趙梅梅，吳永國，王振華，張西標(biāo)，李彩艷，李 濤

(兗礦水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心有限公司，山東 滕州 277000)

氫作為一種綠色、高效的清潔能源，因具有來源豐富、燃燒熱值高、清潔無污染、用途廣泛等優(yōu)勢(shì)，被諸多國家列為“未來能源”的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象[1]。據(jù)預(yù)測(cè)，2050年左右全球?qū)⑷孢M(jìn)入氫能社會(huì)[2]。氫能必將帶來整個(gè)汽車甚至能源產(chǎn)業(yè)的革命性變革，成為未來產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，氫制備領(lǐng)域越來越引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

1 氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境分析

世界各國從政府到企業(yè)、從國家到地方紛紛出臺(tái)了大量支持氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策規(guī)劃，不斷加大氫制備技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的投入，為氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。

美國是最早發(fā)展氫能的國家，從1973年能源危機(jī)時(shí)就開始研究氫利用，并掀起全球的第一陣氫熱潮，但整個(gè)國家對(duì)氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景比較慎重；通過研究明確發(fā)展前景，發(fā)布《發(fā)展路線圖》，隨之采取一系列行動(dòng)計(jì)劃，并對(duì)行動(dòng)計(jì)劃給予財(cái)稅支持，最后進(jìn)行系統(tǒng)整合與系統(tǒng)分析，建立反饋機(jī)制，選擇具有競(jìng)爭(zhēng)性項(xiàng)目進(jìn)行投資，定期舉行研討會(huì)，適當(dāng)調(diào)整技術(shù)目標(biāo)和節(jié)點(diǎn)[3]。特朗普政府在2017年先后退出《巴黎協(xié)定》和《清潔能源計(jì)劃》，沒有就任何替代燃料發(fā)表任何聲明。

日本是第一個(gè)將氫提升至國家能源戰(zhàn)略高度的國家，早在1981年就出臺(tái)了啟動(dòng)燃料電池技術(shù)開發(fā)的“月光計(jì)劃”[4]，目前日本在家庭用燃料電池?zé)?電聯(lián)供固定電站和燃料電池汽車商業(yè)化運(yùn)作方面也是最成功的。

韓國起步較晚，但充分借鑒學(xué)習(xí)日本，從2008年開始，先后推出“綠色新政”“百萬綠色家庭” 等示范項(xiàng)目，旨在加快燃料電池汽車商業(yè)化。

我國是氫大國，早在20世紀(jì)60年代氫就已應(yīng)用于航天領(lǐng)域[5]，氫也是我國能源革命重要的探索方向。近年來隨著我國氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃不斷出臺(tái)、扶持力度不斷加大、研究熱度不斷提升，已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展能力，但受核心技術(shù)和技術(shù)設(shè)施瓶頸制約，我國氫制備產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)發(fā)展階段，氫實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)及大規(guī)模利用還需時(shí)日[6]。

2 氫供需分析

目前，全球傳統(tǒng)能源的年均消費(fèi)量分別為：石油170793.38萬億英熱單位、煤炭159216.83萬億英熱單位和天然氣125718.18萬億英熱單位；對(duì)應(yīng)單價(jià)水平，分別為16.90、3.71和2.97美元/百萬英熱單位。以此計(jì)算，全球每年要消耗掉的能源價(jià)值超過3萬8千億美元。氫能作為能源的終極解決方案，將徹底取代傳統(tǒng)能源，市場(chǎng)空間將直逼4萬億美元。

我國作為世界第一產(chǎn)氫大國，產(chǎn)能超過2 000萬t/a。煤、天然氣、石油等化石燃料生產(chǎn)的氫氣占了將近70%，工業(yè)副產(chǎn)氣體制得氫氣約占30%，電解水制氫占不到1%。我國氯堿制氫2016年理論產(chǎn)能為76萬t/a；天然氣裂解制氫理論產(chǎn)能為70萬t/a；甲醇裂解制氫理論產(chǎn)能為25萬t/a；液氨裂解制氫理論產(chǎn)能為31萬t/a。2018年我國可再生能源棄電量為1023億kWh，理論電解水制氫潛力達(dá)到186萬t/a。

