“氢能十解”之一：解锁氢能新纪元

　　为进一步促进我国氢能行业高质量发展，水电水利规划设计总院在前期氢能研究的基础上撰写了“氢能十解”系列文章。

　　专题共分为十个篇章，依次为《解锁氢能新纪元》《氢能的绿色寻踪》《氢基能源制取之谜》《氢基能源流动之旅》《氢基能源应用拼图》《氢与电的交响曲》《新型能源体系的氢密码》《氢基能源规模之密》《氢能关键技术之问》和《全球绿色氢能中心愿景》。

　　针对氢能发展一系列问题，“氢能十解”提出具有前瞻性的思路，为能源行业从业者提供参考，为企业提供市场拓展导向，为社会公众提供认知途径。我们希望“氢能十解”的出炉与传播，能够激发更多创新思维，汇聚各方力量，形成业界共识，协同推进氢能产业健康发展，为建设一个清洁、低碳、安全、高效的中国现代能源系统贡献力量。

　　氢的历史：从拉瓦锡到拉·库尔

　　氢，宇宙中丰度最大的元素，在地球上氢的单质通常以气态形式存在，拥有工业原料和能源载体的双重身份。过去，氢更多地作为一种基本工业原料或产物出现在化工行业中，或作为化石原料的重要成份被固化在煤炭、石油或天然气中。在全球化石能源短缺和气候变化的双重压力下，氢因其可再生、零排放、高能量密度的绿色属性，受到了越来越多的关注。

　　16世纪瑞士化学家发现将铁溶解在硫酸中的过程会释放出一种神秘的气体，这是人类有记录的首次人工获得氢单质;1766年，亨利·卡文迪什通过相似的实验收集到了氢气并将其点燃获得了水。1783年，法国化学家拉瓦锡首先命名了氢气，意为“成水元素”;1800年，两位英国科学家尼克尔森和卡莱尔首次用电流将水分解成了气体，据此发明了电解槽，揭示了氢与电这对绿色未来愿景隐秘但密切的关系。

　　氢能是氢分子和氧分子反应生成水时放出的能量，准确地说应该是水相对于氢气和氧气的能量。1mol的氢气能量即是1mol的氢气与1/2mol的氧气所具有的能量与1mol的水(液体)具有的能量差。标准状态下(标准大气压，25℃)，标准焓变是-285.830kJ，标准自由能的变化是-237.183kJ。氢的热值高达120MJ/kg，约为92号汽油(约44MJ/kg)的2.7倍，天然气(约46MJ/kg)的2.6倍，标准煤(约29.3MJ/kg)的4.1倍。

　　事实上，氢气作为能源应用的历史远比我们所认为的长，早在19世纪末，丹麦发明家拉·库尔为了解决如何储存风车产生电能的问题，将一个水磨坊风车产生的电力通过电解水生产氢，并将氢直接作为储备燃料使用。这也可以视为人类首次将氢作为可再生能源进行制备、存储和使用，尽管当时并没有相似的概念。历史中，拉·库尔采用风车发出的电能制氢并通过12立方米的储罐进行存储，由氢能供给的小镇用电，数年间没有出现过供电中断的情况，这也可以认为是氢首次应用于电网储能。

　　潮起潮落：从石油危机到气候变化

　　历史上氢能利用的热潮都与能源和环境问题有关，1970年代的石油危机，空气污染和酸雨等环境问题，使得利用煤炭和核能制氢在20世纪70年代倍受关注，到80年代油价回落和大规模的抵制核能运动的爆发，对氢能的研究热情就冷却了下来，到了21世纪初直至今天，随着气候变化的问题再次被提及，社会对氢能的研究再次升温。

　　美国是第一个将氢能作为国家战略的国家，1970年，通用汽车公司技术中心首先提出“氢经济”概念。1990年美国政府就颁布了《氢能研究、发展及示范法案》，制定了氢能研发5年计划。2002年11月，美国能源部发布《国家氢能发展路线图》，就美国氢能发展的目的、影响氢能发展的各种因素，以及氢能各环节技术现状、面临的挑战及未来发展路径进行了详细的设计和阐述。此后美国政府颁布了一系列法令、政策，使美国“氢经济”概念逐步转化为现实。2022年9月美国能源部发布《国家清洁氢能战略和路线图(草案)》，指出到2050年清洁氢能将贡献约10%的碳减排量，到2030年、2040年和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000万吨/年、2000万吨/年和5000万吨/年。

