氫能作為一種清潔能源，在應(yīng)對全球氣候變化以及“雙碳”目標中有著巨大作用，許多國家都將氫能納入國家戰(zhàn)略。國內(nèi)制氫也正從煤炭、石油等傳統(tǒng)能源，向著風能、電能、光伏等新能源轉(zhuǎn)變，新能源制氫技術(shù)的優(yōu)勢與重要性，逐步凸顯。但我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、新能源制氫以及氫能應(yīng)用，相對落后于美國、日本等國家，亟待全面提升。
本文總結(jié)了我國制氫以及氫能利用的最新發(fā)展動態(tài)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢，著重探討了新能源制氫以及氫能利用的發(fā)展前景，力求為我國綠色氫能發(fā)展提供借鑒，推動國內(nèi)氫能行業(yè)均衡、高水平發(fā)展。
目前，通過一次能源、二次能源、工業(yè)領(lǐng)域等各種途徑獲取、制取氫能，但相較于化石能源制氫，新能源制氫更加契合全球綠色前沿革命的展開。
由此，在全球能源結(jié)構(gòu)更迭環(huán)境下，新能源制氫和氫能利用備受各界關(guān)注：一來新能源制氫技術(shù)的發(fā)展，會嚴重影響和擠壓傳統(tǒng)制氫技術(shù)的發(fā)展空間，進而取代煤制氫、天然氣制氫等，使得制氫更加清潔、高效，減少污染；二來利用可再生能源制氫，有利于進一步降低氫能成本，從而助力我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，更好更快地走上以創(chuàng)新為驅(qū)動的綠色、低碳、循環(huán)的發(fā)展路徑。
鑒于此，通過促進新能源制氫技術(shù)發(fā)展來降低制氫成本投資、促進氫能利用，既是全球能源體系發(fā)展的重要趨勢，也是我國實現(xiàn)“雙碳”目標、實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的必然途徑，十四五期間，氫能產(chǎn)業(yè)也將在此背景下迎來重大的發(fā)展機遇。
1、世界能源轉(zhuǎn)型背景下氫能發(fā)展趨勢
1.1氫能備受重視的原因
綜合世界各國近些年來在氫能發(fā)展上的現(xiàn)狀來看，目前氫能在世界能源轉(zhuǎn)型背景下，扮演著重要的角色，各國都在紛紛支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。當前，世界氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展強國有美國、日本、英國、法國等。氫能在全球引起重視，各國都達成了發(fā)展氫能的共識。
我國提出“雙碳”目標，主要是出于以下考慮：
（1）隨著自然生態(tài)惡化，環(huán)保、綠色、低碳勢在必行，氫能開發(fā)利用也是順應(yīng)全球能源清潔化的必然路徑；（2）煤炭資源、石油資源被大量開采后，各國或多或少面臨能源短缺和環(huán)境惡化的局面，氫能開發(fā)與利用是全球經(jīng)濟、資源、環(huán)境發(fā)展的必然需求；（3）我國減排任務(wù)艱巨，發(fā)展清潔能源，既是環(huán)境需求，也是戰(zhàn)略部署；（4）氫與電耦合，是我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、打造現(xiàn)代能源途徑的主要途徑。
1.2國內(nèi)外氫能發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
世界能源轉(zhuǎn)型背景下，美國、日本、歐盟等國家與地區(qū)，紛紛支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略。
自石油危機之后，美國就異常重視氫能開發(fā)與利用，從1990~2020年，美國能源部就陸續(xù)增加了氫能燃料電池項目，并以推動利用氫能為發(fā)展思路，出臺了一系列的政策、文件等，用于加強對氫能的開發(fā)、利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還成立了國家實驗室進行研究，使得氫能燃料電池項目快速發(fā)展，如今已經(jīng)有超過30個研究項目，投入資金超過數(shù)億美元。
“氫能社會”戰(zhàn)略，是日本最為重要的國家戰(zhàn)略之一，日本更是將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)作為重要的經(jīng)濟戰(zhàn)略，無論是下游的燃料電池，還是上游的制氫、儲氫、輸氫技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用等，日本在全球范圍內(nèi)都具有強有力的競爭力，其氫能產(chǎn)業(yè)更是位列世界前茅，并完善了國內(nèi)燃料電池車、家用和工業(yè)用燃料電池的相關(guān)制度，近幾年來正在大力普及家用氫能、工業(yè)氫能。