預(yù)計(jì)到2050年，氫能在中國能源體系中的占比約為10%，氫氣需求量接近6 000萬t，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過10萬億元[7]。

我國氫氣產(chǎn)能缺口接近4 000萬t/a，氫氣以不低于133萬t/a的速度增長才能保證我國平穩(wěn)步入氫能社會(huì)。隨著氫能社會(huì)的到來，氫的供給與需求之間的矛盾必然會(huì)日益凸顯[8]。

3 氫制備技術(shù)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈

結(jié)合《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類和代碼表》和《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類表》，整理出氫制備技術(shù)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈見圖1，涉及7個(gè)細(xì)分行業(yè)，以氫氣生產(chǎn)與檢測(cè)設(shè)備、儀器制造為主。

圖1 煤制備技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈

4 氫制備技術(shù)關(guān)聯(lián)企業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈的主體是由企業(yè)構(gòu)成，氫制備企業(yè)鏈結(jié)構(gòu)見表1，企業(yè)鏈上游材料環(huán)節(jié)體量龐大。國內(nèi)外企業(yè)在氫制備技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈上均有涉及，而日本的企業(yè)數(shù)量眾多，行業(yè)發(fā)展較為突出。

表1 煤制備技術(shù)企業(yè)鏈

5 氫制備技術(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)鏈

技術(shù)鏈?zhǔn)钱a(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)過程中涉及的一系列相關(guān)技術(shù)，連接了生產(chǎn)過程中的相關(guān)企業(yè)見圖2，氫制備技術(shù)鏈涵蓋了氫制備主要技術(shù)工藝。[9-11]

圖2 煤制備技術(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)鏈

6 氫制備技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

不同氫制備技術(shù)的成本敏感性因素不同，但大多受原材料價(jià)格的制約[12]。為了清晰地描繪不同制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，以下從6個(gè)方面對(duì)各種制氫工藝的特點(diǎn)進(jìn)行比較，具體見表2。

表2 各種制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

分析可知，煤制氫成本最低，適用規(guī)模大，但是二氧化碳排放量最高，且生產(chǎn)的氫氣含硫量高，如果用于燃料電池，會(huì)導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒，如果應(yīng)用脫硫裝置對(duì)其產(chǎn)生氫氣進(jìn)行處理，不但增加了額外的成本，對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求也很高。

對(duì)各種制氫技術(shù)的單位成本與適合規(guī)模進(jìn)行分析，可得兩者的大致范圍。具體見表3。

表3 不同制氫技術(shù)單位成本及適合規(guī)模的大致范圍

天然氣蒸汽制氫的成本次之，約為0.8～1.5元/m3，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)72%以上，但環(huán)保性不強(qiáng)，未來可以考慮通過碳捕捉技術(shù)減少碳排放[13]。

氯堿制氫工藝成本適中，在1.3～1.5元/m3之間，且環(huán)保性能較好，生產(chǎn)的氫氣純度高，目前而言適用于大規(guī)模制取燃料電池所使用的氫氣原料，也是可實(shí)現(xiàn)度最高的氫氣來源。

電解水制氫成本最高，在3.0～4.0元/m3之間，但成本在不斷降低，碳排放量低，且在應(yīng)用水力、潮汐、風(fēng)能的情況下能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)70%以上[14]。在未來與可再生能源發(fā)電緊密結(jié)合的條件下，水電解法制氫將發(fā)展成為氫氣生產(chǎn)的主流方法。

整體而言，從制氫工藝的成本和環(huán)保性能角度來看，氯堿制氫的工藝成本最為適中，且所制取的氫氣純度高達(dá)99.99%，環(huán)保和安全性能也較好，是目前較為適宜的制氫方法。

