氢能的思考及发展路径判断和实践

周颖，周红军，徐春明

（1 中国石油大学（北京）理学院，北京 102249；2 中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室，北京 102249）

世界百年之大变局的主导因素之一是正在面临的能源革命，即从以煤油气为一次能源、电为二次能源转向电热为一次能源、氢为二次能源，从有碳能源向无碳能源的转变。其重大改变是氢的属性发生了变化，从化学品向专属燃料和二次能源属性演变。认清上述变化的本质、理清底层逻辑，才能准确判断氢产业的未来发展轨迹，实现创新发展。

1 氢的属性认知及定位

世界各国新能源的发展基本是政策与市场双驱动，氢作为新能源也不例外。政策的拉动、技术促进市场都将影响氢从化学品属性向专属燃料（如氢能车）及基础能源属性转变。

1.1 双碳目标下氢的定位思考

中国提出2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和（30·60）的目标。氢的定位思考首先必须认清氢的特点：氢是世界上最轻的物质，无色无味，对设备腐蚀性强，称为“氢脆”；空气中爆炸浓度范围宽，爆炸极限体积分数为4.0%～75.6%，安全要求高，氢能车不宜停放在密闭空间，如地下停车场。

若对新能源以CO减排、绿电和氢能三个维度来认识，CO减排是政府政策促进能源革命的工具与抓手，如各国政府的碳减排目标、政策、碳费与碳税等。通过发展无碳电，如光伏风电来实现CO减排目标，在这一逻辑下，无碳电的主要来源是光伏风电与核电，而光伏风电具有一定的不确定性，这一不确定性决定了未来氢能的二次能源属性定位，很显然氢能作为基础能源定位时，应主要是光伏风电生产的氢，即绿氢才有意义。相对于绿电而言，绿氢是被动的，只有绿电发展普及，才易带来绿氢的大发展，它是未来绿电的二次能源。这一定位变化使得氢从目前的化学品属性向专属燃料和基础能源转变。对标当前传统的能源市场，氢的专属化学品价格量级在2 万元/吨，专属燃料如汽油为(0.5～0.8)万元/吨，基础能源如天然气为(0.3～0.5)万元/吨，氢能绿色化过程实则是供给成本下降的过程，促进工具无外乎为政府的政策补贴及技术进步，这是底层的逻辑。

1.2 氢从化学品经专属燃料向二次能源转变“供”端变化及判断

光伏风电引领的能源革命重构了传统能源煤、油、气与电市场，新增了未来以二次能源定位的“氢能”，这就产生了氢代煤、氢代油及氢代天然气市场机遇。

以“氢能”视角思考，“氢”从当前的化学品属性定位到燃料，包括专属燃料与基础能源，将使氢替代煤、油、气用于住宅供热、工业供蒸汽等。

在氢能定位下，氢的来源应为无碳排氢，除核能制氢外，主要是光伏风电制氢和生物质制氢。生物质制氢有可能成为中国乡村振兴、政府工业补贴农业基金通道的载体工具。在中国进入中等发达国家阶段，替代中国户籍制度，通过政府政策进行中国乡村振兴的政府政策调控与拉动。美国与德国已成功利用生物质能相关的专属燃料作为补贴工具。

1.3 氢从化学品经专属燃料向二次能源转变“需”端变化及判断

从“需”端思考这次能源革命带来的重构，煤、油、气除具有能源属性外，还具有原料属性，特别是对重工业，能源革命是原料属性的氢再次对传统工业，如钢铁、炼化、煤化工及水泥等的深度利用，即再氢化，目标是产业低碳化。开发上述产业的绿色低碳技术是转型手段，也是中国区域竞争的核心工具，将重塑中国区域经济发展格局，也将成为国家间竞争的新标杆和焦点。

以“氢能”定位，能源消费结构中增加了这一新的能源种类，重构应用端主要是氢能车，以专属燃料定位，取代燃油车。很显然，在取代燃油车大潮下，电车处于世界领先趋势，氢能车也必有其位置，但各国因资源及地缘政治不同而定位不同，也受各国的工业限制，一些小国没有涉氢的传统工业，只有交通涉氢领域，因而各国的新能源战略中必有氢能车而不一定具备其他形式。

在油车的电氢转型中，不可忽视的是“赢者通吃”规律，未来氢能车在电车主导下的市场空间有多少，值得思考与判断。氢能车定位物流与城市间交通不代表电车无市场机会，这是氢能车的风险所在。国内央企的定位要考虑作为头部企业承担的产业创新领头羊政治责任，必须带头探索氢能新场景、新的商业模式，以孵化可能的新兴产业，创新中国，引领世界。

对于光伏风电产业界，重点发力电解水产业链是必由之路，但在实践、累积、沉淀和迭代等创新过程中，必须清醒地认识到氢从当前的化学品属性到专属燃料和二次能源阶段，底层逻辑是政府政策与技术创新双促进下的经济可行性。氢作为专属燃料用于交通领域的氢能车阶段之前，绿氢作为化学品取代化石原料制氢阶段不可或缺，具体到传统产业为钢铁、甲醇与合成氨，特别是中国的钢铁产业脱碳是中国传统工业脱碳的重中之重，其氢源必定来源于绿电重构现有的煤、油、气制氢，然后是绿电电解水制氢。

