中國的氫能技術(shù)正迅猛發(fā)展，逐漸成為全球氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵參與者。目前，中國不僅是世界上最大的氫氣生產(chǎn)國，其年產(chǎn)量超過3000萬噸，約占全球總產(chǎn)量的三分之一。盡管目前中國的氫氣生產(chǎn)主要依賴化石燃料，但隨著對清潔能源的日益重視，氫氣供應(yīng)未來將更多地轉(zhuǎn)向可再生能源。預(yù)計到2050年，大約70%的氫氣將由可再生能源制取。在制氫技術(shù)領(lǐng)域，中國的氫氣生產(chǎn)方法主要分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛?，作為由化石燃料制得的氫氣，雖然在成本上具有優(yōu)勢，但其碳排放量較大；藍(lán)氫同樣源自化石燃料，但通過碳捕獲技術(shù)以減少排放，盡管如此，該技術(shù)尚未完全成熟；綠氫，通過可再生能源進(jìn)行電解制得，雖然環(huán)境友好，但目前成本較高。目前我國正積極開發(fā)多種技術(shù)，包括堿性水解、質(zhì)子交換膜（PEM）電解和高溫電解等。這些技術(shù)通過電解水制氫，有望在未來實現(xiàn)大規(guī)模的清潔氫氣生產(chǎn)。此外，太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等可再生能源的利用，為電解制氫提供了豐富的能源潛力。在政策支持方面，中國政府已經(jīng)將氫能發(fā)展納入國家戰(zhàn)略，多個省市在“十四五”規(guī)劃中提出了氫能發(fā)展的目標(biāo)和計劃。這些政策的推動，加上技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，預(yù)計將進(jìn)一步促進(jìn)中國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1 從化石燃料中生產(chǎn)灰氫
灰氫主要由碳基燃料（煤、生物質(zhì)和甲烷）通過液化、重整、熱解或氣化過程制成，并伴有二氧化碳排放。
從化石材料中制氫需要非常高的溫度，因為破壞碳?xì)滏I需要高能量。生物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)比煤或石油簡單。作為農(nóng)業(yè)大國，中國擁有巨大的生物質(zhì)資源儲量，這使得生物質(zhì)制氫比化石燃料更具優(yōu)勢。如表2，使用高能效和高氫的水電解或熱解水生產(chǎn)綠色氫氣的成本比生物質(zhì)制氫技術(shù)更昂貴。表 2.灰氫和綠氫生產(chǎn)技術(shù)比較
總體而言，中國目前的氫氣生產(chǎn)在技術(shù)成熟度和成本方面以灰氫技術(shù)為主。然而，考慮到灰氫的原材料是化石能源，使用灰氫發(fā)電不會減少碳排放。因此，生產(chǎn)零碳排放氫氣仍然是未來氫能應(yīng)用的核心問題。藍(lán)氫是由工業(yè)副產(chǎn)品或天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整生產(chǎn)的.雖然天然氣是一種化石燃料，在藍(lán)氫生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生溫室氣體，但生產(chǎn)過程使用碳捕獲、利用和封存（CCUS） 等先進(jìn)技術(shù)來捕獲溫室氣體并實現(xiàn)低排放生產(chǎn)。簡而言之，藍(lán)氫以灰氫為基礎(chǔ)，利用 CCUS 技術(shù)實現(xiàn)低碳制氫。甲烷重整是一種廣泛采用、經(jīng)濟實惠且高效的氫氣生產(chǎn)方法。目前，市場上大部分氫氣均通過天然氣重整技術(shù)獲得。甲烷重整制氫技術(shù)主要包括五種：蒸汽甲烷重整（SMR）、甲烷部分氧化（POM）、干法重整甲烷（DRM）、甲烷自熱重整（ATR/MATR）以及催化甲烷熱解（CMP，亦稱甲烷催化分解MCD）。這五種技術(shù)的主要差異在于它們所使用的反應(yīng)物以及與甲烷反應(yīng)的條件。在蒸汽甲烷重整（SMR）過程中，甲烷與700至1000攝氏度的蒸汽反應(yīng)，生成氫氣。在制氫中，CCUS 技術(shù)通常與化石燃料相結(jié)合，以實現(xiàn)低碳排放和減少溫室氣體排放。然而，引入 CCUS 會增加從化石燃料生產(chǎn)氫氣的成本。盡管如此，CCUS 可以很好地集成到現(xiàn)有的能源系統(tǒng)中，并且比可再生能源生產(chǎn)綠色氫的成本更低。