　　欧盟作为最早探索氢能应用的地区之一在发展氢能上具备一定的优势，其氢能发展政策较为完善、科研体系成熟、投资力度大。2018年欧盟提出《2050年长期战略》，在涉及氢能的“地平线欧洲”计划中，将拿出35%资金投资气候相关目标，开发具有成本效益的创新型解决方案，其中主要涉及氢和燃料电池。2019年《欧洲绿色协议》提出，到2030年工业部门的氢能应用中绿氢占比超过50%，对航运用燃料电池和加氢站建设提出了更具雄心的发展目标。2020年欧盟发布关于氢能发展的指导性文件《欧洲氢能战略》，旨在为欧洲建立一个整合的氢能市场提供一个清晰的愿景和路线图。2022年《REPowerEU计划》提出多个促进氢能发展政策，力争到2030年实现2000万吨绿氢的供应，成立“欧洲氢能银行”，投资30亿欧元助力发展氢能市场。

　　德国、法国、西班牙、意大利、芬兰等多国相继通过了国家氢能战略。欧洲的氢能发展以德国为代表，德国传统工业企业脱碳需求大，氢在钢铁、化工、发电供热等领域均有部署。2020年6月，德国内阁通过了《国家氢能战略》，旨在推进氢能产业发展，抢占氢能技术领域的高峰。《国家氢能战略》中宣布至少投入90亿欧元用于发展氢能;法国公布了《国家氢能战略》后，正式成立国家氢能委员会，有别于欧盟部分国家力推的化石燃料配合碳捕捉和封存技术的“蓝氢”发展路线，法国始终坚持采用可再生能源的“绿氢”路线;西班牙可再生能源资源丰富，可再生能源装机量占比高，西班牙将可再生能源制氢作为能源和经济转型的重要战略选项;意大利将推广氢燃料汽车作为氢能产业发展的突破口，将大幅提升本土氢燃料汽车的应用规模，逐步取代柴油车;氢是芬兰国家能源和气候战略的一部分，芬兰发布的《芬兰氢能路线图》中，重点展望了合成燃料的生产、低碳氢的生产以及氢替代煤炭降低工业中产生的碳排放等内容。

　　现阶段，日本已具备了扎实的氢能产业基础，形成了适应产业发展政策制定和修订机制，先后出台10余项氢能战略性政策。日本政府早在2014年4月就决定实施“能源基本计划”，确定建设“氢社会”目标。2017年12月，日本政府制定了世界上第一个国家层面的氢能战略《能基本战略》，对氢能产业链的各个细分领域设定了明确目标。2019年3月，为确保实现基本战略所设置的各项目标，日本政府制定《氢能燃料电池战略路线图》，进一步细化了氢能发展目标提出相关战略举措并设置了评价工作组，定期对各领域的进展实施跟踪与评价。在《氢能燃料电池战略路线图》指导下，2019年9月，日本政府制定了《氢能燃料电池技术开发战略》，确定以三大领域的十项技术为重点开发对象随后，在2020年10月出台《绿色增长战略》，明确了氢能的定位，并在2021年6月18日将其修订为《2050碳中和绿色增长战略》，以促进机构和监管改革，加大资金支持力度，推动创新研发，实现产业结构和经济社会转型。

　　以沙特和阿联酋为代表的中东地区正在积极布局氢能产业，并与德国、美国、日本和韩国在贸易、科技、示范等领域建立广泛合作。中东地区国家尚未出台明确的氢能发展战略，但中东是以能源输出为主的地区，蓝氢和绿氢并行发展将成为沙特和阿联酋等国氢能发展的重要路径。2016年沙特《2030愿景》提出了实现经济的多元化、减少对石油依赖的目标，并于2017年开始打造完全由可再生能源供电的“新未来”智能城市-NEOM，在NEOM中布局绿氢产业，加快实践《2030愿景》。阿联酋也致力于全产业链减少碳排放，计划到2030年碳排放量较2016年减少24%，并将依托资源优势开展氢能产业布局，既通过CCUS技术扩大蓝氢生产规模，也把风、光等的可再生能源制取绿氢纳入发展规划。

