綠氫制備與氫儲(chǔ)能成為未來(lái)解決能源危機(jī)的終極方案

2022年，隨著世界局勢(shì)變化，以及歐洲已經(jīng)開始突現(xiàn)出的能源安全問題，使越來(lái)越多的人意識(shí)到，能源安全問題是一個(gè)著力發(fā)展制造業(yè)的國(guó)家需要面對(duì)的核心問題。對(duì)中國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，解決能源安全也是必修課——圍繞新能源發(fā)展，從光伏、風(fēng)電和新能源汽車（純電動(dòng)和插電/增程）一路形成閉環(huán)，是否就完全能跑通呢？

對(duì)此我的理解是：中國(guó)領(lǐng)土廣袤，在電網(wǎng)建設(shè)方面的投入相當(dāng)巨大；從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，解決中國(guó)能源安全，兼容化石能源和新能源，氫能經(jīng)濟(jì)將是未來(lái)發(fā)展的主題之一。事實(shí)上，在全球能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)碳中和過程中，氫能承擔(dān)著不可替代的重要角色。而中國(guó)具有良好制氫基礎(chǔ)和大規(guī)模應(yīng)用市場(chǎng)，氫能產(chǎn)業(yè)正在呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢(shì)。

目前光靠化學(xué)儲(chǔ)能系列來(lái)驅(qū)動(dòng)中國(guó)能源是有短板的，我們看到鋰電池配合太陽(yáng)能和風(fēng)電這系列組合，在鋰電池資源上游段，已經(jīng)出現(xiàn)了一定層面的資源問題。中國(guó)的能源安全問題，是需要靠幾條腿走路的。氫燃料電池技術(shù)，將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，也可以做成氫燃?xì)饽軝C(jī)。而氫儲(chǔ)能具備幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：大容量長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能可充分利用再生電力；儲(chǔ)能具有可觀的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性；制儲(chǔ)運(yùn)方式靈活（管道，可以拖車，高壓電、長(zhǎng)途輸電、長(zhǎng)途制氫等等）。如果能大規(guī)模應(yīng)用，可以成為未來(lái)解決能源危機(jī)的終極方案。

Part 1

氫能的發(fā)展

氫能有儲(chǔ)量豐富、能量密度高、可循環(huán)利用的特點(diǎn)，且能達(dá)成溫室氣體零排放，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)不可忽視的能源構(gòu)成，也是未來(lái)國(guó)家能源體系的組成部分。 中國(guó)是目前全球第一產(chǎn)氫大國(guó)，統(tǒng)計(jì)顯示，目前國(guó)際制氫年產(chǎn)量6300萬(wàn)噸左右，中國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸，占世界氫產(chǎn)量的三分之一。

但這些產(chǎn)能中，煤制氫和天然氣制氫占比近八成，氯堿、焦?fàn)t煤氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約兩成，綠氫規(guī)模很小。綠氫是中國(guó)的氫能行業(yè)的發(fā)展發(fā)向，潛力巨大。

什么是綠氫？按制氫的來(lái)源來(lái)區(qū)分，氫能可以分為：藍(lán)氫和綠氫，還有灰氫。

●灰氫（Grey Hydrogen）：是通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，事實(shí)上這類氫氣約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95％。氫原子并不存在于自然界中，向于依附在化學(xué)化合物、碳水化合物以及碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)中的氧和碳原子。使用的電力由化石燃料產(chǎn)生，那將其稱之為灰氫。生產(chǎn)灰氫的過程中會(huì)形成副產(chǎn)物，例如二氧化碳等溫室氣體。

●藍(lán)氫（Blue Hydrogen）：也由化石燃料產(chǎn)生而來(lái)，主要來(lái)源是天然氣。融入了碳捕獲與儲(chǔ)存技術(shù)，事實(shí)上全球范圍內(nèi)藍(lán)氫比綠氫更難獲取。

●綠氫（Green Hydrogen）：如果們使用清潔電力（零碳排），產(chǎn)生的氫就是綠色氫，綠氫是利用可再生能源、通過電解工序產(chǎn)生的，其碳排放可以達(dá)到凈零。

▲表1.三種氫氣的比較

綠氫是我們能源戰(zhàn)略目標(biāo)的重要發(fā)展方向，這從綠氫的獲得途徑可以看出。

由光伏和風(fēng)能構(gòu)成的綠電，是生產(chǎn)綠氫最理想的能量來(lái)源。“風(fēng)光”綠電+綠氫，是互相成就的雙環(huán)保路線。

◎太陽(yáng)能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為綠電，通過電解水設(shè)備產(chǎn)生綠氫，氫燃料電池的發(fā)電效率與綜合能效遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化石能源（是石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍），還是零碳排放。 ◎在風(fēng)電和光伏發(fā)電的聚集區(qū)建設(shè)制氫基地，能有效消納風(fēng)光電能。風(fēng)光發(fā)電有很強(qiáng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性，將風(fēng)光電用于電解水制氫，可提高能源儲(chǔ)存，拓展電能利用。

