全球加速打造氢能产业发展新格局

  [中国石油新闻中心2024-01-16]
  徐泉中国石油大学（北京）碳中和未来技术学院副院长
  双碳背景下，氢能作为一种清洁高效的二次能源，在构建安全高效的现代能源体系、保障能源安全、促进产业升级与推动能源科技革命中具有重要作用。
  全球氢能赛道已经开启
  氢能具有储量丰富、绿色低碳、燃烧热值高等优点，其产业链主要分为制氢、储运、加氢、用氢等，每个环节都是万亿级“赛道”。氢气很难从自然界中直接大量获取，需要依靠不同的技术路径和生产工艺进行制备。目前，主要的制氢路径包括化石能源重整、工业副产品提纯、电解水制氢。根据生产来源和碳排放量的不同，氢气可以分为灰氢、蓝氢、绿氢3种类型。
  氢的储存主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢3种方式。高压气态储氢已得到广泛应用，低温液态储氢在航天等领域得到应用，有机液态储氢和固态储氢尚处于示范阶段。目前，储氢成本居高不下，核心技术突破有限，成为制约氢能发展的关键。氢的运输方式主要有气态运输、液态运输和固态运输3种方式。氢的主要用途包括燃料用氢、原料用氢、储能用氢3种。目前，全球氢能发展如火如荼。国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，确定了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分。据中国氢能联盟预计，至2050年，氢气管网将密布于城市、乡村，车载储氢将采用更高储氢密度、更高安全性的储氢技术。全球各国对绿氢的重视程度也越来越高，欧盟发布了《欧盟氢能战略》，旨在推动氢能在工业、交通、发电等领域的应用；近日，美国能源部宣布，将斥资70亿美元在全美各地建立7个区域性清洁氢中心，用于生产氢燃料，打造全新的氢能产业。
  氢能与传统的油气产业链关系紧密，与石油石化行业高度契合。在氢能产业发展上，油气企业具有强大的制氢能力、成熟的能源安全管理经验、全面的网络站点体系，拥有资源规划、炼化生产、油气储运及零售终端建设、运维等多方面技术基础与优势。当前，在低碳转型压力下，全球各大石油企业不约而同地把目光投向了氢能“赛道”，依据自身的业务布局和发展规划，探索各自独具特色的氢能产业发展模式。石油公司发展氢能的主要路径包括：上游电解水制氢，中游碳捕集、利用与封存（CCUS），下游氢燃料电池，以及基于可再生能源微网的电氢氨一体化等。
  氢能产业链发展加速
  从制氢端来看，采用光伏、风电等新能源电解水制造“绿氢”已成为全球业界的共识，也是氢能产业化的重点。电解水制备氢气可以分为碱性电解水（ALK）、质子交换电解水（PEM）、高温固体氧化物电解水（SOEC）和固体聚合物阴离子交换膜电解水（AEM）制氢。其中，碱水和PEM制氢处于商业化阶段，SOEC和AEM制氢还处于研发阶段。
  化石燃料与CCUS相结合制氢被视为工业高排放领域降碳的希望。为现有的制氢设施配备CCUS是减少排放和扩大低排放氢供应的关键举措。从行业整合来说，国外涌现出包括CarbonClean、IONCleanEnergy等聚焦碳捕集的公司，以及Storegga、SummitCarbonSolutions等聚焦碳运输和封存的公司。在国内，中国石油、中国石化、延长石油等公司具备全流程垂直一体化整合的能力。例如，中国石油在吉林油田、长庆油田、新疆油田等加大CCUS部署力度，注气能力明显提升，二氧化碳年注入量突破100万吨。需要注意的是，在成本核算方面，国内制氢面临着政府补贴下降对持续经营带来的挑战，因此，快速消纳成为氢能产业竞争力提升的关键，需要“一盘棋”考虑，算好经济账单。同时，在实施过程中还需要综合考虑管道氢脆等潜在风险因素，做好超前预警与应急管理。
  从应用领域来看，燃料电池是氢能的重要应用之一，具有燃料能量转化率高、噪声低以及零排放等优点，市场需求空间巨大。氢燃料电池是在电催化剂的作用下，通过氧化还原反应将氢气的化学能转换成电能的装置，在续航里程、加注时间、低温适应性上有一定的优势。未来氢燃料电池在重卡和公交等商用车领域有较好的应用前景，但在其他领域的普及尚需时间。目前，氢燃料电池系统的成本已下降到每千瓦3000元，比2020年降低了80%，电堆体积功率密度达到每升4000瓦，比2020年提升了35%。然而，与锂电和钠电相比，其转化效率仍然较低。预计随着加氢站等基础设施建设的增加，在船舶、重卡等领域会涌现更多氢燃料电池示范产品。
  “氢氨联动”未来可期
  电氢氨一体化是为解决氢气长距离储运成本较高问题而衍生出的新型技术，将可再生能源电解水产生的绿色氢气作为原料气参与合成氨反应，降低了合成氨工业的碳排放。在下游，合成得到的氨可作为原料，用来制造氮肥、硝酸、铵盐和氰化物等无机化合物，以及胺和磺胺等有机化合物。同时，氨也可作为氢能运输的载体。
  从运输领域来看，目前，氢储运技术尚未解决能效性、安全性等问题，且广泛采用的高压氢气运输存在储氢密度低、压缩能耗高等问题，无法实现氢的大规模远距离运输。因此，将氢能变成氨醇等易于运输的载体，是未来氢能发展的重点方向。
  以一个千万千瓦级海上风电场为例，可采用“宜氢则氢、宜氨则氨、宜醇则醇”的方式，每年产生的海上绿电可合成绿氢、绿氨、绿醇等，带动形成氢、氨、醇的制、加、储、运全产业链高端装备集群发展。国际石油公司也看到了氨氢融合的发展机遇。沙特阿美不仅与现代重工签署了氢能燃料及氨能燃料的相关业务合作协议，还联合美国空气产品公司在沙特投资NEOM绿氢/绿氨项目，未来将全部由可再生能源供电，计划于2026年完成。
  氢能的“春天”已来，然而其发展的核心技术和关键材料仍存在诸多不确定性。未来，能源行业要充分利用能源“一张网”的优势，充分发挥大型石油石化企业的带头作用和电力系统在电网端的优势，利用其深厚的技术积累，加强统筹、科学组织全产业链的关键核心技术攻关，着力解决实际应用中的关键难题，避免因研发资源分散而产生低效竞争。