孫培鋒 吳守城 盧海勇 龔晨 蔡悠然

摘要：氫能作為一種清潔、可儲存的能源，是世界新能源和可再生能源領(lǐng)域正在積極開發(fā)的二次能源。氫能具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，因此氫能在全球范圍?nèi)獲得了極大的關(guān)注和發(fā)展。簡述了氫能環(huán)境分級和常規(guī)的氫能制取方法，介紹了新能源制取“綠色氫氣”的基本原理和系統(tǒng)組成。以容量為5000 Nm3·h?1和20000 Nm3·h?1的制氫系統(tǒng)為例，分析了制氫系統(tǒng)的占地面積、投資構(gòu)成和影響新能源制氫成本的因素，結(jié)果表明電價和制氫系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)是影響新能源制氫成本的兩個關(guān)鍵因素。最后討論了氫能作為原料和動力燃料的應(yīng)用途徑。

關(guān)鍵詞：新能源;制氫;投資比例;制氫成本;氫能應(yīng)用

中圖分類號： TK91??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Hydrogen production from new energy and its application

SUN Peifeng，WU Shoucheng，LU Haiyong，GONG Chen ，CAI Youran

（Shanghai Electric Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200023， China）

Abstract：As a clean and storable energy， hydrogen energy is a secondary energy which is being actively developed in the field of new and renewable energy in the world. Hydrogen energy has huge development potential， so it has gained great attention and development on a global scale. The? environmental? classification? of? hydrogen? energy? was? briefly? described，? as? well? as? the conventional hydrogen energy production methods. The basic principles and system compositionof producing “ green hydrogen” from new energy sources were introduced. Taking the hyd-rogenproduction system with capacity of 5000 Nm3·h?1 and 20000 Nm3·h?1 as examples， the area of the hydrogen production system， investment composition and factors affecting the cost of new energy? hydrogen? production? were? analyzed. It s? concluded? that? electricity? price? and? annual operation hours of hydrogen production system were two key factors that affect the cost of new energy hydrogen production. Finally， the application of hydrogen energy as a raw material and power fuel is discussed.

Keywords：new energy; hydrogen production; investment composition; hydrogen production cost; hydrogen energy application

氫能是氫的化學(xué)能，是新能源和可再生能源領(lǐng)域正在積極開發(fā)的能源。液氫的能量密度比汽油高三倍（熱值為142351 kJ·kg?1），是普通鋰電池的七倍。氫的燃燒產(chǎn)物是水，在燃燒程中不會產(chǎn)生溫室氣體和大氣污染物，屬于公認(rèn)的零排放清潔能源[1–2]。

美國、德國、法國、俄羅斯、日本、英國、西班牙和葡萄牙等國紛紛制定氫能發(fā)展規(guī)劃及扶持政策以促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年10月5日，麥肯錫聯(lián)合 Plug Power、豐田汽車、殼牌、液化空氣公司、微軟公司和SoCa Gas 等美國主要的石油、天然氣、電力、汽車、燃料電池和氫能源公司發(fā)布了美國氫能源經(jīng)濟(jì)路線圖，規(guī)劃到2050年，建立有競爭性的、年收入7500億美元、創(chuàng)造350萬個工作崗位的氫能產(chǎn)業(yè)，可滿足美國14%的能源需求[3]。2020年7月，歐盟委員會正式發(fā)布了《氣候中性的歐洲氫能戰(zhàn)略》，宣布建立歐盟氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加大對氫能產(chǎn)業(yè)的扶持力度。根據(jù)歐盟的設(shè)定目標(biāo)，氫能在歐盟能源結(jié)構(gòu)中的比例將在2050年達(dá)到約13%[4]。到2030年，歐盟將在電解槽領(lǐng)域新增投資240～420億歐元，2050年這一領(lǐng)域新增投資將達(dá)到1800～4700億歐元[5]。法國、德國、俄羅斯、西班牙和葡萄牙等國均出臺百億歐元級的氫能投資計劃。

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重承諾，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。利用新能源發(fā)電制氫，尤其是新能源棄風(fēng)棄光電量制氫，對于促進(jìn)新能源消納、節(jié)能減排、擴(kuò)大綠色空間、增強(qiáng)固碳能力，以及兌現(xiàn)中國對世界的二氧化碳排放承諾等均具有重要戰(zhàn)略意義。

近年來，我國風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)展迅速，但新能源的間歇性、資源地理分布不均、發(fā)電與負(fù)荷中心分離等問題限制了其大規(guī)模并入電網(wǎng)，新能源消納難題已經(jīng)嚴(yán)重制約了其發(fā)展。利用新能源制氫，既可以解決新能源發(fā)電的“棄風(fēng)棄光”問題，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闅淠埽€可以進(jìn)一步降低新能源制氫的成本。新能源制氫同時具有地理環(huán)境制約少、規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，省去了建設(shè)電網(wǎng)的投資及占地，能有力促進(jìn)新能源消納，拓展可再生能源的利用途徑，可以最大化地利用當(dāng)?shù)貎?yōu)越的自然資源。