◎中國(guó)規(guī)?；娘L(fēng)電和光伏基地都在欠發(fā)達(dá)地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等，當(dāng)?shù)貙?duì)風(fēng)光電的消耗十分有限。氫氣需求被打開，不僅為光伏風(fēng)電網(wǎng)找到了規(guī)模化的大市場(chǎng)，也將進(jìn)一步促進(jìn)綠電產(chǎn)能的優(yōu)化。

配合特高壓進(jìn)行傳輸，以及部分電能的儲(chǔ)存需求，綠氫產(chǎn)業(yè)有著極大的市場(chǎng)前景，單在中國(guó)便有著萬(wàn)億的產(chǎn)業(yè)潛能，綠氫將是中國(guó)通往2030和2050年重要的能源介質(zhì)。

在中國(guó)，蓬勃發(fā)展的氫能燃料電池汽車就是綠氫的先導(dǎo)和突破口。伴隨著中國(guó)的新能源汽車革命，越來(lái)越多的可再生能源被利用發(fā)電，電可以制備氫能——?dú)浜碗娮鳛榭稍偕茉锤锩膬蓚€(gè)主要的能源載體，可以實(shí)現(xiàn)互換。

Part 2

綠氫的制備

綠氫制備方式中主流的是通過可再生能源發(fā)電所得電力接入電解槽電解水制氫，電解水制氫技術(shù)主要有堿水電解（AWE）制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）純水電解制氫和固體氧化物電解（SOE）制氫技術(shù)三種。

事實(shí)上，要發(fā)展綠色制氫產(chǎn)業(yè)，主要是依靠電解水制氫。面向近中遠(yuǎn)期，中國(guó)也在開展三種電解水制氫技術(shù)的研發(fā)。

●堿水電解制氫：目前在市場(chǎng)化中最成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，堿性電解液通常采用氫氧化鉀水溶液，在電解水制氫過程中輸送離子。通過多孔石棉來(lái)分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣?！褓|(zhì)子交換膜純水電解制氫：PEM電解槽由2個(gè)電極和1個(gè)膜組成，不需要電解液，只需要純水，使用膜電極組件，電極材料為多孔鉑，催化劑附著在交換膜表面。

●固體氧化物電解制氫：水蒸氣進(jìn)入管狀電解槽后，在陰極分解成H＋和O2－，H＋獲得電子生成氫氣。

▲表2.電解氫主要方法對(duì)比

未來(lái)綠氫的制取成本還將持續(xù)下降——伴隨著可再生能源發(fā)電成本的持續(xù)下降、規(guī)模經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)有項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累以及技術(shù)進(jìn)步，都將使綠氫成為更具經(jīng)濟(jì)性的能源。從目前來(lái)看，2050年，綠氫發(fā)電潛在總市場(chǎng)將達(dá)到1萬(wàn)億美元。綠氫產(chǎn)業(yè)路線剛剛起步。

Part 3

電解水的瓶頸和解決方案

但是，目前采用電解水制備氫能主要有幾個(gè)問題：

●安全：首先面臨的難點(diǎn)是，現(xiàn)有制氫裝備多來(lái)自主流技術(shù)路線，生產(chǎn)過程中各種問題比較多。

氫比其他礦物然料更具有易燃易爆性，氫氣無(wú)色無(wú)味，易泄漏擴(kuò)散；氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4%～75%（體積分?jǐn)?shù)），可燃范圍寬；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%～59%（體積分?jǐn)?shù)），爆轟速度為1480m/s～2150m/s。當(dāng)氫氣泄漏與空氣或其他氧化劑結(jié)合時(shí)很容易著火，并會(huì)釋放出很大的能量爆轟的特點(diǎn)是突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超聲速的沖擊波。氫氣的易燃易爆特性與石油天然氣有很大區(qū)別，其威力和破壞性極強(qiáng)，其后果也要嚴(yán)重得多。

這對(duì)制氫設(shè)備的嚴(yán)密性提出了極高的要求。

●成本

電解制氫所需消耗的電量十分龐大，約占總生產(chǎn)成本的75％，這個(gè)成本之高，令人望而卻步。囿于成本難題，目前綠氫制氫成本達(dá)到17.7元/kg，是灰氫制造成本的3倍。 可見平價(jià)制氫將是綠氫得以普及的關(guān)鍵。當(dāng)前制約電解水制氫的主要為電力成本，這個(gè)環(huán)節(jié)需要解決效率和成本的問題。

由于電解水制氫的瓶頸，再加上能源需求上還有低廉的替代方案，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，技術(shù)層面沒有大的突破。目前行業(yè)對(duì)人員和技術(shù)創(chuàng)新很有要求。但隨著能源安全的議題被提上日程綠氫的戰(zhàn)略前景，這個(gè)前瞻性的領(lǐng)域里面，有不少在默默努力的公司，也有越來(lái)越多的有識(shí)之士加入這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。