本文作者团队于2007 年布局了电重构石油炼化方向。因为电裂解烃生产烯副产氢，即电烯氢要比电解水氢成本更低、更具经济性；而煤制氢随政府政策调控必将淘汰，天然气制氢成本将越来越高而不具经济性，钢铁工业的低碳化除充分利用各种煤气外，可行的氢源就是随着炼化产业的低碳化而副产的氢资源，在绿电电解水具有经济性后，绿氢才可成为零碳冶金的原料。

2 绿氢作为化学品对传统产业的重构及绿色低碳棋局技术

（1）传统涉氢工业 绿氢化将使中国的传统煤原料制氢合成氨和甲醇产业面临被颠覆，特别是中国中东部煤原料合成氨和甲醇企业将面临政府越来越严的碳排放约束而生产成本上升，直至转型或关停。中国的钢铁产业因刚开始氢冶金转型，除产能往东部沿海迁移外，中西部的钢铁企业只能面临越来越低碳化的氢冶金转型。炼化产业随着炼化一体化，特别是电烯氢转型，西部以油田与绿电原位通过电烯氢技术材料化和氢化，东部沿海炼化一体化以燃料和化学品平衡生产，随汽车的电氢化向材料和氢能转型。总之传统耗氢工业：煤原料合成氨和甲醇将被颠覆；钢铁产业向短流程氢冶金还原铁转型，绿色低碳技术为各类氢源气基还原铁；炼化产业将被新的电烯氢绿色低碳技术重构，实现绿色低碳生产并副产外供氢。

（2）煤电 随着绿氢时代的到来，将重构煤电这一传统的电力产业。初期主要用于调峰而生产的绿氢可发展绿氨和甲醇储能，然后用于煤电机组调峰即作为调峰工具，也可并入天然气管网用于燃气。在西部五省建绿电调峰绿氢发展中心，并耦合现有煤化工基地，实现调峰及煤化工产业的低碳化，绿色棋局技术为电氨技术。

（3）CO回收、利用与封存（CCUS） 主要针对碳的捕获、利用与封存，换而言之，则是注重二氧化碳高值化的相关途径及应用。随着绿氢具有经济性，绿氢与CO可通过生产CO+H合成气，用于生产甲醇，经MTO生产乙烯和丙烯聚合成高聚物，不仅高值化又固碳，合成气也可用于生产高碳醇和FT合成燃料。绿色低碳核心技术为系列CO干重整技术。

（4）传统工业园 绿氢这一特色化学品将会对工业园，特别是化工园区实现重构，可取代空分装置重构传统的工业园气体岛供氧、供氢，实现更高水平的节能减排。重构园区的CCUS，实现低碳排放或建零碳园区。绿色低碳核心技术是电解水及CO干重整技术。

（5）光伏风电场 光伏风电场面对调峰和地方政府配套非电产业的要求以及光伏产业从物理光伏向化工光伏转型的必然趋势，电市场饱和后，必然面对绿电的大规模消纳，而不仅仅是调峰要求。

对于中国，在西部五省光伏绿电与传统高碳产业（如钢铁、炼化、合成氨、甲醇甚至水泥产业）的氢耦合将是光伏风电产业界下一个创新发展的方向，特别是到了化工光伏绿氢时代，光伏风电将与钢铁、炼化、合成氨、甲醇及水泥产业一体化而再获巨大发展空间。绿电电解水用于氢能车，与上述产业重构相比，将滞后且市场空间难以比拟。中国西部光伏风电资源与东部经济发达地区汽车市场空间上的错位通过特高压电网即可解决，而绿氢的长距离输送及经济性仍需若干年迭代。西部通过在当地建绿色工业园使传统重工业脱碳生产绿色低碳产品，通过中欧班列出口欧洲，将更加发挥西部五省的区位和光伏风电的资源优势，促进中国西部振兴。绿色核心技术是光伏风电原位电解水及绿氢与氧低碳消纳技术。

3 氢多属性综合一体化开发的方向及新场景

氢能社会是以绿氢为主的低碳时代，而绿氢来源主要是光伏风电和生物能源，光伏风电和生物质制氢与传统能源煤、油、气的整合与替代，是未来氢能应用的主要场景，包括中国西部光伏原位制氢和绿色气体岛新场景，东部村镇环境与能源清洁低碳化下的乡村振兴，城市废弃物处理与交通一体化低碳城市的创建等。

3.1 中国西部光伏原位制氢新场景

随着光伏风电技术的发展，特别是到绿电过剩阶段，开发光伏原位电解水并与西部油田耦合，进行地下地上能源一体化，将是应用新场景。如图1所示，油气田所产的天然气直接管网运输。所产的石油可利用绿电，通过电烯氢技术获得三烯三苯从而制备高价值化学品；也可利用绿电电解水制氢及氧，副产的氧可取代空分装置，氢进入天然气管网混输或与空气中的氮生产合成氨，继而与排放的二氧化碳生产尿素或制甲醇，氨可代重油用于海运，电解水制氢也可用于氢冶金生产还原铁。

