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中科院院士：氫能發展3大趨勢、4大前景、6大挑戰

來源：氫能日參

氫能4大應用前景

氫能的開發利用是更快實現碳中和目標、保障國家能源安全、實現低碳轉型的重要途徑之一。氫能目前主要應用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領域，隨著頂層政策設計和氫能產業技術的快速發展，氫能的應用領域將呈現多元化拓展，在儲能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領域應用必將越來越廣泛。

①氫儲能

我國可再生能源資源豐富，應大力開發風能、太陽能光伏發電，實現可再生能源到氫能的轉化。但風電和光伏發電的間歇性和隨機性，影響了其并網供電的連續性和穩定性，同時也削弱了電力系統的調峰力度。

利用風電和光伏發電制取綠氫，不僅可以有效利用棄風、棄光，而且還可以降低制氫成本；既提高了電網靈活性，又促進了可再生能源消納。此外，氫能亦可作為能源互聯網的樞紐，將可再生能源與電網、氣網、熱網、交通網連為一體，加速能源轉型進程。

②氫燃料

氫能可以作為終端能源應用于電力行業，通過氫燃料電池將化學能轉化成電能，或者通過燃氣輪機將化學能轉化為動能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉化效率高、零碳排放等優點，主要包括質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池兩大類。

質子交換膜燃料電池

主要由膜電極、雙極板、電解質和外部電路等組成，具有工作溫度低、啟動快、功率范圍寬、穩定性強等優勢，在汽車動力電源領域發展迅速。

作為燃料電池和電解槽的關鍵組件，質子交換膜需要具備質子傳導電阻小、電流密度大、機械強度高等特點，此類膜的局限性在于其易發生化學降解，溫度升高使質子傳導性能變差，成本也較高。

固體氧化物燃料電池

是全固態發電裝置，由陽極、陰極、電解質、密封材料以及連結材料等組成。其中，電解質決定了其工作溫度和功率，是核心部件。雖受限于600～1000 ℃的高工作溫度和低啟動速度，但因其燃料選擇范圍廣、能量轉化效率高、無需催化劑等優點擁有廣闊的發展前景。

氫燃氣輪機

燃氣輪機是將燃料的化學能轉化為動能的內燃式動力機械，是發電和船艦領域的核心裝備。較之于燃煤發電機組，燃氣輪機具有發電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調節靈活等優點。目前，燃氣輪機電站發電量約占全球總發電量的23.1%。

在這方面我國與國外差距較大，需要加強政策扶持力度、深化科研攻關，盡早為氫能燃氣輪機國產化進程鋪平道路。

③氫化工原料

目前全球約55%的氫需求用于氨合成，25%用于煉油廠加氫生產，10%用于甲醇生產，10%用于其他行業。隨著我國科技、工業水平的不斷發展，在石油煉制等石化領域將會越來越多地用到加氫技術。

石油化工加氫

石油化工中用到的加氫技術主要包括重油加氫裂化生產芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產超低硫燃料、劣質催化柴油及汽油加氫轉化生產高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環己烷等。

合成化工產品

氫用作原料合成化工產品，例如氨、尿素等。氨主要是通過哈伯—博施法合成獲得，具有比氫更高的能量密度，可用于儲存能量和發電，并且完全不會排放二氧化碳。

氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲存，適合于運輸。此外，還有完善的運輸和處理液氨的基礎設施，便于氨的規模利用。氨還可以與CO2結合得到尿素，既是一種重要的氮肥也是一種可持續的氫載體，它穩定、無毒、對環境無害且更易于儲存。

合成燃料

氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應合成簡單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態燃料實質上可以達成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。

④氫還原劑

鋼鐵冶煉過程中，采用焦炭作為鐵礦的還原劑，會產生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來源，亟待發展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑，反應產物為水，可以大幅度降低碳排放量，促進清潔型冶金轉型。

目前國內部分鋼鐵企業也發布了氫冶金規劃，建設示范工程并投產，在“雙碳”目標的背景下，發展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實際生產中，最適合煉鋼的是綠氫，若綠氫生產成本得以降低，則可加快綠色冶金的推進，最終所獲得的環保效益會覆蓋其額外成本。利用氫能進行鋼鐵冶金是鋼鐵行業實現深度脫碳目標的必行之路。

氫能發展面臨的6大挑戰

目前全球氫能行業總體處于發展初期，在終端能源消費量中占比仍然很低。盡管目前開展氫能行業布局國家的合計經濟總量已占據全球的75%，但受限于多方面的制約因素，氫能行業尚未形成全產業鏈與合力，未能全面推動生產生活進步，其原因主要如下：

①氫能關鍵材料及設備零部件要求苛刻、工藝復雜、成本高昂，并且不同國家、不同部門之間的技術差距明顯。尤其對于我國來說，一些關鍵技術仍然被國外所壟斷。

②電解水制氫技術是實現綠氫大規模生產的最有希望的途徑，但其成本過高，主要由電價導致，短期仍無法完全替代碳排放量較高的化石燃料制氫。

③受限于我國可再生能源資源的分布狀況，制氫端與用氫端往往存在著較大的時間和空間錯位性，尚未形成完善的氫氣存儲和輸運網絡渠道。

④較之于石化能源產業，氫能屬于新興能源，目前缺乏相應基礎設施整體布局。因此，目前氫能全產業鏈體系上下游難以形成有效聯動，尚未健全。

⑤當前用氫端需求關注方向過于單一，主要集中在氫燃料電池及其交通載具方面，目前成熟度偏低、規模不大，需求尚未得到全面開發。

⑥氫能技術標準不完善，涉及氫品質、儲運、加氫站和安全等內容的技術標準較少，急需一套健全的國際、國家或行業標準，以此來規范氫能行業市場健康發展。

氫能未來3大發展趨勢

與當前構建天然氣工業一樣，我國正在構建制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等氫氣能源工業體系。針對氫能行業在技術、經濟性及布局規劃上的挑戰，結合產業鏈各個環節，氫能未來發展主要有以下3大趨勢：

①在制取氫方面，通過電力成本與設備成本的協同降低，方可體現綠氫的經濟優勢。較之于日本、韓國等國家，我國幅員遼闊，具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源，可以提供豐富的太陽能、風能、潮汐能等可再生能源資源，在發展綠氫方面具有先天優勢，可以加快實現“氫能中國”戰略。

②在儲運氫方面，氫的長距離儲運將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，中短距離要以如氨等多種儲運技術結合，并因地制宜地發展。隨著制氫端的技術突破，通過輸氫網絡交聯，在氫能的下游如工業、交通和建筑等領域大規模普及，綠色“氫經濟”的概念將轉變為現實。

③在應用氫方面，隨著行業聚焦與技術發展，期待很高的是氫燃料電池，帶動交通領域應用的變革。在各類需要用氫的化工領域，如煉油、合成氨、甲醇生產以及煉鋼行業，綠氫將逐步取代灰氫。在其他諸多傳統能源密集型產業，氫能也將代替化石能源作為能量載體進行供能。在建筑領域，采用綠色氫能的分布式冷熱電聯供系統，也是節能減排的重要方式。同時，更多的氫能應用場景將得以逐漸開發。

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