比如海德氫能，作為一家綠氫制取、氫儲(chǔ)能及氫安全解決方案提供商，這家企業(yè)致力于引領(lǐng)綠氫行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。今年8月，海德氫能在鄂爾多斯發(fā)布了自研電解水制氫系統(tǒng)“氫舟”，集成三大綠氫科技：氫安全技術(shù)海德SENSOR 2.0、云帆電解制氫單片、制氫數(shù)字化平臺(tái)COMPASS，針對(duì)目前困擾綠氫制造行業(yè)痛點(diǎn)，提供安全、高效、智能的先進(jìn)綠氫制備解決方案。

●安全

前面提過，因?yàn)闅湟坏┬孤逗茈y及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成嚴(yán)重后果。因此對(duì)氫氣的監(jiān)測(cè)提出要求。

海德SENSOR 2.0無(wú)線氫安全傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣泄露實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將爆炸風(fēng)險(xiǎn)降到極低。這個(gè)傳感器的前身，曾亮相冬奧會(huì)主火炬臺(tái)的上，為奧運(yùn)圣火保駕護(hù)航。在第一代的基礎(chǔ)上，海德氫能推出了無(wú)線的2.0版本，不僅在使用上更方便，更是在安全系數(shù)上進(jìn)行了提升換擋，具備更多測(cè)點(diǎn)，反應(yīng)更精準(zhǔn)。

●效率

制氫的成本，是阻礙氫能推廣普及的關(guān)鍵。在電解水制氫行業(yè)一直在提升設(shè)備效率方面進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

海德氫能推出的標(biāo)準(zhǔn)化方形制氫單片“云帆”，這是一種可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)化制氫單元，大幅提升制氫整體運(yùn)行效能，為綠氫低成本、大規(guī)模落地提供了技術(shù)上的可能性。相比傳統(tǒng)的圓形電解單元，云帆的薄片方形結(jié)構(gòu)有更均勻的流場(chǎng)分部，對(duì)隔膜沖擊更小，讓電極反應(yīng)更充分，從而提升電流密度。利用云帆拓展性，氫舟可實(shí)現(xiàn)50標(biāo)方/小時(shí)到單一預(yù)制艙500標(biāo)方/小時(shí)的產(chǎn)量拓展。對(duì)于制氫廠房?jī)?nèi)方案，云帆可單槽拓展至1000標(biāo)方/小時(shí)?；跇?biāo)準(zhǔn)化制氫單元“云帆”，“氫舟”系統(tǒng)得以滿足不同規(guī)模、不同環(huán)境客戶的綠氫制備需求。

●數(shù)字化管理

云帆除了具備靈活行，還在單片上集成了追蹤系統(tǒng)，通過智能檢測(cè)CVM技術(shù)，能實(shí)時(shí)巡檢采集每一單片的信息，即時(shí)跟蹤設(shè)備運(yùn)行情況；具有數(shù)字孿生、安全預(yù)警、智能運(yùn)維、能量管理四大功能，實(shí)現(xiàn)在云平臺(tái)上“所見即所得”。

硬件層面的智能性、靈活性、便利性，可以支持打造了制氫數(shù)字化云平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)部署全天候監(jiān)控。出現(xiàn)故障后維修只需要更換報(bào)錯(cuò)單片，無(wú)需整機(jī)運(yùn)輸返場(chǎng)維修，整個(gè)設(shè)備的維修時(shí)間由過去的數(shù)周縮短至數(shù)小時(shí)。“云帆”讓制氫走向數(shù)字化、精準(zhǔn)化管理新階段。

這些技術(shù)整合在一起構(gòu)成的“氫舟”，能夠讓技術(shù)具有很好的落地特性。目前，海德氫能已經(jīng)落地內(nèi)蒙古首個(gè)零碳智慧制氫示范項(xiàng)目，還將與碳中和研究院共建1MW光伏示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)院內(nèi)氫能源應(yīng)用閉環(huán)。

小結(jié)：未來(lái)中國(guó)要實(shí)現(xiàn)碳中和，綠氫要達(dá)到8000萬(wàn)噸以上的目標(biāo)。國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)到2050年全球氫能利用的二氧化碳排放情況累計(jì)減少800億噸，2050年當(dāng)年減少70億噸。在這個(gè)過程中，綠氫是整個(gè)可再生能源的重要一步，海德氫能提供的“氫舟”技術(shù)，為電解水制備過程中提供了重要一環(huán)。

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng)，氫能燃料電池汽車是一個(gè)先導(dǎo)的突破口；氫電的互換技術(shù)、氫儲(chǔ)能、氫動(dòng)力，運(yùn)輸和應(yīng)用，我們正在一步一步地改進(jìn)技術(shù)路線。而綠氨應(yīng)用范圍也極具發(fā)展空間，未來(lái)的遠(yuǎn)洋貨輪、長(zhǎng)途飛機(jī)，都可以用用燃?xì)廨啓C(jī)作為備選方案。整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈需要更多的“海德氫能”這樣的行業(yè)先驅(qū)，通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，帶動(dòng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

審核編輯：郭婷