　　当前全球范围正兴起“氢能经济”和“氢能社会”的发展热潮，氢能已进入产业化快速发展新阶段，截至2022年12月，全球已有42个国家及地区发布了明确的氢能发展战略和规划，欧美日韩等20多个主要经济体已将发展氢能提升到国家战略层面，相继制定发展规划、路线图以及相关扶持政策，加快产业化发展进程。

　　先立后破：“双碳”目标下的新型电力系统

　　面对日趋严峻复杂的国际政治经济形势，大国博弈导致的地缘政治格局动荡对能源安全造成严重冲击，全球能源供需格局面临深度调整。中国油气进口集中度高，航运通道风险大，中国能源安全面临的外部形势更趋复杂。在能源安全和碳减排的双重要求下，无碳和低碳燃料相关产业发展迎来重大机遇。可再生能源制取的绿氢，能够实现工业领域化石能源制氢的替代，也可以在钢铁、化工、交通等难以通过可再生能源实现降碳的领域发挥重要作用。

　　电力领域碳减排是实现“双碳”目标的主战场，其主要手段在于不断提高太阳能、风能等新能源在电力系统中的占比。近年来，我国的新能源发电成本快速下降，装机规模快速提升，但光伏、风电存在间歇性、随机性、波动性的特点，无法直接满足电网及用户的需求，如无有效的调节方案将造成了大量的弃风、弃光现象。

　　作为破题之道，氢可在源网荷储四方面与电力系统深度融合，支撑新能源大规模开发利用。

　　在电源方面，氢可通过燃气轮机甲烷掺氢燃烧、氢燃料电池、煤电锅炉掺氨燃烧等手段降低发电端的碳排放，实现发电端的灵活性调节。在网方面，氢可通过管道进行长距离输送，可以作为特高压电力输送的一种有效补充。在负荷方面，电解水可作为柔性负荷，可提供需求侧灵活响应，实现可再生能源大规模消纳。在储能方面，氢作为储能手段，可实现电、热、氢三者安全高效地互相转化，是一种跨日、月、季节的长时储能形式。

　　能源转型：氢能引领的新型能源系统解题之法

　　目前全世界正处于能源生产和消费革命新时代，构建清洁低碳、安全高效的能源体系是未来能源发展的方向。我国能源结构是以高碳的化石能源为主，推动碳减排，就必须推动以化石能源为主的能源结构转型。能源系统低碳化需要供应方和消费方进行系统性的转变，油气资源未来将与可再生能源协同开发、相互转化、共同利用，形成以化石能源为代表的油气资源和以氢能、电能为代表的可再生能源共同构成的新型能源系统。新型能源系统应该是由以新能源为主体的新型电力系统和以“新型油气”为主体的新型非电系统两部分作为主要支撑，两者相互促进，相互依托，以绿色氢能为桥梁，共同组建中国式新型能源体系。为此，新型能源系统需要在建设分布式能源设施，发展多能融合的区域供能系统，支持清洁燃料接入油气管网等方向寻求突破。

　　大规模电气化是实现降碳的有力抓手。然而，仍有部分行业难以通过直接电气化实现降碳，包括钢铁、化工、公路运输、航运和航空等。由于氢能具有动力燃料和工业原料双重属性，通过构建“电-氢”耦合体系可以在稳定电力系统同时，实现绿色能源以氢的形式向新型能源系统拓展，在难以通过直接电气化实现降碳的领域发挥重要作用。

　　氢能可以促进更高比例的可再生能源发展，有效减少我国对油气的进口依存度;“电-氢”耦合可以促进可再生能源消纳，有助于可再生能源电力成本的降低，进而实现绿色电能和绿色氢能的经济性的共同提高;大规模建设的储氢设施和输氢管网可以实现能源的时空转移，促进我国能源供应和消费的区域平衡;氢能与电能作为能源枢纽，更容易耦合热能、冷能、燃料等多种能源，共同建立互联互通的现代能源网络，形成极具韧性的能源供应体系，提高能源供应体系的效率和经济性。

