“雙碳”目標下綠色氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

苗安康，袁 越，吳 涵，袁博鑫

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇省 南京市 210098；2.南京工程學(xué)院智能電網(wǎng)研究院，江蘇省 南京市 2111673.南京工程學(xué)院能源與動力工程學(xué)院，江蘇省 南京市 211167)

0 引言

為順應(yīng)全球綠色低碳發(fā)展趨勢，我國提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和。我國的碳排放約42%來自于電力系統(tǒng)，能源電力系統(tǒng)碳減排對于實現(xiàn)“碳達峰”、“碳中和”目標(“雙碳”目標)起著決定性的作用，構(gòu)建以新能源為主體的新型能源系統(tǒng)，實施可再生能源替代措施，可以有效控制化石能源總量，促進構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系，保障實現(xiàn)“雙碳”目標。

氫能具有能量密度大、熱值高、儲量豐富、來源廣泛、轉(zhuǎn)化效率高等特點，是清潔的二次能源，可以作為高效的儲能載體，是可再生能源實現(xiàn)大規(guī)?？缂竟?jié)儲存、運輸?shù)挠行Ы鉀Q方案，被專家學(xué)者認為是最具有應(yīng)用前景的能源之一[1-5]。綠色氫能是指可再生能源轉(zhuǎn)化的電力電解水所制備的氫氣，因其從生產(chǎn)到消費全過程碳排放量幾乎為零而被稱為“綠氫”。利用富足的可再生能源電解制氫，運用儲存和運輸技術(shù)，將氫輸送到能源消費中心多元化利用，可以有效解決風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源不穩(wěn)定以及長距離輸送的難題[6-8]。

目前，全球每年生產(chǎn)氫氣約為1.17億 t，其中副產(chǎn)氫氣0.48億 t，專門制氫約為0.69億 t。全球約98%的純氫是通過碳密集型方法，使用天然氣或煤為原料生產(chǎn)的灰色氫能，其余2%的氫能則通過電解方式生產(chǎn)的綠色氫能。中國每年約生產(chǎn)2 500萬 t氫，其中灰氫約占96%以上。目前制氫原料仍以化石燃料為主，存在制氫成本高、碳排放污染等問題，而氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提是清潔無污染，制氫原料應(yīng)從化石燃料向可再生能源(風(fēng)能、太陽能、水能等)方向逐漸轉(zhuǎn)變[9]。為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展，多地結(jié)合多能互補示范基地建設(shè)開展可再生能源制氫示范項目，不僅提高了風(fēng)光等新能源的消納能力，體現(xiàn)綜合能源項目的示范效果，還豐富了氫能的來源[10]。

氫氣是推動全球綠色低碳轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)我國“碳中和”目標的潛在支撐，可為電力、交通、鋼鐵、建筑等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供助力。世界各國積極出臺氫能發(fā)展規(guī)劃，推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來，隨著政策的引導(dǎo)與技術(shù)的進步，我國氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。但仍存在氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)亟待突破，關(guān)鍵材料尚未自主，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有待加強等諸多問題。因此，本文總結(jié)分析了國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，重點研究了綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，結(jié)合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了典型的應(yīng)用場景和發(fā)展建議，以期對我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。

1 氫能產(chǎn)業(yè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球已有多個國家將氫能納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，并從國家層面制定了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國家是美國，截止2020年6月，氫燃料電池叉車超過3萬輛，乘用車達到8413輛。美國加氫站利用率高，平均每座加氫站服務(wù)約130輛汽車，計劃到2025年建成加氫站達200座，到2030年達1 000座。2020年4月，荷蘭發(fā)布國家氫能戰(zhàn)略，計劃到2025年建設(shè)50座加氫站、投放1.5萬輛燃料電池汽車和3 000輛重型汽車；到2030年燃料電池汽車達到30萬輛。2020年6月，德國發(fā)布國家氫能源戰(zhàn)略，在綠色氫能的生產(chǎn)、運輸、使用以及技術(shù)創(chuàng)新等方面制定行動框架。2020年6月，法國宣布了在2035年實現(xiàn)的綠色氫燃料飛機的行動計劃。2020年7月，歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》與《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，旨在2050年前實現(xiàn)碳中和。2017年12月，日本發(fā)布了《基本氫能戰(zhàn)略》，明確了到2025年與2030年氫氣供應(yīng)能力、發(fā)電成本、應(yīng)用領(lǐng)域等方面的目標。截止2019年底，日本共有加氫站130座，每座服務(wù)車輛約30輛，在運營的氫燃料電池乘用車超過3 500輛。2019年，韓國發(fā)布《氫經(jīng)濟發(fā)展路線圖》，提出在2030年進入氫能社會。截止2019年底，韓國燃料電池發(fā)電裝機規(guī)模為408 MW，全球占比約40%。