自2019年氫能首次被寫入《政府工作報告》以來，浙江、江蘇、廣東、山西、河南、湖北、北京和上海等地方政府積極出臺相關(guān)政策扶持氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)。華能、神華、三峽集團(tuán)、華電、國電投、東方電氣、中石化、中石油、中車和中船重工等各大央企積極布局氫能產(chǎn)業(yè)，結(jié)合自身優(yōu)勢廣泛介入氫能產(chǎn)業(yè)。

長遠(yuǎn)來看，以新能源發(fā)電，尤其是新能源棄風(fēng)棄光電量制氫，兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會價值，可以促進(jìn)新能源的規(guī)模化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級，推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和氫能源的綜合應(yīng)用，將是未來綠色氫氣產(chǎn)業(yè)的主要?dú)湓粗唬蠂掖罅χС值臍淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[6]。

1氫能環(huán)境等級及制取方法

1.1氫能制取的環(huán)境分級

世界能源理事會將氫氣按照生產(chǎn)來源分為“灰色氫氣”“藍(lán)色氫氣”和“綠色氫氣”三類。

“灰色氫氣”可以由煤制氫或以氯堿尾氣為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制取，其單個裝置規(guī)模偏小，難以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的碳捕捉、利用和封存。

“藍(lán)色氫氣”可以由天然氣等化石燃料制得，其氫能制取規(guī)模相對較大，可以較為經(jīng)濟(jì)地將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存。

“綠色氫氣”可以通過使用新能源電力或核能來制取氫氣，實(shí)現(xiàn)全過程綠色制氫，為終端部門深度脫碳奠定基礎(chǔ)。

2019氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新峰會上，工信部原部長李毅中指出：“灰氫不可取，藍(lán)氫可以用，廢氫再利用，綠氫是方向。”

1.2氫能制取方法

目前常規(guī)的氫氣制取方法主要有：①化石燃料制氫;②電解水制氫;③含氫尾氣副產(chǎn)氫回收;④高溫分解制氫;⑤其他制氫方式[7]。其中

工業(yè)化大規(guī)模制氫方法主要是化石燃料制氫，包含天然氣吸熱重整制氫、煤制氫和輕油蒸汽轉(zhuǎn)化制氫這三種方法，其所制得的氫氣占目前國內(nèi)氫氣產(chǎn)量的96%左右。但這三種制氫方法的生產(chǎn)流程復(fù)雜，制氫過程中會對環(huán)境造成污染，制得的氫純度低，還需要有效的分離技術(shù)提純氫氣，使得氫能未能實(shí)現(xiàn)全過程清潔化，所制得的氫氣基本上都屬于“灰色氫氣”和“藍(lán)色氫氣”的范疇。

為實(shí)現(xiàn)我國2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，同時遵循“灰氫不可取、藍(lán)氫可利用、綠氫是方向”的原則，應(yīng)避免在氫氣制取過程中污染物和溫室氣體的排放，這就要求走新能源發(fā)電制氫的“綠色氫氣”路線。

2新能源制氫

將新能源發(fā)電與電解水制氫結(jié)合起來，利用新能源電能來電解水制氫，可以實(shí)現(xiàn)全過程二氧化碳零排放。這是氫能成為名副其實(shí)的清潔能源——“綠色氫氣”的關(guān)鍵。研究新能源發(fā)電制氫對氫能的發(fā)展十分重要。

2.1新能源發(fā)電制氫分類

新能源發(fā)電制氫主要包括太陽能光伏發(fā)電制氫和風(fēng)能制氫兩類[8–9]。

（1）太陽能光伏發(fā)電制氫

目前利用催化劑光解水制氫的效率還很低，只有1%～2%。因此，常見的太陽能制氫是指利用光伏場所發(fā)電量來進(jìn)行電解水制氫。光伏發(fā)電制氫是指將太陽能通過光伏板轉(zhuǎn)化成電能，所制得的電能直接用于電解水制氫過程生產(chǎn)氫氣。

（2）風(fēng)能制氫

風(fēng)能制氫是指將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，所制得的電能直接用于電解水制氫過程生產(chǎn)氫氣。

2.2新能源發(fā)電+堿性電解水制氫原理

新能源發(fā)電制氫系統(tǒng)采取“太陽能光伏發(fā)電”或“風(fēng)力發(fā)電”兩種模式作為電解水制氫裝置的電源，獲得的新能源電能通過整流裝置轉(zhuǎn)變?yōu)檫m當(dāng)?shù)闹绷麟娔懿⒂糜趬A性電解水制氫設(shè)備（電解槽）來制取氫氣。新能源發(fā)電制氫原理如圖1所示。

