氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景及其在中國(guó)的發(fā)展路徑

宋超，謝淑賢，徐瑞峰(中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東 濟(jì)南 250022)

0 引言

氫能源目前在我國(guó)稱之為二次能源的載體被廣泛使用在各大企業(yè)與產(chǎn)業(yè)內(nèi)部，可通過多種途徑加工制取得出。氫氣本身屬于無毒的氣體，易于燃燒，其燃燒后的產(chǎn)物主要是水，對(duì)大氣不會(huì)產(chǎn)生污染。同時(shí)廢棄物中也不含有對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，利用率較高且形式較為多樣化。目前全球處于清潔能源開發(fā)與使用的熱門階段，生產(chǎn)出更為低碳環(huán)保的能源是全球范圍內(nèi)的目標(biāo)和終極戰(zhàn)略，因此氫能產(chǎn)業(yè)被我國(guó)寄予了厚望。為保障中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)集中發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢查體系，在發(fā)展的過程中對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的安全予以高度重視，并通過具體的發(fā)展路徑實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1 全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 氫氣利用的范圍領(lǐng)域

氫能的整條產(chǎn)業(yè)鏈包括對(duì)氫氣的制取、儲(chǔ)存以及運(yùn)輸應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)。氫氣主要由化石能源經(jīng)過加工而轉(zhuǎn)化為制氫，由此被稱為“灰氫”。目前針對(duì)全球范圍內(nèi)的氫氣主要通過煉油以及化工原料制成，其廠內(nèi)的氫氣主要用作于自產(chǎn)自用，減少對(duì)一級(jí)能源的使用率。很少與相鄰的制氫裝置和途徑進(jìn)行氫氣的管道運(yùn)輸。其原因是由于運(yùn)輸氫氣過程中相對(duì)投入的成本較高，使得跨地域的氫氣交易市場(chǎng)份額會(huì)相對(duì)較少[1]。筆者期望在儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)上對(duì)氫氣能源能有更大突破，對(duì)能源的利用率會(huì)由此提高。

1.2 氫能重要應(yīng)用的方向

因氫燃料電池具有能量的轉(zhuǎn)化利用率高、噪音污染較小以及排放實(shí)現(xiàn)零污染等幾大優(yōu)點(diǎn)，成為了未來氫能源利用的重點(diǎn)方向。在20世紀(jì)60年代初期，氫燃料電池就已經(jīng)在載人航天以及潛水等國(guó)家軍事領(lǐng)域有較為廣泛地使用。而當(dāng)前歐美的部分發(fā)達(dá)國(guó)家通過對(duì)氫能的研究和利用發(fā)現(xiàn)了氫能的特點(diǎn)，并以此對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用提出了若干實(shí)施計(jì)劃，并為此出臺(tái)了相關(guān)的政策補(bǔ)貼以引導(dǎo)更多的研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)投入大量的資金對(duì)燃料電池的開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)裝備的研究。歐美國(guó)家在此項(xiàng)研究上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破，同時(shí)走到了世界的前沿。例如：德國(guó)所在的主流汽車公司已經(jīng)對(duì)氫燃料電池汽車的開發(fā)取得了巨大的研究成果，同時(shí)已經(jīng)規(guī)劃建設(shè)了將近數(shù)百座加氫站，并且覆蓋率達(dá)到一半以上。日本主要是將氫能作為燃料，在日常的生活以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)中廣泛地應(yīng)用。同時(shí)把氫能作為二次能源的核心，致力于建設(shè)一個(gè)“氫能社會(huì)”。日本目前在新能源產(chǎn)業(yè)的研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入了大量的人力物力，并在燃料汽車的開發(fā)和設(shè)備制造方面對(duì)于技術(shù)的使用已有了驕人的成績(jī)。而我國(guó)對(duì)燃料電池汽車的發(fā)展還有一定的提升空間。

1.3 氫氣的制取與可再生能源二者相結(jié)合是發(fā)展的方向

氫氣的制取目前主要通過與可再生能源電力二者的有效結(jié)合促使整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的整體運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫能使用過程中的零排放，同時(shí)可有效拓展對(duì)再生能源的二次利用。目前氫能針對(duì)于可再生能源的載體，在全球范圍內(nèi)依托與對(duì)可再生能源如風(fēng)能、太陽能等二次能源的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)氫氣的制取，以實(shí)現(xiàn)用更多清潔能源對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的支持。