圖1 CCUS技術(shù)環(huán)節(jié)
碳捕集、利用與封存（Carbon capture, Utilization and Storage, CCUS）是將CO2從工業(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來，并直接加以利用或注入地層以實現(xiàn)CO2永久減排，是應(yīng)對氣候變化、實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)。隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出及碳減排工作的推進(jìn)，CCUS技術(shù)研發(fā)和部署受到高度重視，處于快速發(fā)展階段，未來有望形成具有技術(shù)經(jīng)濟性的新興產(chǎn)業(yè)。碳封存技術(shù)涉及注入捕獲的 CO2通過工程手段進(jìn)入深部地質(zhì)儲層，實現(xiàn)與大氣的長期隔離，采用封存方法分為陸上和海上封存。例如，齊魯石化-勝利油田項目是中國第一個百萬噸級 CCUS 項目。此外，諸如將燃煤電廠與生物質(zhì)混合燃燒和實施 CCUS 等策略進(jìn)一步強調(diào)了在保持能源可靠性的同時減少排放的方法。因此，中國需要逐步提高碳價，以推動 CCUS 等低碳技術(shù)的廣泛采用，從而實現(xiàn)更高的減排目標(biāo)。增加碳稅也將有利于氫能等清潔能源的發(fā)展。更高的碳價格使可再生能源和低碳技術(shù)在經(jīng)濟上具有競爭力。“氨—氫”轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種新興的氫能儲運解決方案，它通過將氫氣與氮氣反應(yīng)生成氨（NH3），利用氨的高儲氫密度和易于液化的特性來解決氫氣儲運難題。氨氣在常溫常壓下為氣態(tài)，但在-33℃時可以液化，相比氫氣（需要低于-253℃）更容易液化，因此同體積的液氨比液氫多至少60%的氫，這使得氨成為一種有效的儲氫介質(zhì)。中國的氨年產(chǎn)量為 200 億噸，約占世界總產(chǎn)量的25%，是世界領(lǐng)先的氨生產(chǎn)國。氨分解制氫技術(shù)主要分為三種類型的氨熱裂解技術(shù)：電催化分解氨技術(shù)和等離子體驅(qū)動氨裂解技術(shù)，其中氨熱裂解技術(shù)是目前市場上的主流路線。催化分解氨技術(shù)受制于催化劑的成本，在新催化劑出現(xiàn)之前，經(jīng)濟效益較差。江等人表明雖然氨制氫和氨燃燒都顯示出相當(dāng)大的前景，但需要解決幾個問題：高性能低溫低壓氨合成和安全低溫氨分解催化劑和反應(yīng)器技術(shù)，動態(tài)聚集和控制技術(shù)，以及高效集成和智能控制技術(shù)。
圖2 氨制氫加氫站典型工藝流程 （來源：中國石化官網(wǎng)）
《氫能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建指南（2023年版）》突出了與氫氣分離、凈化、水電解制氫以及光催化制氫相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。中國政府設(shè)定了一個宏偉目標(biāo)：到2030年，建立一個以清潔能源為基礎(chǔ)的制氫供應(yīng)體系，并廣泛采用可再生能源制氫技術(shù)。這一戰(zhàn)略的核心在于全力推進(jìn)綠色氫能的發(fā)展。綠氫是通過利用太陽能、風(fēng)能或地?zé)崮艿瓤稍偕茉磥砩a(chǎn)的。