1.2 國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2019年3月，氫能首次被寫入我國《政府工作報告》，并先后出臺多個配套規(guī)劃和政策，推動氫能研發(fā)、制備、儲運和應(yīng)用鏈條不斷完善。2020年9月，四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于擴大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長點增長極的指導(dǎo)意見》，加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設(shè)施建設(shè)。2020年12月，《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出，支持新技術(shù)新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展，加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。2021年2月22日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》指出，大力發(fā)展氫能，加大加氫等配套設(shè)施建設(shè)。隨著氫能政策的制定與完善，大批的氫能示范項目也陸續(xù)開展，部分綠色氫能示范項目如表1所示。

表1 國內(nèi)部分綠色氫能示范項目Table 1 Some green hydrogen demonstration projects in China

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年12月31日，全國在建和已建加氫站共181座，已經(jīng)建成124座，其中2020年建成加氫站55座[11]，已建成的加氫站分布情況如圖1所示。在建加氫站57座，主要集中在廣東、山東、河北等地。

圖1 國內(nèi)已建成加氫站分布Fig.1 Distribution of the built hydrogen fueling stations in China

截至2021年4月，北京、上海、四川、廣東、江蘇、浙江、山東、安徽、湖北、山西、福建、海南等多個省市發(fā)布了“十四五”或中長期的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。2021年4月16日，山東省與科技部簽署了“氫進萬家”科技示范工程框架協(xié)議，將帶動氫能供應(yīng)體系建設(shè)、加氫站等配套設(shè)施建設(shè)和氫能關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為加快我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)“雙碳”目標奠定了基礎(chǔ)。

2 綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)研究

綠色氫能的技術(shù)路線如圖2所示，綠色氫能技術(shù)是利用可再生能源制氫[3,12-14]，將可再生能源通過太陽能電池、風(fēng)機、水泵等發(fā)電機組轉(zhuǎn)換成電能，電能通過電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)換成氫氣，將氫氣儲存或直接輸送至氫氣應(yīng)用終端，作為電力或交通運輸燃料、化工原料等以滿足各行業(yè)對于氫能的需求。除傳統(tǒng)的電解水制氫外，近年來還衍生了一些尚處于實驗室研究階段的新型制氫技術(shù)，如太陽能制氫、生物質(zhì)制氫、核能熱利用制氫等。

圖2 綠色氫能技術(shù)路線Fig.2 The technical route of Green hydrogen

2.1 綠色制氫技術(shù)

2.1.1 電解水制氫

利用可再生能源電解水制氫是最成熟的綠色制氫技術(shù)，電解生成氫氣和氧氣，制氫過程中無含碳化合物排出，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念[15-17]。制得的氫氣轉(zhuǎn)換為電能并入電網(wǎng)或直接供給負荷，提高了能源系統(tǒng)的綜合利用效率，有助于解決新能源消納問題，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。電解水技術(shù)設(shè)備簡單、技術(shù)成熟、無污染，由于其成本相對較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術(shù)的商業(yè)化推廣。

根據(jù)電解質(zhì)種類不同，典型的電解水制氫技術(shù)主要分為以下幾類：堿性電解、質(zhì)子交換膜電解(proton exchange membrane，PEM)、固體聚合物陰離子交換膜電解(solid polymer anion exchange membrane，SPAEM)、固體氧化電解(solid oxide electrolyze cells，SOEC)。幾種不同的電解水制氫技術(shù)特點如表2所示[1-3,18-22]。

表2 幾種典型電解水制氫技術(shù)對比Table 2 Comparison of several typical electrolysis water hydrogen production techniques