　　氨与甲醇：“氢基”能源的多元化转变

　　氢气的质量能量密度(120MJ/kg)高，但常温常压下的体积能量密度(标况10.7MJ/m³)低，爆炸极限浓度(4%)低。目前氢主要以压缩气体或液体的形式储存并输送，经济性并不理想，人们一直在寻找氢的高效载体，实现氢能安全、高效且廉价的存储和输送。

　　氨作为储氢载体和理想零碳燃料的研究近年来得到迅速发展，其生产技术工业化成熟，储存运输难度小，并更易于长时间储存和运输。氨既可与煤粉混烧发电，也可单独应用于锅炉和燃气轮机发电，亦可替代化石燃料应用于船用内燃机，其将随着技术的进步成为一种重要的二次能源。目前以氨供氢、以氨代氢也已成为国际发展趋势之一，各主要经济体均对其规模化生产和使用高度重视。

　　甲醇亦是理想的储氢载体。作为重要的化工原料，是有机合成工业的重要中间体和溶剂，在化学工业中具有重要地位，其在能源和化工产业链技术基本成熟，已经具备大规模推广应用的条件。作为一种动力燃料，甲醇具备高辛烷值，可用作内燃机中的汽油添加剂或替代品，既可实现内燃机高效燃烧，还可降低碳和氮氧化物的排放，可以作为汽油的低成本替代品。

　　因此，氢能的发展无法脱离氨醇，一方面，氨和甲醇是氢的重要下游产物，工业应用广泛且具有较为成熟的绿色制取手段;另一方面，作为氢的载体，氨和甲醇更方便储存和运输，可以作为重要的化石能源替代品，实现发电、交通等领域的降碳减排。从能源供给端来看，氢基能源与电能类似，长远看，将成为未来清洁能源体系中重要的二次能源;从能源消费端来看，氢基能源是用能终端实现绿色低碳转型发展的重要载体;从工业生产过程来看，氢基能源是重要的清洁低碳工业原料。因此，我们已可以隐约看到包括氢、氨、甲醇在内的氢基能源在未来能源体系中的重要角色。

　　氢能体系：氢能发展的中国贡献

　　“氢基”能源作为电能之后极具潜力的二次能源，其发展路径具有多元化的特征。从供应端来看，未来将形成以可再生能源制氢为主体，化石能源制氢+碳捕捉、生物质制氢为补充的多元供氢格局;从消费端来看，未来将形成氢基能源回流发电、交通消费、工业消费和跨地区输运并重的多元应用局面。

　　与发达国家相比，我国氢能的技术水平和产业基础较为薄弱，各个环节装备及产品的性能、使用寿命、制造工艺等方面较国际第一技术梯队仍有一定差距。然而，我国具有良好的氢基能源供应和应用市场，且是目前全球唯一具有氢能全产业链优势的国家，发展氢能的规模化优势显著。氢能产业链包括制-储-输-用四个主要阶段，其多元化特点显著，规模化发展是实现氢能行业攻克难题、降本增效的有效途径。氢基能源体系建设可有效释放全国规模化新能源制氢潜力，拉动氢能全产业链规模化发展，有效加速我国氢能领域核心竞争力提升，培育我国新能源产业第二个增长极，促进国内经济持续高质量发展。

　　当前全球正经历百年未有之大变局，我国审时度势提出了“四个革命，一个合作”的能源发展新战略。立足国情，加速氢能的规模化发展，不但可以为我国能源安全与低碳转型保驾护航，同时有望通过“氢能牌”助力全球气候治理下的能源转型，加强氢能领域国际合作，为全球能源安全和绿色转型提供中国方案。展望未来，氢能产业大有可为，将我们一起为其下一步的波澜壮阔的发展而蓄势待发吧。(作者：李昇 姜海 余官培，作者单位：水电水利规划设计总院)