與傳統(tǒng)的灰氫和藍(lán)氫不同，綠氫被視為一種環(huán)保且可持續(xù)的能源選擇，因為它在生產(chǎn)和使用過程中不會釋放溫室氣體。為了制造綠色氫氣，必須先通過熱能、光能或電能將水分子分解為氫氣和氧氣。這一過程必須依賴可再生能源來提供所需的能量。綠氫是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和減少碳足跡的關(guān)鍵組成部分。可再生能源的融合在降低對化石燃料的依賴、減少碳排放以及應(yīng)對氣候變化方面扮演著至關(guān)重要的角色。截至2022年底，中國可再生能源發(fā)電的累計裝機容量達(dá)到了1.213億千瓦，同比增長約14.1%。特別值得注意的是，這一容量占到了總裝機容量的47.3%，這充分展示了中國在推動可再生能源發(fā)展方面的顯著重視。圖3揭示了中國在2021年、2022年以及2023年（截至2023年9月）的可再生能源產(chǎn)能情況。
圖 3.中國主要可再生能源的能源生產(chǎn)能力
我國主要依賴大壩的水電占中國可再生能源發(fā)電量的 05.2022%，其次是太陽能和風(fēng)能，分別占 32.4% 和 30.09%。與 2021 年相比，太陽能和風(fēng)能的份額有所擴大;太陽能最終將超過風(fēng)能，成為僅次于水電的第二大可再生能源。對 2023 年的預(yù)測表明，太陽能可能會成為最大的可再生能源發(fā)電形式，其次是風(fēng)能。盡管水電的份額可能會略有下降，但預(yù)計其整體容量將增加。這一趨勢源于中國政府的政策，包括太陽能補貼、稅收優(yōu)惠和能源規(guī)劃，這些政策促進(jìn)了光伏和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。然而，可再生能源本質(zhì)上具有可變性和間歇性。例如，中國吉林省的統(tǒng)計數(shù)據(jù)揭示了可再生能源站點在電力浪費方面的問題，常常有數(shù)十兆瓦的電力被棄置不用。
圖4.（a） 風(fēng)氫耦合系統(tǒng)吸收的功率波動;（b） 光伏-氫耦合系統(tǒng)吸收的功率波動
棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象對發(fā)電的經(jīng)濟效率造成了顯著影響，并對可再生能源的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，能夠產(chǎn)生氫氣的可再生能源，隨后用于燃料電池發(fā)電，已經(jīng)作為一種解決方案浮出水面。通過將未利用的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能，重新利用這些資源成為了一個充滿希望的途徑。因此，將可再生能源與氫技術(shù)相結(jié)合，提供了一個應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的可行策略。水電解涉及利用電能將水分解成氫氣和氧氣。這個過程通常發(fā)生在電解槽中，電解槽由浸入電解質(zhì)溶液中的電極組成。當(dāng)電流通過水溶液時，水分子分解成氫氣和氧氣。目前，使用的主要電解槽類型是 AWE、質(zhì)子交換膜 （PEM） 和 SOEC，如圖5所示。
圖 5.電解水過程的基本原理
表 5表明 SOEC 在電解槽能耗和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率方面都表現(xiàn)出最有利的結(jié)果，其次是 PEM，AWE 表現(xiàn)出相對較差的性能。然而，SOEC 所需的高工作溫度和持續(xù)的研究不成熟限制了它們目前的商業(yè)化。AWE 憑借其成本效益取得了商業(yè)成功。
表 5.主要水電解制氫技術(shù)
