氫能的開發(fā)利用是更快實現(xiàn)碳中和目標、保障國家能源安全、實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。氫能目前主要應用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領域，隨著頂層政策設計和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，氫能的應用領域?qū)⒊尸F(xiàn)多元化拓展，在儲能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領域應用必將越來越廣泛。

 

氫儲能：加速能源轉(zhuǎn)型進程

我國可再生能源資源豐富，應大力開發(fā)風能、太陽能光伏發(fā)電，實現(xiàn)可再生能源到氫能的轉(zhuǎn)化。但風電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性，影響了其并網(wǎng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，同時也削弱了電力系統(tǒng)的調(diào)峰力度。隨著氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和完善，氫儲能系統(tǒng)的加入可以提高可再生能源發(fā)電的安全性和穩(wěn)定性。利用風電和光伏發(fā)電制取綠氫，不僅可以有效利用棄風、棄光，而且還可以降低制氫成本;既提高了電網(wǎng)靈活性，又促進了可再生能源消納。此外，氫能亦可作為能源互聯(lián)網(wǎng)的樞紐，將可再生能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)連為一體，加速能源轉(zhuǎn)型進程。

氫燃料：作為終端能源應用于電力行業(yè)

氫能可以作為終端能源應用于電力行業(yè)，通過氫燃料電池(FC)將化學能轉(zhuǎn)化成電能，或者通過燃氣輪機將化學能轉(zhuǎn)化為動能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放等優(yōu)點，主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)兩大類。

質(zhì)子交換膜燃料電池

PEMFC主要由膜電極、雙極板、電解質(zhì)和外部電路等組成，具有工作溫度低、啟動快、功率范圍寬、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，在汽車動力電源領域發(fā)展迅速。作為燃料電池和電解槽的關(guān)鍵組件，質(zhì)子交換膜需要具備質(zhì)子傳導電阻小、電流密度大、機械強度高等特點，其決定了PEMFC的效率和品質(zhì)。

目前，商業(yè)化應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜以及Ballard公司的BAM型膜等。此類膜的局限性在于其易發(fā)生化學降解，溫度升高使質(zhì)子傳導性能變差，成本也較高。針對此問題，我國東岳集團有限公司、科潤新材料股份有限公司等經(jīng)過10余年研發(fā)攻關(guān)，不僅提高了膜材料的性能，還實現(xiàn)了國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了成本。

此外，在政策方面，我國高度重視PEMFC技術(shù)的研發(fā)，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》要求，到2030年實現(xiàn)額定輸出功率達50～100 kW、系統(tǒng)比功率大于等于300 Wh/kg、電堆比功率達到3 000 W/L以上，PEMFC分布式發(fā)電系統(tǒng)使用壽命超過1×104 h;同時通過建立分布式發(fā)電產(chǎn)業(yè)化平臺，實現(xiàn)千瓦至百千瓦級PEMFC系統(tǒng)在分布式電站等領域的應用。

PEMFC用途廣泛且多元化。日本和韓國擁有相對成熟的氫燃料電池汽車技術(shù)，已應用于乘用車、商業(yè)車、叉車、列車等。例如，豐田在2020年底發(fā)布了第二代Mirai氫能燃料汽車，通過增加氫負載將續(xù)航里程提高了30%。東日本鐵路公司發(fā)布了以氫燃料電池和蓄電池為混合動力的試驗列車“云雀”，加氫一次即可行駛140 km。

國內(nèi)以捷氫科技、新源動力、濰柴動力為主的大型電堆供應商在自主研發(fā)方面也取得了較大進展。2021年，捷氫科技自主研發(fā)的大功率氫燃料電池額定功率達到了117 kW，同時系統(tǒng)及電堆一級零部件實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化。濰柴動力發(fā)布了新一代120 kW、壽命超3×104 h的燃料電池發(fā)動機，助力行業(yè)零碳發(fā)展。2022年北京冬奧會期間，張家口賽區(qū)投運的氫燃料電池汽車達710輛，其中，氫燃料電池公交車續(xù)航里程可達406 km。

固體氧化物燃料電池

SOFC是全固態(tài)發(fā)電裝置，由陽極、陰極、電解質(zhì)、密封材料以及連結(jié)材料等組成。其中，電解質(zhì)決定了SOFC的工作溫度和功率，是SOFC的核心部件。雖受限于600～1 000 ℃的高工作溫度和低啟動速度，SOFC因其燃料選擇范圍廣、能量轉(zhuǎn)化效率高、無需催化劑等優(yōu)點擁有廣闊的發(fā)展前景。

