“绿氢”制备需突破三大瓶颈

／工业和信息化部赛迪研究院 崔志广 李欢 赵卫东 ／

“绿氢”将是解决可再生能源转型中大规模、长周期能源存储与多元化终端利用的主要方式之一。“绿氢”是推动全球能源结构转型，应对气候变化的重要能源载体，具有实现二氧化碳深度减排气候目标的潜力。

氢能作为一种绿色低碳、来源丰富、应用广泛的二次能源，在全球低碳发展背景下，正逐步成为能源转型的重要载体。我国已将氢能列为未来能源体系的重要组成部分，视为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。目前我国氢气年产量约3300万吨，主要为化石能源制氢，制备过程碳排放量大，利用风能、太阳能等可再生能源电解制氢的“绿氢”1仅约占1%。为促进能源转型以及工业、交通、建筑等领域深度脱碳，实现碳达峰碳中和目标，亟待发展“绿氢”产业，破解“绿氢”制备成本高、产用氢空间分布不匹配、装备规模化三大瓶颈。

一、发展“绿氢”的意义

（一）“绿氢”是实现能源转型的主要载体

氢气具有可储存、能量密度大、使用过程零污染、零碳排的特点，是可再生能源的主要载体之一，兼有动力和储能的性能，同时作为无碳工业原料，具有不可替代性。“绿氢”将是解决可再生能源转型中大规模、长周期能源存储与多元化终端利用的主要方式之一。“绿氢”是推动全球能源结构转型，应对气候变化的重要能源载体，具有实现二氧化碳深度减排气候目标的潜力。

（二）“绿氢”是工业深度脱碳的重要支撑

工业是产生碳排放的主要领域，钢铁、水泥、合成氨、乙烯等工业因生产工艺消耗化石能源、原料特性，难以直接应用可再生能源或电气化技术进行深度脱碳。“绿氢”可以作为原料或燃料，取代以化石原料、燃料为基础的生产工艺，促进重点行业深度脱碳。

（三）“绿氢”是交通建筑领域脱碳的重要选择

交通运输和建筑领域目前以化石能源消费为主，“绿氢”可以作为交通运输和建筑供热领域深度脱碳的方式，在需要高能源密度电池（如重型商用车），氢燃料电池比普通电池更具竞争优势。同时在天然气中掺加绿色低碳氢，有助于家庭燃气具以及供热领域深度脱碳。

二、“绿氢”制备面临的三大瓶颈

（一）瓶颈一——成本高

“绿氢”制备成本主要分为设备成本、能源成本等，其中设备折旧成本约占总成本的40%~50%。一是制氢关键设备成本高，比如目前适用于可再生能源的质子交换膜生产工艺，由于质子交换膜和铂电极催化剂等关键组件成本较高，导致PEM电解槽制造成本较高。二是制氢设备利用率低，采用光伏、风能等可再生能源发电制取氢气，受可再生能源发电时间短影响，制氢设备电解槽等利用率低，增加了设备折旧成本占比，间接增加了制氢成本。三是可再生能源发电时间占比小，可再生能源发电受自然条件限制，发电波动性大。比如2021年全国光伏发电利用小时数为1163小时，利用小时最高的内蒙古为1558小时，利用率为17.78%。全国风力发电利用小时数为2246小时，利用小时数为2836小时，利用率为32.37%。在不考虑电解设备检修的情况下，直接利用光伏发电电解水制氢设备利用率不到1/5，直接风力发电电解水制氢设备的利用率最高也不到1/3。

（二）瓶颈二——空间分布不匹配

一是可再生能源与用能产业存在空间错位，我国光伏、光热、风电等再生能源集中在太阳能光照充裕的西北、东北等地区，而高耗能、高碳排且难以脱碳的钢铁、煤化工、水泥等工业以及氢燃料电池汽车交通工具，大多集中在东中部经济发达地区，与可再生能源制氢空间分布上存在不均衡。二是可再生能源与水资源存在空间错位，可再生能源电解水制氢原材料为水，我国水资源分布南方多、北方少，在西北、东北等可再生能源丰富的地区水资源相对缺乏。三是长距离输送能源效率低、能耗损失大，在清洁能源逐渐占主导地位的情况下，靠特高压和输气管道来输电输气，工程浩大，而且时间紧张，容量不够。

（三）瓶颈三——装备规模化有待突破

氢能尚处于产业化初级阶段，产业化仍存在诸多瓶颈，规模化效应尚未形成。一是电解槽不满足大规模工业化需求。我国电解水制氢项目当前最大的电解功率为2.5兆瓦，产能仅约1.12吨氢气／天，相较德国、日本等国家存在一定差距，不足以满足工业领域的大规模用氢需求。二是实现规模化应用关键设备还有待提升。日均生产10吨以上的氢液化技术及装备，DN50以上液氢阀门、膨胀机、液氢泵等关键设备制造等还未能国产化。三是适应可再生能源波动性的技术装备还有待完善，如风电制氢系统中抗风电大范围扰动的电解槽设计技术尚处于研发阶段。

三、促进“绿氢”发展的建议

（一）政府层面加大培育支持力度

一是研究制定支持可再生能源制氢的政策倾斜与激励，降低可再生能源制氢的能源成本。二是结合清洁能源开发情况调整优化产业布局，推动高耗能、高排放产业向西北、东北地区规模化、有序化转移，结合氢能在“源端”和“荷端”的发展路径，引导各地走差异化发展道路。三是聚焦制氢关键核心技术，通过揭榜挂帅、首台套重大技术装备、税收优惠等方式促进从基础研究、关键技术攻关、应用示范到产业化转化的创新能力提升。

（二）行业层面多途径促进制氢用氢协同发展

一是加快可再生能源电力制氢设计规范等“绿氢”制备标准制定，促进行业规范化发展。二是建设一批各具特色、优势互补的氢能产业集群，因地制宜地探索不同“绿氢”制备技术路线、储运技术路线、应用场景有机结合的可行性。三是强化科技创新与产业化衔接，推动“绿氢”成本快速下降。四是储备研发光解水和生物质气化制氢等技术路线，促进我国“绿氢”核心技术全面、自主的持续发展，力争“绿氢”技术成为继光伏、风电之后的全球领先行业。

（三）企业层面多途径降低可再生能源制氢成本

一是研发混合可再生能源互补系统，延长可再生能源供电时间，提高电解设备利用率。二是充分利用电解水制氢的副产品氧气，促进产业上下游协同，提高项目整体经济性。三是加大大型电解槽的研发应用，开发可替代材料及催化剂，减少电解槽关键材料以及贵金属催化剂的使用。四是积极开展产业化示范，促进制氢规模化发展，带动制氢成本下降。