方法AWEPEM SOEC電解 質(zhì)20–30% KOHPEM 系列Y2O3/ZrO2工作溫度 （°C）40–9020–100600–1000電解槽能耗 （kWh/m3)4.5–5.53.8–5.02.6–3.6電解槽價格 （RMB/kW）2000–30007000–12000/系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率 （%）60–7570–9085–100根據(jù)自 2020 年中國提出碳中和目標(biāo)以來的最新研究，涉及非貴金屬催化劑材料的 AWE 和 PEM 解決方案可以降低系統(tǒng)資本成本。然而，由于堆疊電解槽的成本較高，PEM 仍然不如 AWE 經(jīng)濟，總成本高出三到四倍。此外，與依賴進(jìn)口的 PEM 相比，AWE 在中國的完全本地化大大降低了其成本。通過減少薄膜厚度、重新設(shè)計催化劑涂層電極和使用具有成本效益的催化劑材料，可以提高 PEM 電解槽的性能。最近的研究表明，陰離子交換膜 （AEM） 使用低成本材料和腐蝕性較小的稀堿性溶液或蒸餾水，從而降低了運營成本。與 PEM 系統(tǒng)相比，AEM 在較低的溫度 （50-70 °C） 和壓力 （1-30 bar） 下也能高效運行，而 PEM 系統(tǒng)最高可達(dá) 76 bar。AEM 的電流密度為 0.2–0.4 A/cm2，電池電壓為 1.8–2.2 V，可實現(xiàn)與 PEM 相當(dāng)?shù)男阅埽瑫r結(jié)合了 AWE 的成本優(yōu)勢。因此，AWE是中國商業(yè)上最成熟的產(chǎn)品；然而，進(jìn)一步降低PEM 電池成本仍然是一個重要的研究方向。綠色氫氣與電解槽相結(jié)合以減輕電力廢棄已得到廣泛研究。Okundamiya 將光伏（PV）技術(shù)與水電解相結(jié)合的仿真模型來生產(chǎn)氫氣，并將其用于氫燃料電池系統(tǒng)。優(yōu)化后的設(shè)置包括一個 54.7 kW的光伏組件、7 kW的氫燃料電池和 3 kW 的水電解裝置，這些都是通過數(shù)學(xué)優(yōu)化確定的。氫燃料電池以 70% 的效率運行，將發(fā)電成本大幅降低了 88% 以上，每年每千瓦時從 2.52 日元降至 0.30 日元。這種設(shè)置實現(xiàn)了發(fā)電的零碳排放，并解決了依賴環(huán)境條件的可再生能源固有的間歇性挑戰(zhàn)。通過水電解制氫的預(yù)期邁出了重要一步，在中國興化港成功進(jìn)行了試點測試，將海水電解與海上風(fēng)電相結(jié)合。
圖6.光伏耦合水電解制氫系統(tǒng)模型示意圖
綜上所述，中國在利用電解質(zhì)耦合氫技術(shù)降低可再生能源發(fā)電成本方面走在世界前列。熱化學(xué)水分解制氫主要利用太陽能或核能發(fā)電或其他可再生能源的余熱作為熱能輸入。許多中國研究人員一直對研究這項技術(shù)感興趣，該技術(shù)基于熱量破壞水中的氫鍵形成氫和氧的原理。然而，由于氫氧鍵的高能量，需要超過 2500 K 的溫度。研究人員通過拆分反應(yīng)步驟降低了溫度極限;因此，最常見的熱化學(xué)制氫方法是兩步法 （ZnO/Zn）、三步法 （V-Cl）甚至多步法（Mg-Cl、Cu-Cl）。
圖 7.兩步 ZnO/Zn熱化學(xué)循環(huán)圖
Cu-Cl和 Mg-Cl方法，尤其是 Cu-Cl熱化學(xué)循環(huán)，因其成本效益和在較低溫度下利用工業(yè)余熱的能力而前景廣闊。值得注意的是，Cu-Cl 循環(huán)在 78 °C 的中等溫度下表現(xiàn)出令人印象深刻的 2.5% 的能源效率，使其成為一種可行且環(huán)保的熱化學(xué)氫氣生產(chǎn)方法。從本質(zhì)上講，對多級熱化學(xué)制氫方法的進(jìn)一步研究有可能加強優(yōu)化兩個關(guān)鍵參數(shù)：能源效率和工作溫度。此外，中國發(fā)達(dá)的化學(xué)工業(yè)使熱化學(xué)循環(huán)能夠促進(jìn)綠色氫經(jīng)濟的發(fā)展，并有望在未來降低生態(tài)和經(jīng)濟成本。考慮到制氫的成本和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，最成熟和成熟的制氫方法是煤氣化和甲烷蒸汽重整。電解水制氫是目前中國政府大力推動的發(fā)展方向。比較中國和全球的制氫技術(shù)表明，中國灰氫、藍(lán)氫（無 CCS）和綠氫的成本較低，而 CCS 的成本高于國際成本。此外，同種技術(shù)中國的碳排放量較低。