目前，堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展最為成熟，制氫成本也相對較低，已基本實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，但是能效較低；PEM制氫技術(shù)具有更寬泛的運行功率范圍及更短的啟動時間，可實現(xiàn)高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實現(xiàn)高壓化，能夠很好適應(yīng)可再生能源的波動性，國外發(fā)展較為成熟，已開始商業(yè)應(yīng)用，但在我國基本處于實驗研發(fā)階段；對于SOEC電解水制氫技術(shù)，目前國內(nèi)外均處于實驗室研發(fā)階段。有研究發(fā)現(xiàn)SOEC可在動態(tài)電力輸出下工作，并不會有明顯衰減[23]。堿性電解水制氫和 PEM制氫技術(shù)的成本降幅有限，后期的研究重點將在于成本、效率和靈活性之間的平衡。固體氧化物電解水制氫技術(shù)是能耗最低、能量轉(zhuǎn)換效率最高的電解水制氫技術(shù)，隨著技術(shù)的突破有望實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的氫氣供應(yīng)。2020年部分國外企業(yè)在國內(nèi)投資純水電解制氫項目，國內(nèi)一些研究機構(gòu)的純水電解制氫技術(shù)也取得了一定的進展，PEM制氫技術(shù)將由實驗階段轉(zhuǎn)向商業(yè)化和示范應(yīng)用。

2.1.2 太陽能制氫技術(shù)

目前，太陽能制氫技術(shù)主要有光催化法制氫、光化學(xué)制氫、人工光合作用制氫等[3,8,21]。光催化分解水制氫的過程比較復(fù)雜，當(dāng)太陽光照射光催化劑受時，光催化劑進行捕獲、吸收、產(chǎn)生激子，少量存在的激子向表面發(fā)生遷移，遷移到反應(yīng)活性中心分解水產(chǎn)生氫氣[3,21,24-25]。光催化劑制氫效率較高，可用的材料較多，但是轉(zhuǎn)換率偏低。光催化制氫技術(shù)的研究重點主要集中在開發(fā)具有催化活性高、穩(wěn)定性好、成本低的光催化劑[26]。

熱化學(xué)制氫技術(shù)，利用聚光器加熱水，當(dāng)溫度達到2 500 K以上時分解為氫氣和氧氣。熱化學(xué)制氫技術(shù)方法簡單，效率高，但是需要高倍聚光器才能獲得分解需要的溫度。研究發(fā)現(xiàn)，熱化學(xué)制氫技術(shù)在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求[27]。人工光合作用制氫技術(shù)是模擬植物的光合作用，利用太陽光制氫，制氫過程與電解水相似，制氫效率快，環(huán)境友好，但轉(zhuǎn)化效率低，發(fā)展緩慢。

太陽能制氫技術(shù)仍處于實驗室研究階段，目前美國斯坦福大學(xué)、中國清華大學(xué)、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院大連化物所等都在進行光催化制氫技術(shù)的相關(guān)研究。隨著更多的研究關(guān)注，政策的扶持，資金大量的投入，技術(shù)的開發(fā)和進步將會越來越快，太陽能制氫技術(shù)將能進一步完善。

2.1.3 生物質(zhì)制氫技術(shù)

生物質(zhì)制氫技術(shù)是一種高效無污染的生物工程技術(shù)，原料豐富、工作環(huán)境簡單、生產(chǎn)費用低、可再生、低消耗，是未來規(guī)?；茪涞闹匾緩健Ｉ镔|(zhì)制氫技術(shù)目前主要有微生物法和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法[3,21,28]。微生物法制氫技術(shù)包括光發(fā)酵法制氫、暗發(fā)酵法制氫和光合生物制氫。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制氫技術(shù)包括生物質(zhì)氣化法制氫、生物質(zhì)熱解法制氫、生物質(zhì)超臨界法制氫。常見的生物質(zhì)制氫技術(shù)如表3所示。

表3 常見的生物質(zhì)制氫技術(shù)Table 3 Common biomass hydrogen production technology

目前國內(nèi)外生物質(zhì)氣化法制氫和生物質(zhì)熱解法制氫技術(shù)較為成熟，已進行產(chǎn)業(yè)化推廣。微生物法制氫技術(shù)與生物質(zhì)超臨界法制氫技術(shù)尚處于實驗室研究階段。生物質(zhì)氣化法制氫的關(guān)鍵氣化技術(shù)雖已成熟，但由于生物質(zhì)氣化規(guī)模小，現(xiàn)主要用于供熱、發(fā)電等用途；如用于規(guī)模化制氫需要配套的制氫系統(tǒng)，較為復(fù)雜，經(jīng)濟性差，目前還沒有生物質(zhì)氣化制氫工業(yè)化裝置建設(shè)。

2.2 氫能儲運技術(shù)

氫儲能適用于大規(guī)模儲能、長周期能量調(diào)節(jié)、新能源消納、削峰填谷、熱電聯(lián)供，備用電源等諸多場景。儲氫技術(shù)主要包括：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫、有機液體儲氫和多孔材料及金屬合金等物理類固態(tài)儲氫等[1,3,21,27]。幾種氫能儲運技術(shù)的對比如表4所示。