2.3堿性電解水制氫原理、系統(tǒng)組成及流程

根據(jù)電解質(zhì)的不同，主流的電解水制氫技術(shù)可分為三種類型：堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫和固態(tài)氧化物電解水制氫[10]。其中：堿性電解水制氫系統(tǒng)損耗小，安全性高，是最為成熟、經(jīng)濟(jì)，也是應(yīng)用最為廣泛的制氫技術(shù);質(zhì)子交換膜電解水制氫在國外已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但在國內(nèi)還處于商業(yè)化初期，電解效率優(yōu)于堿性電解水制氫，但設(shè)備投資成本較高;固態(tài)氧化物電解水制氫可以實(shí)現(xiàn)部分電能被熱能取代，轉(zhuǎn)化效率高，但因其工作在高溫區(qū)間而限制了其商業(yè)化應(yīng)用。

堿性電解水制氫原理圖如圖2所示。在堿性電解質(zhì)水溶液（常為 KOH 和 NaOH）中，采用石棉布等作為隔膜，通入直流電時，在陰極和陽極分別發(fā)生如下反應(yīng)，從而制得氫氣。

氫（H2）

陽極反應(yīng)（產(chǎn)生氧氣）

2OH?→H2O +0.5O2+2e?

陰極反應(yīng)（產(chǎn)生氫氣）

總反應(yīng)（水電解為氧氣和氫氣）

H2O =H2+0.5O2

堿性電解水制氫系統(tǒng)較為簡單，主要由補(bǔ)水系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置等部分組成。堿性電解水制氫工藝系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2.4堿性電解水制氫裝置占地、投資和氫氣生產(chǎn)成本分析

按目前堿性電解水制氫系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平，大

規(guī)模制氫系統(tǒng)中可選用的最大的堿性電解水制氫裝置制氫能力為1000 Nm3·h?1，制得的單位氫氣耗電量約5 kW·h ·Nm?3，生產(chǎn)過程中動力耗電約為0.027 kW·h ·Nm?3，原料水和冷卻水的消耗分別為0.002 t ·Nm?3和0.001 t ·Nm?3。在年運(yùn)行8000 h 的負(fù)荷條件下，整個制氫系統(tǒng)的壽命約10～15a。表1列出了某國內(nèi)主流堿性電解水制氫裝置生產(chǎn)廠家1000 Nm3·h?1的堿性電解槽技術(shù)參數(shù)。

圖4為某國內(nèi)主流堿性電解水制氫裝置生產(chǎn)廠家的制氫能力為1000 Nm3·h?1的堿性電解槽外形圖。該電解槽直徑約為1.8 m，整個裝置長度約為3 m。

分別以5000、20000 Nm3·h?1的制氫系統(tǒng)為例，分析堿性電解水制氫工程的建設(shè)投資、占地面積和各分項投資比例等關(guān)鍵信息，詳見表2。

從表2中可見，依制氫系統(tǒng)的規(guī)模不同，堿

性電解水制氫系統(tǒng)的單位 m3氫氣投資成本在1.7～2.2萬元·Nm?3之間。堿性電解水制氫裝置設(shè)備購置費(fèi)占投資構(gòu)成中的比例最大，約為40%～60%;其次是建筑和安裝工程費(fèi)，約為20%～45%;土地費(fèi)用及其他相關(guān)費(fèi)用等則最小，約為10%～15%。

按照堿性電解水制氫系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展水平，對制氫過程中的電量、壓縮空氣、原料水、堿液、壓縮空氣等各種物質(zhì)消耗水平及制氫系統(tǒng)年運(yùn)行時間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)對制氫成本影響最大的兩個因素是電價和制氫系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)。分別以5000、20000 Nm3·h?1兩個不同制氫系統(tǒng)容量的工程為例，分析電價及系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)對制氫成本的影響，結(jié)果分別如圖5、6所示。

從圖5、6中可見，電價越高，制氫成本也越高。電價為0.3元·（ kW ·h）?1時，不同制氫容量系統(tǒng)的制氫成本在1.9～2.0元·Nm?3之間。若制氫時使用棄風(fēng)棄光電量，則電價會分別下降到0.2、0.1元·（ kW ·h）?1時，制氫成本會分別降到1.3～1.5元·Nm?3和0.7～1.0元·Nm?3之間。

在相同制氫系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)下，制氫系統(tǒng)容量大小對制氫成本幾乎沒有影響。年運(yùn)行8000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1下，5000、20000 Nm3·h?1制氫系統(tǒng)容量的制氫成本均分別在0.778、1.346、1.914元·Nm?3附近，不同電價下兩種容量的制氫成本差額小于6%。年運(yùn)行4000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（kW ·h）?1下，5000、20000 Nm3·h?1制氫系統(tǒng)容量的制氫成本均分別在0.952、1.523、2.094元·Nm?3附近，不同電價下兩種容量的制氫成本差額小于5%。