當前，歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)SOFC技術(shù)成熟，處于商業(yè)化推廣前期。其中美國和日本分別發(fā)展了百千瓦級大型固定式電站和千瓦級家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，均實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化運行。其中的領軍企業(yè)包括美國Bloom Energy公司(常壓平板式)以及日本三菱重工(加壓管式)等。

較之于國外，國內(nèi)SOFC發(fā)展差距較大，還處于實驗室研究與樣機研制階段，尚未形成商業(yè)化的SOFC系統(tǒng)，企業(yè)參與度不夠，并且SOFC的產(chǎn)業(yè)鏈不完整，所需核心產(chǎn)品均屬于定制產(chǎn)品，暫無專業(yè)廠家可以提供核心零部件。

SOFC適用于大型商用分布式、固定式發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)等領域。例如，將SOFC作為通信基站的備用電源甚至是主電源，可以滿足5G基站的高能耗并解決環(huán)境和噪音污染等問題。2022年2月，為了給離網(wǎng)基站提供持續(xù)電力保障，由福大紫金開發(fā)的3 kW級氨—氫燃料電池發(fā)電站實現(xiàn)成功發(fā)電并穩(wěn)定運行，為氫燃料電池在大規(guī)模通信基站備用電源領域的推廣奠定了基礎。

氫燃氣輪機

燃氣輪機是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為動能的內(nèi)燃式動力機械，是發(fā)電和船艦領域的核心裝備。較之于燃煤發(fā)電機組，燃氣輪機具有發(fā)電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點。目前，燃氣輪機電站發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%。

燃氣輪機的常用燃料是天然氣，會造成大量的碳排放且其中的雜質(zhì)易積聚，甚至對機器造成腐蝕，致使能量轉(zhuǎn)化效率和使用壽命降低。而氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為天然氣的9倍，15 min左右便可以將負荷從零拉升至全滿，用氫氣替代天然氣，除了可以提高熱值和降低碳排放量外，還可以使燃氣輪機具有更高的負荷調(diào)節(jié)能力。

目前，多個電力巨頭已經(jīng)開展了氫能燃氣輪機的相關(guān)研究工作。如通用電氣(GE)的首臺混合氫燃氣輪機已落地廣東，混氫比例為10%的燃氣輪機將提供1.34 GW的電力。此外，GE還將建造美國第一座燃氫發(fā)電廠，爭取10年內(nèi)實現(xiàn)100%燃氫。日本三菱重工已經(jīng)成功研制30%混氫比例的燃氣輪機，西門子能源在德國開展了100%氫能燃氣輪機原型機的試驗，日本和歐盟EU Turbines已經(jīng)承諾在2030年前推出100%燃氫重型燃氣輪機。

然而，目前市場上還沒有可以處理純氫燃料的、長期可運行的燃氣輪機。大力發(fā)展氫能燃氣輪機，需要解決燃氫過程中產(chǎn)生的回火和溫度過高等問題。在這方面我國與國外差距較大，需要加強政策扶持力度、深化科研攻關(guān)，盡早為氫能燃氣輪機國產(chǎn)化進程鋪平道路。

氫化工原料：加氫在化工領域是必需品

目前全球約55%的氫需求用于氨合成，25%用于煉油廠加氫生產(chǎn)，10%用于甲醇生產(chǎn)，10%用于其他行業(yè)。隨著我國科技、工業(yè)水平的不斷發(fā)展，在石油煉制等石化領域?qū)絹碓蕉嗟赜玫郊託浼夹g(shù)。

石油化工加氫

加氫技術(shù)是生產(chǎn)清潔油品、提高產(chǎn)品品質(zhì)的主要手段，是煉油化工一體化的核心。石油化工中用到的加氫技術(shù)主要包括重油加氫裂化生產(chǎn)芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產(chǎn)超低硫燃料、劣質(zhì)催化柴油及汽油加氫轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質(zhì)芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環(huán)己烷等。

加氫技術(shù)目前仍然存在著投資和操作成本高、能耗高等問題。開發(fā)新的活性組分體系、新的載體以及新型納米催化劑，提高加氫催化劑的活性與選擇性，降低工藝工程中的氫耗和成本，是石油化工加氫領域研究的重點。