表4 幾種氫氣儲運技術(shù)的對比Table 4 Comparison of several hydrogen storage and transportation technologies

氫氣儲運技術(shù)是氫氣高效利用的關(guān)鍵，也是制約氫氣大規(guī)模發(fā)展的重要因素。氫氣儲存方面，目前低溫液態(tài)儲氫在美國、日本等發(fā)達國家已有商業(yè)化應(yīng)用，我國對該技術(shù)要求嚴格，僅用于軍事與航空航天領(lǐng)域。對于低溫液化儲氫的核心設(shè)備氫透平膨脹機與低溫閥門等主要依賴于進口，液氫儲罐制造技術(shù)與裝備與國外也有一定的差距[29]。氫氣運輸方面，目前燃料電池車發(fā)展規(guī)模較小，氫氣需求較少，加氫站分散分布，氫氣的運輸以長管拖車為主。長管拖車運輸方便，技術(shù)成熟，是當(dāng)前國內(nèi)外運輸氫氣到加氫站的主要方式。

2.3 氫能加注技術(shù)

加氫站是氫能商業(yè)化推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。氫能的加注技術(shù)是將不同來源的氫氣通過壓縮機增壓儲存在站內(nèi)的高壓罐內(nèi)，再通過加氣機為氫燃料電池汽車加注氫氣的過程。加氫站系統(tǒng)流程圖如圖3所示。加氫站技術(shù)有2條技術(shù)路線：外供氫加氫站技術(shù)路線和內(nèi)制氫加氫站技術(shù)路線[30]如圖4所示。加氫站是連接氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游的樞紐，隨著加氫站技術(shù)的成熟，全球加快了加氫站的布局，現(xiàn)階段歐美、日韓是主力，中國是增長最快的國家。

圖3 加氫站系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of hydrogen refueling station system

圖4 供氫技術(shù)路線Fig.4 The technical route of hydrogen supply technology

2.4 氫能應(yīng)用技術(shù)

氫氣是最清潔的二次能源，兼具燃料、儲能、化工原料等多種屬性，在電力、交通、建筑、化工等多個行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間[31-34]。目前，國內(nèi)外對于綠色氫能應(yīng)用技術(shù)的理論探索與實踐案例主要聚焦于儲能領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域(綠氫煉鋼、綠氫化工、天然氣摻氫)、交通運輸領(lǐng)域(燃料電池汽車、重型工程機械、船舶)、建筑領(lǐng)域(微型熱電聯(lián)供、管道摻氫)等。由于可再生能源電解制氫技術(shù)尚未大規(guī)模推廣，氫能儲運技術(shù)不成熟，配套設(shè)施不完善，“綠氫”產(chǎn)能較小，不能大規(guī)模發(fā)展。氫能的應(yīng)用以就近消納為主，多局限于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，我國目前約90%～95%的氫能應(yīng)用于石油化工、鋼鐵冶金[35]。近年來，氫燃料電池汽車成為了氫能應(yīng)用最受關(guān)注的研究對象。據(jù)新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布，截至2020年底，國家監(jiān)管平臺已累計接入6 002輛氫燃料電池汽車，主要是氫燃料電池公交車和物流車，分別為2 222輛和3 153輛。氫燃料電池汽車正處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期，在全產(chǎn)業(yè)鏈中實現(xiàn)綠色制氫和規(guī)?；瘧?yīng)用是推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

3 綠色氫能發(fā)展趨勢及典型場景展望

3.1 綠氫關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1.1 綠色制氫發(fā)展趨勢

綠色制氫發(fā)展?jié)摿薮?，是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要路徑。目前綠色制氫仍面臨生產(chǎn)成本高、缺少專用基礎(chǔ)設(shè)施、制取過程中能量損失嚴重等難題。其中，電解水制氫過程的電耗成本占總成本的75%～85%，電價的高低直接決定了綠色氫能的經(jīng)濟性。我國可再生能源制氫潛力巨大，風(fēng)電、光伏裝機容量均為世界第一。隨著國家碳減排的承諾，新型能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐，風(fēng)電、光伏發(fā)電成本的不斷下降，綠色制氫技術(shù)水平達到規(guī)模化條件等因素的驅(qū)動，綠色制氫的發(fā)展將日益加快。2021年4月19日，國家能源局《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知》征求意見稿：2021年，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會用電量的比重將達到11%左右，后續(xù)也將逐年提高，至2025年將達到16.5%左右。大規(guī)模的風(fēng)光可再生能源裝機發(fā)電，可再生能源制氫技術(shù)會迎來更快的發(fā)展與突破。據(jù)預(yù)測，2030年可再生能源制氫成本有望實現(xiàn)平價，2050年可再生能源制氫將成為主流的制氫技術(shù)；2060年綠氫產(chǎn)量將達到1億 t，占氫氣年度總需求的80%[36-37]。