2 中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

因中國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的重視程度相對(duì)于國(guó)外來說較晚，目前仍處于發(fā)展的初始階段，其具體的發(fā)展情況如下：

(1)我國(guó)氫氣主要來源于煤制氫，在“灰氫”變?yōu)椤八{(lán)氫”方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。我國(guó)其實(shí)富含有豐富的氫氣資源，在化工產(chǎn)業(yè)以及煉油產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的時(shí)期，我國(guó)的氫氣年產(chǎn)量應(yīng)從20世紀(jì)初的年產(chǎn)值679.0×104t增長(zhǎng)到了21世紀(jì)初2 100.0×104t以上。預(yù)計(jì)當(dāng)?shù)竭_(dá)21世紀(jì)20年代的時(shí)候我國(guó)氫氣的年產(chǎn)值增速將變?yōu)?%。利用煤對(duì)氫氣的制取是當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)中利用的最低成本，當(dāng)前中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)中使用的氫源一般以上是使用煤作為原材料[2]。原因是我國(guó)是煤炭資源較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，其氣和油的資源相對(duì)較少。除此之外剩余的氫源通常是來天然氣或電解氫的制取。而作為氫能源的消費(fèi)者一般均集中才化工產(chǎn)業(yè)內(nèi)，因此依舊是依靠工業(yè)原料為主要的制取方式。

(2)對(duì)燃料電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)缺少核心技術(shù)支持，對(duì)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備有較大的依賴。在以氫氣為主要用途的燃料電池產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域范圍內(nèi)，我國(guó)目前只形成了京津冀、華北、華南、東北等六大產(chǎn)業(yè)的聚集中心，具備了生產(chǎn)和研發(fā)的條件。而在我國(guó)中東部地區(qū)作為實(shí)力較強(qiáng)的三角洲等地帶主要聚集了我國(guó)燃料電池發(fā)展的中心企業(yè)。隨著全球化的燃料電池產(chǎn)品以及相關(guān)資訊的熱議，對(duì)于燃料電池相關(guān)企業(yè)的數(shù)量猛然增加，到2018年底，全國(guó)已有309家企業(yè)參與到燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中。當(dāng)然雖然研發(fā)與生產(chǎn)的規(guī)模形成較大，但是部分企業(yè)仍然在研發(fā)的投資以及重大發(fā)明專利創(chuàng)造等諸多方面存在較多的問題，真正能掌握行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)和核心設(shè)備的企業(yè)數(shù)量較少。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于燃料電池關(guān)鍵性零件以及電堆、檢測(cè)以及整車開發(fā)的企業(yè)主要集中在上海廣州等經(jīng)濟(jì)較為領(lǐng)先的城市。諸如零部件以及輔助系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)目前依舊依賴于國(guó)外。這對(duì)我國(guó)燃料電池的生產(chǎn)和研發(fā)具有十分重大的影響。

(3)氫燃料電池汽車和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展處于起步階段。從2018年起，我國(guó)的氫燃料電池汽車的年銷量逐漸成增加的趨勢(shì)。從車型上分析，我國(guó)針對(duì)商務(wù)性用車上對(duì)氫燃料電池的使用較為廣泛。但由于目前商用車的使用處于示范性的運(yùn)行階段，因此在動(dòng)能和綜合效率上來看，其使用感與國(guó)外還存在較大的差距，因此我國(guó)應(yīng)加大對(duì)氫燃料電池以及基礎(chǔ)設(shè)備的發(fā)展。

3 中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望

3.1 頂層設(shè)計(jì)應(yīng)適時(shí)加強(qiáng)，做好氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃

筆者建議國(guó)家將氫能納入到二次能源的長(zhǎng)期戰(zhàn)略發(fā)展體系當(dāng)中，科學(xué)制定并研發(fā)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，系統(tǒng)地構(gòu)建氫能的各個(gè)環(huán)節(jié)體系，明確具體發(fā)展的路線，做到各地區(qū)和產(chǎn)業(yè)布局協(xié)調(diào)發(fā)展。特別是對(duì)于示范工程的相關(guān)建設(shè)，應(yīng)重點(diǎn)考慮到長(zhǎng)江三角發(fā)展的經(jīng)濟(jì)走勢(shì)，并與周圍各地區(qū)形成密切的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和部分產(chǎn)業(yè)調(diào)整。盡量完善相關(guān)的企業(yè)扶持政策，堅(jiān)持高質(zhì)量與高標(biāo)準(zhǔn)的雙重發(fā)展模式，使其頂層設(shè)計(jì)感逐漸加強(qiáng)，在氫能的整體產(chǎn)業(yè)鏈中做好與其他可再生能源發(fā)展的協(xié)調(diào)性[3]。

3.2 過渡時(shí)期重點(diǎn)關(guān)注藍(lán)氫與綠氫的協(xié)同供應(yīng)，建立藍(lán)綠氫氣的結(jié)合發(fā)展模式

充分考慮到我國(guó)能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主的特點(diǎn)以及對(duì)可再生能源的發(fā)展仍然需要大力的整合優(yōu)化。因我國(guó)氫能的生產(chǎn)一直以化石作為基礎(chǔ)原料。因此我國(guó)應(yīng)加大對(duì)化石燃料市場(chǎng)的建設(shè)以及投入大量的資金扶持，為石化能源中創(chuàng)造“綠氫”提供有效地支持。對(duì)于部分地區(qū)采用水電解制氫的發(fā)展，應(yīng)鼓勵(lì)更多的企業(yè)生產(chǎn)“綠氫”以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的零污染。

3.3 對(duì)氫燃料電池以及儲(chǔ)氫等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)得以加強(qiáng)

目前我國(guó)對(duì)氫燃料的汽車生產(chǎn)與制造已經(jīng)有了相應(yīng)的計(jì)劃，同時(shí)對(duì)于加氫站也實(shí)施了相應(yīng)的布局調(diào)整。但對(duì)于汽車內(nèi)的核心零件和材料確缺少相應(yīng)的技術(shù)性支持，因此不能實(shí)現(xiàn)汽車的量產(chǎn)。這一關(guān)鍵性問題嚴(yán)重制約了我國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。所以我國(guó)在此問題上應(yīng)加大研究力度，把研究的目標(biāo)制定在氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，降低氫氣的運(yùn)輸成本同時(shí)對(duì)氫管道的運(yùn)輸以及儲(chǔ)氫的材料上加大研究力度。政府設(shè)立專項(xiàng)計(jì)劃，從基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)的攻克以及應(yīng)用示范到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化創(chuàng)新等方面予以提升，以進(jìn)一步保障氫能的產(chǎn)業(yè)核心發(fā)展。

3.4 發(fā)展氫能的進(jìn)程中應(yīng)高度重視產(chǎn)業(yè)的安全

據(jù)相關(guān)報(bào)道，自從2019年以來，有部分國(guó)外企業(yè)在氫能的產(chǎn)業(yè)鏈中引發(fā)了多起關(guān)于氫氣爆炸致?lián)p的事故[4]。此類事件的發(fā)生對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)出了警示。因此在氫能的發(fā)展進(jìn)程中應(yīng)在保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注安全性問題。我國(guó)在氫能的發(fā)展過程中務(wù)必要加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部安全體制的有效建立，了解氫氣爆炸所帶來的嚴(yán)重后果。因此相關(guān)產(chǎn)業(yè)需提高安全意識(shí)，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)安全管理?xiàng)l例，各地方政府應(yīng)加大監(jiān)管力度并制定相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氫氣的泄漏以及發(fā)生爆炸的相關(guān)因素做好安全預(yù)案，盡量在氫能的生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)做到全自動(dòng)模式，并通過智能設(shè)備對(duì)氫氣的安全問題加以保障，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的高效運(yùn)行。

4 結(jié)語

由于我國(guó)是對(duì)能源需求較大的國(guó)家，因此發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及能源的利用等方面都能帶來較多的益處。隨著對(duì)我國(guó)綠色能源的不斷深入研究，基于發(fā)展“綠氫”的氫能產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)現(xiàn)階段內(nèi)對(duì)氫能發(fā)展最好的選擇。因此我國(guó)應(yīng)充分借鑒國(guó)外關(guān)于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在立足于國(guó)內(nèi)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)之上，使我國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加趨于國(guó)際化水平。