我國向世界承諾，爭取在2030年實現(xiàn)“碳達峰”、2060年實現(xiàn)“碳中和”，而達成目標的關(guān)鍵，就是實現(xiàn)氫能的大量、持續(xù)制取以及各行業(yè)中的應(yīng)用推廣，使得氫能在現(xiàn)在與未來發(fā)展為重要的新能源途徑。
現(xiàn)階段全球能源呈現(xiàn)出“四分天下”的格局——煤炭轉(zhuǎn)型、石油穩(wěn)定、天然氣鼎盛，而氫能已經(jīng)邁入黃金期，隨著碳減排形勢日益嚴峻，氫能更是得到了全球的高度關(guān)注，實現(xiàn)新能源制氫以及促進氫能跨越式發(fā)展、應(yīng)用，是我國應(yīng)對全球能源結(jié)構(gòu)更迭、達成“雙碳”目標的必然路線，并將氫能作為十四五規(guī)劃的重點任務(wù)，各地也積極響應(yīng)號召，大力發(fā)展、扶持氫能產(chǎn)業(yè)。
2、新能源制氫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
新能源制氫，是相較于傳統(tǒng)制氫技術(shù)所提出的新名詞，特指的是利用新能源，如化學能、生物質(zhì)能、風能等清潔、可再生資源進行制氫的技術(shù)。傳統(tǒng)制氫技術(shù)主要是利用化石燃料，制氫過程中會產(chǎn)生與排放大量的溫室氣體以及污染物，對環(huán)境造成較大的負面影響，而新能源制氫則是更為環(huán)保、綠色，大部分產(chǎn)物都是氫氣，溫室氣體、污染物較少甚至沒有。
2.1化學能制氫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
我國化學能制氫技術(shù)，是以天然氣為主要原料，具有裝備簡單、無需更換設(shè)備、污染物排放量低、投資少等優(yōu)勢?，F(xiàn)如今的化學鏈制氫技術(shù)，是由化學鏈與蒸汽鐵法制氫結(jié)合起來的制氫技術(shù)，通過三個反應(yīng)器（燃料與反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器以及空氣反應(yīng)器）互相作用，將烴類水蒸氣制成氫氣，在這一過程中會出現(xiàn)二氧化碳，但相對于傳統(tǒng)制氫技術(shù)，所排放出的溫室氣體量更少。
現(xiàn)如今，化學鏈制氫技術(shù)思路日漸完善，亟待進一步加深研究。我國也正在大力投入人力、物力、財力，致力于將電解水制氫貫穿于整個氫能發(fā)展過程中，通過水電解質(zhì)制氫來取代煤氣化制氫，降低對環(huán)境的負面影響，并消納光電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定的電力，產(chǎn)生富余的電力實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定供電的同時，解決現(xiàn)階段社會對氫能源的需求。
可以預(yù)見的是，化學鏈制氫技術(shù)將成為滿足氫能商業(yè)化需求的主要制氫工藝，且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，制氫成本和制氫方式更加優(yōu)化，且分布式制氫、集中制氫以及區(qū)域制氫這三種制氫方式，將成為加氫站、制氫工業(yè)的首選，尤其是將水電解水制氫工藝應(yīng)用到小型加油站的建設(shè)裝置之中，能進一步提高制氫質(zhì)量，減少碳排放量，對實現(xiàn)“雙碳”目標極為有利。
2.2生物質(zhì)制氫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
生物質(zhì)制氫技術(shù)除卻對環(huán)境（1000℃以上的高溫）有一定要求以外，可以稱得上的理想的制氫技術(shù)。一來，我國生物質(zhì)能非常豐富，無論是城市生活垃圾，還是農(nóng)林廢棄物，都可以作為生物原料的來源，而這些資源的利用，對環(huán)境、對經(jīng)濟發(fā)展都極為有利；二來生物質(zhì)制氫技術(shù)在我國有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，相較于化石原料制氫能，更為符合當下綠色環(huán)保、節(jié)能減排的國家政策及發(fā)展理念。
唯一的缺點就是在研發(fā)方面，技術(shù)進展較為緩慢，還需要進一步攻克氣化制氫、熱裂解制氫技術(shù)的難關(guān)。例如，生物質(zhì)熱裂解制氫具有流程簡單、生物質(zhì)利用率高等優(yōu)勢，美中不足的是熱解過程中會產(chǎn)生焦油，這一問題亟待研究解決；微生物降解制氫，是利用微生物降解生物質(zhì)得到氫氣，因為太陽能轉(zhuǎn)化率較低、成本較高尚未得到推廣，整體還處于研發(fā)階段；生物質(zhì)超臨界水制氫是將臨界水進行熱解、水解等一系列化學反應(yīng)來制取氫氣，但該技術(shù)還不成熟，仍舊在試驗階段。但這也從側(cè)面說明了，生物質(zhì)制氫技術(shù)絕對是一項具有良好發(fā)展前景的制氫技術(shù)。
2.3風電、光電制氫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景