3.1.2 氫氣儲運發(fā)展趨勢

高壓氣態(tài)儲氫是目前應(yīng)用最為廣泛的儲氫技術(shù),其成本低、充放氣速度快、簡便易行，比較適用于燃料電池汽車，仍將是未來應(yīng)用最廣泛的儲氫技術(shù)。我國對于氣態(tài)儲氫容器罐體材料已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但高性能碳纖維材料被美國和日本壟斷，相關(guān)設(shè)備仍需進口。低溫液態(tài)儲氫技術(shù)難度系數(shù)大、液化成本高、能耗較大、絕熱材料成本高，短時間內(nèi)低溫液態(tài)儲氫技術(shù)仍會處于緩慢發(fā)展態(tài)勢。有機液體儲氫技術(shù)優(yōu)劣勢均比較明顯，目前國內(nèi)已進行小規(guī)模示范研究。固態(tài)儲氫技術(shù)相比于氣態(tài)儲氫與液態(tài)儲氫，具有儲氫密度高，操作方便，安全性好等優(yōu)點，最具有潛在的發(fā)展前景。隨著成本的降低、設(shè)備材料的使用便利，固態(tài)儲氫可能會成為以后主要的儲氫方式。

當(dāng)前氫燃料電池汽車的應(yīng)用尚處于示范運行階段，氫氣需求量小，長管拖車運輸氫氣到加氫站可以滿足現(xiàn)階段對氫氣的需求。但隨著燃料電池車大規(guī)模發(fā)展，氫氣需求量會逐漸增大，加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施會增多，采用管道輸送氫氣的方式只有需求達到一定的規(guī)模后才會變得經(jīng)濟。

3.1.3 氫氣加注發(fā)展趨勢

氫氣加注環(huán)節(jié)的經(jīng)濟性直接影響氫氣的成本。當(dāng)前氫燃料電池汽車的總體擁有成本中，燃料電池、氫瓶等部件占50%，用氫成本占25%。隨著關(guān)鍵材料、部件的規(guī)?；a(chǎn)，車用燃料電池系統(tǒng)成本會大幅下降[34,38]。我國氫氣的成本主要在制氫與儲運環(huán)節(jié)，其中，制氫占總成本的30%～50%，儲存和運輸占35%～55%，加注環(huán)節(jié)約占15%。當(dāng)氫氣需求較少時，站外長管拖車運氫可以滿足多數(shù)的運輸加注需求；當(dāng)氫氣需求較多，達不到管道建設(shè)規(guī)模時，分布式綠色制氫站內(nèi)供氫將會稱為未來發(fā)展的趨勢[39-40]。加氫站分布式綠色制氫站內(nèi)供氫，沒有氫氣運輸費用，站內(nèi)儲氫規(guī)模隨之下降，設(shè)備投資減少，可以有效降低氫氣銷售價格，減少運輸過程中的安全風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)階段的發(fā)展，合建站也將是加氫站建設(shè)的新趨勢。合建形式呈現(xiàn)多樣化，如在已有的加油站并設(shè)加氫站，加氫站、加氣站、加油站三站合一，便利店并設(shè)加氫站，充電站并設(shè)加氫站等。在合建站模式探索階段，加油加氫站與加氣加氫站合建站將會是比較好的選擇。