7 氫制備應(yīng)用前景展望

7.1 交通應(yīng)用

目前不論是乘用還是商用車輛，氫燃料電池汽車成本都明顯高于燃油和純電動(dòng)車型。但燃料電池的功率單元(燃料電池電堆)和能量單元(儲(chǔ)氫系統(tǒng))彼此分離，其中功率單元成本較高。因此，若燃料電池電堆成本有所下降，在功率/能量之比較低的應(yīng)用場(chǎng)景中，其相比于純電動(dòng)車型的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)或?qū)@現(xiàn)。例如，同為100 kW/50 kW·h的乘用車動(dòng)力系統(tǒng)，若2025年鋰離子電池和燃料電池系統(tǒng)成本分別降至100美元/kWh和50美元/kWh，則兩種動(dòng)力系統(tǒng)的成本相當(dāng)，同為5 000美元，但電動(dòng)汽車充電成本(0.12元/km)明顯低于燃料電池汽車加氫成本(0.3元/km)，燃料電池乘用車經(jīng)濟(jì)性仍顯不足。與乘用車不同，貨運(yùn)場(chǎng)景功率需求/能量需求比明顯更低。目前柴油重卡發(fā)動(dòng)機(jī)功率在200～300 kW之間，油箱油量等效電量約為750 kWh，較高的能量需求可體現(xiàn)燃料電池汽車儲(chǔ)氫成本低的特點(diǎn)。目前由于燃料電池成本較高(5 000元/kW)，其單位出行里程綜合成本高出電動(dòng)重卡約3元/km。隨著燃料電池電堆成本的下降，其儲(chǔ)氫系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸顯現(xiàn)。若2030年燃料電池電堆成本下降至250元/kW，燃料電池重卡車輛的綜合成本將有望與同級(jí)別電動(dòng)車型基本持平。

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能夠取代傳統(tǒng)軌道交通車輛用大功率柴油發(fā)電機(jī)組或弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施投資，具有高效率、無污染、低噪音和環(huán)境兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2015年，世界首列氫源現(xiàn)代有軌電車在中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司成功下線，中車四方股份公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了燃料電池有軌電車示范車，并于2017年3月份與佛山市高明現(xiàn)代軌道交通建設(shè)投資有限公司簽訂了佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線項(xiàng)目首期工程總包供貨合同，將為項(xiàng)目提供8列氫燃料電池有軌電車等設(shè)備。這是迄今為止，全球首個(gè)落地的氫源現(xiàn)代有軌電車市場(chǎng)訂單，示范車使用模塊化設(shè)計(jì)，可2～5輛靈活編組，車輛續(xù)航超過100 km，目前中車正在開發(fā)凈輸出功率為100 kW的燃料電池電堆和350 kW的動(dòng)力系統(tǒng)，可將模塊化設(shè)計(jì)的燃料電池系統(tǒng)作為有軌電車、輕軌、小功率調(diào)車機(jī)車及特種車輛的主動(dòng)力進(jìn)行應(yīng)用，但與實(shí)際商業(yè)推廣仍有較大差距。預(yù)計(jì)燃料電池有軌電車在2030年前以技術(shù)示范為主。

與國外先進(jìn)國家相比，國內(nèi)船用氫燃料電池系統(tǒng)還未有示范應(yīng)用，其法規(guī)規(guī)范符合性研究不足，技術(shù)成熟度有待提高，工程化方面的部分關(guān)鍵技術(shù)有待突破。目前船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)可作為推進(jìn)動(dòng)力和輔助動(dòng)力裝置，應(yīng)用于內(nèi)河、內(nèi)湖和近海的游船和游艇，滿足該類型船舶對(duì)節(jié)能減排和提升船舶舒適度的需求。預(yù)計(jì)近期國內(nèi)船運(yùn)氫將處于研發(fā)和示范階段，有望在2030年后開始市場(chǎng)化推廣。