不同于前兩項制氫技術(shù)，這項技術(shù)可以實現(xiàn)零排放，且制出的氫氣純度較高，幾乎沒有雜物。因而備受各行各業(yè)的重視。風能、水能是可再生資源，利用風能、水能發(fā)電電解水制氫，既能將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化為氫氣，多樣化利用可再生資源制取氫能，又能合理應(yīng)用資源實現(xiàn)規(guī)模化制氫，還能有效節(jié)約電力資源，唯一的缺點就是成本較高，與煤制氫技術(shù)相比，經(jīng)濟性較低。
近年來，我國不斷借鑒美國、日本以及歐盟等國家制氫經(jīng)驗，在國內(nèi)不斷地提高制氫技術(shù)研發(fā)投資。例如，在風電設(shè)施、光伏設(shè)施建設(shè)中，降低其他組件運行成本，構(gòu)建可持續(xù)、新型產(chǎn)業(yè)鏈運行模式，提高風電、光電制氫技術(shù)的經(jīng)濟性，充分地將可再生能源利用起來，減少發(fā)電成本。
再者，在加氫站附近建設(shè)制氫裝置，減少氫氣運輸成本。但由于該項技術(shù)還處于試驗研究階段，國內(nèi)還是將技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用重點放在了降低單位電耗、技術(shù)改進上，以推動可再生能源制氫技術(shù)在某些地區(qū)以及工業(yè)中的應(yīng)用。
3、“雙碳”目標下氫能主要利用方式與應(yīng)用前景
3.1氫動力汽車
氫動力汽車，是氫能主要利用方式之一，這種汽車與傳統(tǒng)汽車最大的差別在于，是以氫氣作為發(fā)動機的燃料，而不是汽油。美國和德國的汽車產(chǎn)業(yè)試驗中，已經(jīng)證實這一技術(shù)方案是可行的，但這種氫能利用方式，也面臨著成本較高的阻礙。每kg氫能產(chǎn)生33.6kW/h能量，是汽油的2.8倍，且氫的燃點很低，火焰的傳播速度較快，比汽油汽車具有更高的燃料利用率，也不會排出污染氣體、溫室氣體。
當前，大部分的氫能汽車都是汽油和氫氣混合同時燃燒的摻氫汽車，純氫汽車目前還在研發(fā)中，摻氫汽車相對而言，不受氫氣成本較高的影響，也有利于在貧油區(qū)推廣、改善發(fā)動機燃燒情況。其發(fā)展前景體現(xiàn)在兩個方向，一是純氫汽車的研發(fā)，進一步減少汽油使用和溫室氣體排放量，二是回收利用工業(yè)副產(chǎn)品的多余氫，力求將余氫提純后作為氫動力汽車的燃料，提高整體經(jīng)濟效益。
3.2氫燃料電池
氫燃料電池中，氫能利用更為環(huán)保、經(jīng)濟，一是不需要進行燃燒，就能將化學能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)換效率高于燃燒利用，最高可達到80%，另一方面，氫燃料電池的成本較低，一開始氫燃料電池廣泛地應(yīng)用在航天領(lǐng)域，造價相對較高，后來隨著技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池生產(chǎn)成本下降，憑借成本低、環(huán)境污染小、噪聲污染小、裝置小以及靈活等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。
現(xiàn)如今，氫燃料電池已經(jīng)開發(fā)出了三代，第一代中的典型是磷酸鹽型燃料電池，這種電池的發(fā)電效率在40%以下，雖然工藝流程相對成熟，但發(fā)電成本相對較高；第二代中的典型是融熔碳酸鹽型燃料電池，運行溫度維持在650℃以上，發(fā)電效率在55%左右，使用的是液態(tài)電解質(zhì)；第三代的典型是固體氧化物型燃料電池，工作溫度為1000℃左右，發(fā)電效率可超過60%，近年來我國也開始著手開發(fā)這種電池，應(yīng)以建造大型發(fā)電站，因為既可以成立固定電站，用于大規(guī)模、穩(wěn)定用電，也能為移動車、船提供能量。所以，氫燃料電池將會成為未來氫能應(yīng)用的主要方向。
4、結(jié)語
綜上所述，氫能燃燒，既不會產(chǎn)生溫室氣體，也不會出現(xiàn)污染物排放，并且氫能具備儲存性、再生性以及資源豐富等特點，同時滿足資源利用、社會可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)保的要求，被視為新世紀最具有潛力的清潔能源。
現(xiàn)如今，氫能正在滲透到能源的各個方面，除卻傳統(tǒng)制氫以外，新能源制氫更是帶動了加氫站、氫燃料電池等各種下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進一步擴展了氫能的利用前景。與此相對的，隨著氫能利用快速發(fā)展，制氫、儲氫以及輸氫技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用備受關(guān)注，尤其是新能源制氫更是解決制氫成本投資高、大規(guī)模儲存發(fā)展緩慢等阻礙氫能利用問題的關(guān)鍵技術(shù)。
總而言之，隨著新能源制氫技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用及推廣，氫能利用必將迎來大好局面，無論是新能源制氫，還是氫能應(yīng)用，前景都將十分廣闊。