合成化工產(chǎn)品

氫用作原料合成化工產(chǎn)品，例如氨、尿素等。氨主要是通過哈伯—博施法合成獲得，具有比氫更高的能量密度，可用于儲存能量和發(fā)電，并且完全不會排放二氧化碳。氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲存，適合于運輸。此外，還有完善的運輸和處理液氨的基礎設施，便于氨的規(guī)模利用。氨還可以與CO2結(jié)合得到尿素，既是一種重要的氮肥也是一種可持續(xù)的氫載體，它穩(wěn)定、無毒、對環(huán)境無害且更易于儲存。

哈伯—博施法合成氨自100年前發(fā)明以來，工藝已經(jīng)發(fā)展得相當成熟，目前仍然是全球合成氨的最主流方法，但一直以來生產(chǎn)氨所需的氫氣主要源于化石燃料制氫所獲得，碳排放量大。目前合成氨產(chǎn)業(yè)在嘗試開發(fā)新的制備工藝，如固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨、循環(huán)工藝法合成氨以及超臨界合成氨等。這些新生的合成氨工藝尚不成熟，存在著效率不高、反應過程不穩(wěn)定、經(jīng)濟性較低等問題，仍需要進一步驗證與完善。未來的發(fā)展方向?qū)⑹褂每稍偕Y源生產(chǎn)的氫氣，并由此可以顯著地改善現(xiàn)有工藝并降低溫室氣體排放量。

合成燃料

氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應合成簡單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態(tài)燃料實質(zhì)上可以達成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。

甲醇是重要的化工原料，用于生產(chǎn)甲醛、二甲醚、丙烯、乙烯和汽油等，市場需求量大。甲醇具有12.6%(質(zhì)量分數(shù))的高氫含量和5.53 kWh/kg的高能量密度，是重要的液態(tài)燃料和氫能載體，既可以轉(zhuǎn)化回氫氣和一氧化碳用于質(zhì)子交換膜燃料電池，也可以直接用于甲醇燃料電池，還可直接用作內(nèi)燃機、渦輪機和燃料電池的燃料。

目前工業(yè)上二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)正在從工業(yè)示范走向大規(guī)模商業(yè)化應用，日本、冰島、美國等均已建成中試裝置，冰島的碳循環(huán)利用公司(CRI)采用的ETL專有綠色甲醇合成工藝，能夠利用可再生能源制氫，并且每年制取約4 000 t甲醇，是目前能用于商業(yè)運行的相對較為先進技術(shù)。

我國河南順成集團已與冰島碳循環(huán)利用公司簽署合作協(xié)議，引進CRI技術(shù)建設10萬噸級二氧化碳加氫制甲醇項目。采用氫氣合成甲醇、甲烷或碳氫化合物，可以有效地存儲和輸運可再生能源制備得到的氫氣，破解氫能產(chǎn)業(yè)“制、儲、運”過程中的安全性和成本難題，有助于更加便利地利用清潔能源，為綠色能源轉(zhuǎn)型提供了解決方案。

氫還原劑：氫冶金的技術(shù)源頭

鋼鐵冶煉過程中，采用焦炭作為鐵礦的還原劑，會產(chǎn)生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來源，亟待發(fā)展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑，反應產(chǎn)物為水，可以大幅度降低碳排放量，促進清潔型冶金轉(zhuǎn)型。

目前全球已有少數(shù)國家發(fā)布了氫冶金技術(shù)案例，例如瑞典HYBRIT項目、薩爾茨吉特SALCOS項目、奧鋼聯(lián)H2FUTURE項目以及德國Carbon2Chem項目等。國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規(guī)劃，建設示范工程并投產(chǎn)，但有關(guān)示范工程尚處于工業(yè)性試驗階段，基礎設施不完善、相關(guān)標準空白、成本較高、安全用氫等問題依然存在。

當前，制約氫能煉鋼的主要因素是制氫成本，根據(jù)瑞典鋼鐵公司HYBRIT項目的經(jīng)驗，氫能煉鋼會使成本提高20%～30%，導致其在市場上沒有任何競爭優(yōu)勢。但在“雙碳”目標的背景下，發(fā)展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實際生產(chǎn)中，最適合煉鋼的是綠氫，若綠氫生產(chǎn)成本得以降低，則可加快綠色冶金的推進，最終所獲得的環(huán)保效益會覆蓋其額外成本。利用氫能進行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)深度脫碳目標的必行之路。

(本文來源：《天然氣工業(yè)》2022年第4期。作者鄒才能：中國科學院院士，現(xiàn)任中國石油天然氣集團有限公司新能源首席專家、中國石油深圳新能源研究院院長)