7.2 工業(yè)應(yīng)用

目前我國年產(chǎn)氫氣2 100萬t左右，主要應(yīng)用于合成氨、合成甲醇和石油煉化等化工行業(yè)。預(yù)計(jì)傳統(tǒng)用氫領(lǐng)域氫需求隨市場(chǎng)變化有所波動(dòng)，但大體保持穩(wěn)定，其中合成氨工業(yè)氫需求在2030年前有所增加。隨著鋼鐵行業(yè)減煤壓力日益趨緊，氫氣在鋼鐵行業(yè)中的需求量有望快速增加[15]。

燃料電池叉車在部分發(fā)達(dá)國家已開始商業(yè)化運(yùn)營。在國內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)叉車仍占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)，電動(dòng)叉車尚處于發(fā)展期，燃料電池叉車基本屬于空白。2015年我國叉車銷量達(dá)33萬臺(tái)，國內(nèi)企業(yè)已開始向國外提供叉車用燃料電池的關(guān)鍵零部件。憑借其氫加注速度快、無排放等優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)燃料電池叉車有望啟動(dòng)商業(yè)化運(yùn)營。

礦山機(jī)械是能源消耗大戶，地下裝載機(jī)除了能耗高，加上柴油機(jī)的廢氣污染，必須加強(qiáng)地下巷道的通風(fēng)，這就提高了采礦成本。電動(dòng)地下裝載機(jī)解決了排放問題，但因電纜與架線問題，大大限制了設(shè)備使用范圍。蓄電池地下裝載機(jī)雖沒有排放問題，也沒有電纜與架線問題，但充電時(shí)間長、壽命短等因素制約著它的使用。燃料電池則提供了一個(gè)無排放、無污染、靈活性好、壽命長的解決方案。

7.3 建筑應(yīng)用

目前，我國建筑普遍存在耗能大，效率低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能不高等問題，并具有夏季空調(diào)用電量大，冬季采暖能耗高等特點(diǎn)。天然氣重整制氫用于燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)，不僅可以有效降低天然氣終端利用的排放強(qiáng)度，且具有多能互補(bǔ)、綜合能效高、保障供能可靠性等方面的優(yōu)點(diǎn)，未來具有一定市場(chǎng)推廣空間。此外，當(dāng)前我國應(yīng)急(EPS)與備用電源(UPS)市場(chǎng)主要以鉛酸電池為主，部分企業(yè)也開始采購?fù)艘蹌?dòng)力電池開展基站備電技術(shù)示范，采用氫的燃料電池可作為用戶側(cè)作為應(yīng)急或備用電源的備選方案。

7.4 電力系統(tǒng)應(yīng)用

雖然傳統(tǒng)的靈活性資源(電池、抽水蓄能)可以滿足較短時(shí)間尺度的調(diào)節(jié)，但隨著可再生能源滲透率達(dá)到一定高度，季節(jié)性調(diào)峰必不可少。基于燃料電池和儲(chǔ)氫技術(shù)，氫可將功率和能量單元進(jìn)行分離，大幅降低了大規(guī)模能量存儲(chǔ)的邊際成本。其次，氫可在不同能源網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將可再生能源與化石燃料轉(zhuǎn)化成電力和熱力，也可通過逆反應(yīng)產(chǎn)生氫燃料替代化石燃料或進(jìn)行能源存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了不同能源網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同優(yōu)化。第三，氫可與二氧化碳結(jié)合，通過合成氣的方式聯(lián)結(jié)能源及化工部門，實(shí)現(xiàn)能量在更大尺度上的優(yōu)化運(yùn)行。因此，基于氫的多能互補(bǔ)也是實(shí)現(xiàn)未來高比例可再生能源的重要能源系統(tǒng)運(yùn)行方式。