在相同制氫系統(tǒng)容量下，制氫系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)越多，則制氫成本越低。5000 Nm3·h?1制氫系統(tǒng)容量，年運(yùn)行8000 h ，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1下，其制氫成本分別為0.827、1.396、1.965元·Nm?3，比年運(yùn)行4000 h，相同電價下的制氫成本分別降低17.3%、11.2%、8.3%。20000 Nm3·h?1制氫系統(tǒng)容量，年運(yùn)行8000 h，電價分別為0.1、0.2、0.3元·（kW ·h）?1下，其制氫成本分別為0.778、1.346、1.914元·Nm?3，比年運(yùn)行4000 h，相同電價下的制氫成本分別降低18.3%、14.4%、10.7%。

綜上可見，電價對制氫成本影響最大。不同電價[0.1、0.2、0.3元·（ kW ·h）?1]下，按照制氫系統(tǒng)容量和年運(yùn)行小時數(shù)不同，制氫成本大致在0.78～2.10元·Nm?3之間。與表3中所列常見工業(yè)規(guī)模制氫技術(shù)的制氫成本相比可知，只要繼續(xù)降低新能源發(fā)電成本，充分利用新能源棄風(fēng)棄光電量，結(jié)合新能源制氫清潔、無污染的優(yōu)點(diǎn)，新能源制氫將會更加具有競爭力，必將成為“綠色氫氣”的主要來源之一。

3氫能應(yīng)用途徑

3.1氫氣作為原料的用途

氫氣作為原料被廣泛應(yīng)用于人們熟知的各個行業(yè)中[12–13]，如化學(xué)工業(yè)中作為合成氨和甲醇的原料;石油工業(yè)中用于石油、粗柴油和燃料油的加氫脫硫;玻璃生產(chǎn)工業(yè)中用于保護(hù)錫槽中的液態(tài)錫不被氧化;電子工業(yè)中半導(dǎo)體、電真空材料和硅晶片產(chǎn)等領(lǐng)域;冶金工業(yè)中氫氣作為還原氣，將金屬氧化物還原為金屬;在金屬高溫鍛壓時，氫氣作為保護(hù)氣保護(hù)金屬表面不被氧化;食品加工行業(yè)中氫氣用于天然食用油中不飽和成分的氫化處理。

3.2氫氣作為能源的用途

氫氣作為能源，不論是燃燒還是通過燃料電池發(fā)電，在交通、工業(yè)、民用等方面都有著重要的應(yīng)用，如火箭、飛機(jī)、汽車的發(fā)動機(jī)燃料，還有氫燃料電池叉車、氫燃料有軌電車、氫燃料電池船等[12，14]。尤其是氫燃料電池汽車，是氫能的重要應(yīng)用領(lǐng)域和氫能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)[15]，相比傳統(tǒng)燃油汽車，其具有無污染的優(yōu)勢;相比電動汽車，具有高續(xù)航、加注時間短的優(yōu)勢，因此氫燃料汽車具有極大的發(fā)展應(yīng)用前景。

截至2020年12月底，我國已經(jīng)建成118座加氫站，其中投入運(yùn)營101座，待運(yùn)營加氫站17座，在建及擬建的加氫站約167座，均已初步具備維持氫燃料汽車正常運(yùn)行使用的基本條件。預(yù)計到2030年，中國氫燃料電池車將達(dá)到200萬輛，加氫站將達(dá)到1000座以上，尤其是重點(diǎn)發(fā)展氫能的中東部地區(qū)城市，可初步滿足氫燃料汽車的燃料加注需求。

4結(jié)論

氫能具有清潔、高效、可存儲性和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，因此其作為“終極能源”在未來的能源格局中必將占據(jù)關(guān)鍵位置。我國具有豐富的新能源風(fēng)、光資源，利用新能源電量，尤其是棄風(fēng)棄光電量為電解水制氫過程提供清潔、廉價的電力，既能解決新能源發(fā)電工程的大規(guī)模消納問題，又能促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)有著重要意義。

在新能源制氫系統(tǒng)的投資成本構(gòu)成中，電解槽等裝置占總投資的40%～60%，故需努力提高相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平，進(jìn)一步降低裝置初始投資，獲得更佳的經(jīng)濟(jì)性。

影響新能源制氫成本的關(guān)鍵因素是電價和制氫系統(tǒng)年運(yùn)行小時數(shù)。在新能源制氫成本構(gòu)成中，電價占總成本的60%～80%，因此，進(jìn)一步降低新能源電價，降低堿性電解水制氫過程中的能耗，對新能源制氫技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用有著決定性的影響。

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