图1 油气田绿电一体化示意图

在徐春明院士带领下，其科研团队于2019 年获中石油氢能专项支持，开发光伏原位电解水与油气田耦合技术，布局未来电氢时代下油气田的转型和炼化企业的再电气化。团队主要骨干成员来自于20 世纪80 年代中国化工部主导下的国内两大制氢团队之一的齐鲁石化公司研究院，对氢能有近40年的思考、积累和实践。

3.2 中国西部绿色气体岛新场景

中国的煤化工基地大部分位于西部，随着低碳化电氢时代的到来，传统的西部煤化工转型可通过绿色气体岛新场景来实现。如图2所示，国家电网与地方政府及发电企业可组建区域以绿电消纳和电网耦合调峰以及相关的综合能源服务为目标的绿色气体岛平台，可达到重构目前的煤化工基地需求。气体岛以绿电电解水生产氢和氧，包括电供能蒸汽和热水，回收煤化工园区的N和CO而集成一个新平台，输出H和O代替传统的煤制氢等高碳制氢及空分装置，从而实现煤化工园区逐步地低碳化替代，回收的N和CO与电解水的H和O可整合生产绿色电氨尿素及甲醇，从而颠覆替代以煤为原料的合成氨甲醇产业链，也可应用于电烯烃、氢冶金和氧化化工相关方向。

图2 绿电综合能源与气体岛示意图

2021 年本文作者团队获得第一个国家重点研发计划——电氨工业示范，在宁夏宁东以绿电电解水生产绿氨进行1 万吨/年工业应用，目标在于孵化绿色气体岛，重构传统煤化工园区及光伏风电场原位生产绿氨储能。绿氨用于代煤燃烧实现煤电厂调峰，替代重油用于海运脱碳等。

3.3 中国东部村镇环境与能源清洁低碳化下的乡村振兴新场景

中国的乡村振兴，借鉴美国和德国的成功经验，必须建一条工业补贴农业的基金通道。美国是生产乙醇汽油，德国是沼气发电和生物天然气。中国随着能源革命再电气化浪潮的到来，光伏风电、H及生物航油是未来中国的乡村振兴工业补贴农业的可行工具。在中国东部村镇孵化区域，村镇生活废弃物与光伏风电耦合生产电与氢，各类有机垃圾经过干/湿发酵并与光伏风电一体化集成，向周边村镇供应电、燃气及热（包括热水和冬天供暖），沼渣及沼液处理后返田，实现可循环利用。完成村镇种养、废弃物垃圾环境友好处理能源低碳化，以及农副产品加工三位一体，通过建立光伏风电、H及生物航油基金池，政府可对乡村振兴补贴拉动和促进（图3）。

图3 能源基金通道乡村振兴新场景示意图

本文作者团队已获三个相关国家高技术研究发展计划及国家重点研发专项。与中石化炼化工程公司合作开发出100 吨/天干发酵工艺包；在北京市科委支持下完成厨余垃圾湿发酵生产沼气，膜分离沼气生产100 立方米/小时生物天然气工业示范；在山东金沂蒙已完成沼气干重整制合成气相关工业测线试验；正在组织合成气FT 生物航油的合成研发，完成部委相关的生物天然气标准和公告，其中包括生物天然气产品标准、生物天然气入管网标准及生物天然气生产设计导则等标准文件。

3.4 城市废弃物处理与低碳化交通一体化创建低碳城市新场景

中国快速的城镇化及30·60双碳目标下，带来垃圾处理的挑战和公共交通的低碳化要求，上述两个产业链在城市平台上都与城市人口正相关，为政府的市政要务。探索低碳城市新场景，如图4 所示，基于居民所产生的垃圾与城市人口正相关，生活垃圾厌氧处理生产的沼气生产绿氢可用于加氢站或生产生物油品，用于日益繁忙的公共交通或相关公共服务运输系统形成闭环。

图4 低碳城市新场景示意图

本文作者团队已开发出沼气一步法干重整制合成气绿色低碳技术，相关技术已获美国风投一项，获多家国内外头部气体和环保企业交流，已和中石化炼化工程南京工程公司合作论证相关城区的餐厨垃圾处理制氢与氢燃料电池公共交通耦合可研。与上市企业南京万德斯合作论证佛山餐厨垃圾厌氧发酵沼气制氢，供氢能公交车。在东营市政府支持下，孵化区域村镇清洁能源一体化公司。

4 结论与展望

氢能利用不仅是汽车用氢，至2030 年将主要以化学品定位重构传统的中国耗氢工业，包括钢铁与炼化，2030 年左右绿氢越来越具经济性，绿色气体岛及光伏原位制氢将重构西部油气田、煤化工与水泥产业，以专属燃料属性促进氢能车的快速发展。氢作为化学品、专属燃料及二次能源多属性的综合利用，通过生物能源基金补贴通道，促进中国的乡村振兴及绿色低碳城市的发展。