太阳能制氢技术

目前，太阳能制氢技术主要有光催化法制氢、化学制氢、人工光合作用制氢等。

（1）光催化分解水制氢的过程比较复杂，当太阳光照射光催化剂受时，光催化剂进行捕获、吸收、产生激子，少量存在的激子向表面发生迁移，迁移到反应活性中心分解水产生氢气。光催化剂制氢有优缺点并存，光催化剂可通过多种材料制造氢，但转换率无法保证，转化率普遍偏低。所以重点研究光催化制氢技术，将目标放在光催化剂的改良上，以稳定性，活性，成本作为挑选标准。

（2）热化学制氢技术，利用聚光器加热水，当温度达到2500K以上时分解为氢气和氧气。热化学制氢技术方法简单，效率高，但是需要高倍聚光器才能获得分解需要的温度。研究发现，热化学制氢技术在光照条件下可以利用光催化剂降低对温度的要求。

（3）植物在太阳能下进行光合作用，这种模式人工光合作用可以模仿，用来改良氢制造技术，此过程的最大优点为，操作简单，知青效率有保证，且不会造成环境污染。但发展缓慢，转化效率不理想也是缺点。

2.1.3生物质制氢技术

微生物法制氢技术包括光发酵法制氢、暗发酵法制氢和光合生物制氢。

（1）热化学转化法制氢技术包括生物质气化法制氢、生物质热解法制氢、生物质超临界法制氢。

（2）微生物法制氢技术与生物质超临界法制氢技术尚处于实验室研究阶段。生物质气化法制氢的关键气化技术虽已成熟，但由于生物质气化规模小，目前还没有生物质气化制氢工业化装置建设。

2.2氢能储运技术

储氢技术阐述如下：低温液态储氢，此项储存技术在许多发达国家，例如美国，日本等得到广泛商业化应用。但我国在此方面要求较为严格，此项技术仅应用于航空航天领域，军事领域中也有所涉及。

高压气态储氢，此储存对核心设备要求较高，氢透平膨胀机是第一核心设备，低温阀门是第二核心设备，我国有技术无法生产相应标准设备，对进口依赖较大。与国外技术与装备相比，我国在液氢储罐制造方面能力也有所缺失。

金属或合金物理储存氢技术，将氢气以固态方式储存，但在运输方面有一定困难，燃料电池车为发展到一定规模，使得氢气运输的市场要求较低，氢气加油站较为分散稀少，长管拖车作为氢气的主要运输工具，其优点在于，技术成熟，运输快捷，补几方便。普遍应用于国内外加氢站氢气的补给。

3绿色氢能发展趋势及典型场景展望

3.1绿氢关键技术发展趋势

3.1.1绿色制氢发展趋势

我国制氢产业有以下困难，基础设施不达标，能量大量耗损，生产成本较高。制氢成本的75%～85%，小号在电解水制氢过程中，电力耗损巨大。电价也有波动不稳定性，这与经济性在绿色氢能中的体现直接挂钩。国家不断出台减排政策，并对碳排量做出承诺，有国家发展政策来支撑新能源系统，新能源发电成本不断降低，且有风电和光伏，越来越多的研究使制氢技术得到众多关注，并出台众多扶持政策，投入资金也十分可观。在优良环境下，制氢技术的进步会不断加快，开发效率也会逐步提高，晚上我国新能源缺口，并充分利用太阳能的作用。

3.1.2氢气储运发展趋势

在储氢技术中，行业普遍采用高压气态储氢方式，我国在储存方的优势为国产化容器罐体材料可大规模生产，但劣势在于美国和日本发达国家垄断了关键设备材料，高性能碳纤材料仍需依赖对外进口。低温液态储氢技术未来发展较为平缓，原因在于此项技术难度系数较大，绝缘材料投入巨大，液化成本不可估计，能量消耗较为严重。以上对液体储氢技术的优缺点进行说明，小规模示范研究在我国某些地区已经开展。与传统气态和液态储氢技术相比，固态储氢技术安全性好，储清量较大，方便后续操作。未来发展前景十分广阔，特别是后续在生产成本控制，设备与材料能够方便使用，储氢方式由多种归纳为以固态储氢为主要方式。氢燃料应用于电池汽车中，得到一定推广，但仍处于示范运行阶段。我国汽车行业对氢气需求量不高，因此现阶段氢气需求可通过场馆拖车运输氢气，在加氢站中实现氢气的自由补给。但未来氢气需求量，会随着燃料电池车的不断推广和普及加大，基础设施辅助氢气的补给会逐渐完善，满足氢气运输方式，通过管道运输，逐渐形成规模，提高氢气新能源的经济性。

3.2绿氢典型应用场景展望

3.2.1海上风电氢能耦合应用场景

海洋能源应用范围较广，利用效率可以通过海上风电与氢能耦合提高，作为能源运输新思路，帮助海上风电的消纳顺利进行。如图三所示，将此种技术的应用场景进行展示，你线路图方式说明技术线路的具体位置。一条技术线路通过海水淡化分解间接制造氢能;另一条技术线路通过利用咸水实现氢能的直接转换。前者技术比后者成熟。但制氢成本也随着海水淡化需求而增加，咸水制氢在技术上还有所不足，需要研究关键材料和催化剂，实现技术上的突破。

3.2.2综合能源系统氢能耦合应用场景

提高多种不同类型资源的综合利用率，需要有完善的综合能源系统，将电气，冷气，热气，水气等充分利用起来。而氢储能可以作为多能联供媒介，起到能量平衡工业园区能源系统的作用，有效改善工业园区能量不平衡现象，提高工业园区的整体效益，完善综合能源系统。在未来能源系统发展中，综合能源系统结合绿色氢能发展行业，共同打造出两种能力耦合应用，并作为典型适用于多个不同场景。

3.2.3氢能在交通领域的应用场景

对比传统纯电动汽车，采用新能源氢燃料电池汽车有以下优点，续航里程长，燃料补给方便，燃料补充时间短。在未来随着规模化的生产以及氢能行业的发展，氢燃料电池汽车的成本不断降低，广泛应用于交通运输领域中。

4结论

作为一种理想清洁能源，也成为平衡环境问题与能源问题的重要载体，绿色氢能有助于稳定我國能源状态，也是构建新型能源系统一大助力。本篇从发展情况的角度对比国内外氢能产业，将不同环节所应用的关键技术与我国绿色氢能结合，提出改良开发建议，应针对我国新能源应用情况，模拟典型应用场景。

（1）与国外应用绿色性能相比，无论是开发利用技术，还是发展现状，我国有一定不足。氢能作为清洁能源转型的重要组成，其发挥作用还有待研究。国家需要从战略方便进行布局，加大对关键政策的研发，出台政策继续扶持氢能的发展。

（2）绿色氢能制造取用过程较为艰难，运输方面也存在一些技术性难题。使得氢能其相关操作成本无法控制，无法实现产业规模化应用。政府的扶持与引导，院校的努力研发，企业的支持与合作三者共同促进绿色氢能技术的成熟，加快商业化推广脚步，为其他行业起到示范作用，加大投资实验的资金支持，研发力度上也需下更多功夫。

（3）在未来可再生资源应用中，氢能可以占据主要应用场景，在未来制氢方式中，可再生能源也作为重要原料，海上风电，工业园区大规模建设，离不开完善的综合能源系统，未来交通运输也会有一定规模发展。在良好环境下，氢能发挥主要作用，保障整个能源系统处于安全稳定状态，提高系统的商业价值，提高系统应用于其他场景的效益。

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