表 6.制氫技術(shù)比較
類型科技能源效率 （%）H2產(chǎn)量（g/kg feedstock)成本（￥/kg H2)碳足跡（CO2-eq/kg H2)中國國際中國國際灰氫煤氣30–6040–1907–117.1–21.417.8–21.622–26SMR 型74–8540–1309–189.3–45.08.9–9.810–13藍(lán)氫使用 CCUS 進(jìn)行煤氣化30–6040–1909–2010.7–25.71.0–2.22.6–6.3帶 CCS 的 SMR74–8540–13013–2410.7–51.40.5–0.61.5–6.2 CCS（捕獲率 93 %）??2–91.4–6.4??綠氫水電解（風(fēng)力發(fā)電）55–8011120–6224.3–85.70.3–0.80.5相較于蒸汽甲烷重整（40–130 g/kg feedstock）技術(shù)和水電解技術(shù)（111 g/kg feedstock）的制氫速率，化石能源氣化原料的制氫速率介于 40-190 g/kg feedstock之間。此外，與蒸汽甲烷重整制氫（9–18 ￥/kg H2）和水電解（20–62 ￥/kg H2）的成本相比，通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣是成本最低的制氫技術(shù)。然而，將灰氫與碳捕集與封存（CCS）技術(shù)相結(jié)合，會使氫氣生產(chǎn)成本提高20-34%。
圖8.不同氫能技術(shù)的成本比較
毫無疑問，灰氫的碳排放量最高。煤氣化產(chǎn)生 20-26 CO2 -eq/kg H2的碳排放，直接通過天然氣水蒸氣重整的總碳排放量為 10-13 CO2-eq/kg H2。結(jié)合捕獲率為 93% 的 CCS 技術(shù)，灰氫 CCUS 的排放量減少到 2.6–6.3 CO2-eq/kg H2，碳排放量減少 76-88%。通過可再生能源（風(fēng)能）電解水生產(chǎn)氫氣，碳排放量僅為 0.5 CO2-eq/kg H2。由于水電解預(yù)計將成為中國生產(chǎn)氫氣的主要方法，因此降低這一過程的成本非常重要。可再生能源裝機容量的增加將降低電解水的電力成本，以及水電解關(guān)鍵技術(shù)（例如催化劑和 PEM）的開發(fā)將推動水電解制氫。總之，對中國制氫技術(shù)的比較揭示了不同的格局，每種方法都有明顯的優(yōu)缺點。主要由煤炭和天然氣生產(chǎn)的灰氫仍然是最成熟且最具成本效益的，但其碳排放量很大。采用 CCS 技術(shù)的藍(lán)氫提供了一種排放更低的過渡解決方案。適當(dāng)?shù)奶级▋r可以促進(jìn) CCUS 等低碳技術(shù)的廣泛采用，清潔能源的發(fā)展也將受益。使用可再生能源生產(chǎn)的綠氫是可持續(xù)氫氣生產(chǎn)的最終目標(biāo)。未來的研究應(yīng)側(cè)重于開發(fā)具有成本效益的綠色氫氣生產(chǎn)方法，例如水電解和光催化工藝的進(jìn)步。此外，改進(jìn) CCS 技術(shù)以使藍(lán)氫生產(chǎn)更具經(jīng)濟可行性也至關(guān)重要。《國際碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)布局分析》《國際碳捕集、利用與封存科技戰(zhàn)略與科技發(fā)展態(tài)勢分析》《Comprehensive review of development and applications of hydrogen energy technologies in China for carbon neutrality: Technology advances and此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。