3.1.4 氫氣應(yīng)用發(fā)展趨勢

目前，氫氣應(yīng)用以工業(yè)化工原料消費為主，但未來交通領(lǐng)域消費潛力巨大，氫氣被認為是石油與天然氣的清潔替代品[4,41]。工業(yè)領(lǐng)域，氫能是實現(xiàn)工業(yè)深度脫碳的重要可行方案。全球工業(yè)部門45%的碳排放來自鋼鐵、合成氨、乙烯、水泥等生產(chǎn)過程，其中，45%的碳排放來自于原料用途、35%來自于生產(chǎn)高品位熱能、20%來自于生產(chǎn)低品位熱能。電氣化手段只能用于減少低品位熱所造成的20%的碳排放，綠色氫能是實現(xiàn)深度脫碳的重要解決方案之一。我國擁有全球規(guī)模最大、門類最全的工業(yè)生產(chǎn)體系，擁有豐富的可再生能源資源，在“雙碳”目標的背景下，工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂写笠?guī)模應(yīng)用氫能的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段，氫燃料電池汽車的發(fā)展依賴于政府的補貼和支持。根據(jù)我國實際情況，未來幾年氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展仍遵循商用車先發(fā)展，乘用車后發(fā)展的趨勢。隨著技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘞沓杀鞠陆担瑲淙剂想姵卦谥乜?、重型工程機械、船舶、航空等領(lǐng)域的市場化進程將進一步加快，氫能、電池等儲能方式可提供不同時間尺度上的儲能方案，保障消納的前提下實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用。據(jù)預(yù)測到2060年，氫能在終端能源消費中將達到20%，工業(yè)與交通仍是用氫的主要領(lǐng)域，其中，工業(yè)領(lǐng)域用氫約占60%，交通領(lǐng)域約占30%[37]。

3.2 綠氫典型應(yīng)用場景展望

3.2.1 海上風(fēng)電氫能耦合應(yīng)用場景

近年來，我國陸上風(fēng)電的技術(shù)日趨成熟，風(fēng)電發(fā)展逐漸向海上風(fēng)電傾斜。為了實現(xiàn)碳中和背景下風(fēng)電裝機容量新目標，豐富的海上風(fēng)電資源的開發(fā)利用是必然趨勢。海上風(fēng)電與氫能耦合可以提高海洋能源的綜合利用效率，為海上風(fēng)電消納與輸送提供新的思路[41-42]，海上風(fēng)電與氫能耦合應(yīng)用場景技術(shù)路線如圖5所示。海上風(fēng)電與氫能耦合有2條技術(shù)路線，海水淡化分解制氫和咸水直接制氫。海水淡化分解制氫技術(shù)相對成熟，但海水淡化增加了制氫的成本；咸水直接電解制氫需要關(guān)鍵材料和催化劑，技術(shù)仍待突破。

圖5 海上風(fēng)電氫能耦合應(yīng)用場景技術(shù)路線Fig.5 The technical route of offshore wind power coupling hydrogen

3.2.2 綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場景

綜合能源系統(tǒng)能夠促進電、熱、冷、氣等多種異質(zhì)能源的綜合利用，氫儲能具有多能聯(lián)供聯(lián)儲的優(yōu)點，可有效改善工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能量平衡，并提高綜合能源系統(tǒng)的整體效益[40,42-44]。隨著綜合能源系統(tǒng)與綠色氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場景將會成為未來典型的應(yīng)用場景之一，技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場景技術(shù)路線Fig.6 The technical route of integrated energy system coupling hydrogen

3.2.3 氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用場景

與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車的燃料加注時間短、續(xù)航里程長，隨著綠色氫能技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展帶來的成本的下降，綠氫將在交通運輸領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，如圖7所示。

圖7 綠氫在交通領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.7 Application of green hydrogen in transportation field

4 結(jié)論

綠色氫能是一種理想的清潔能源，作為解決能源危機與環(huán)境問題的重要載體，對于保障我國能源安全穩(wěn)定，加快構(gòu)建以新能源為主體的新型能源體系具有重大意義。我國具有豐富的可再生能源資源，為了實現(xiàn)“雙碳”目標，我國制定了2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億 kW的高目標，為綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文基于國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，重點分析了綠色氫能在制氫、儲氫、運氫、加注、應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢，并結(jié)合我國實際情況展望典型的應(yīng)用場景和提出發(fā)展建議。

(1) 我國的綠色氫能開發(fā)利用技術(shù)與國外相比仍有一定的差距。綠氫技術(shù)正處于發(fā)展階段，尚不能完全發(fā)揮其在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用，需要從國家戰(zhàn)略制定、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、政策扶持等方面加大力度。

(2) 綠氫在制取、儲運等方面仍面臨技術(shù)難題，造成成本過高、不能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。政府、科研院所、企業(yè)應(yīng)共同努力，在政府的扶持和引導(dǎo)下，加強科研院所與企業(yè)的技術(shù)研發(fā)合作，加大綠氫相關(guān)技術(shù)研發(fā)力度。對于成熟的綠氫技術(shù)加快商業(yè)化推廣和示范，對于處于實驗室階段的綠氫技術(shù)，加大投資與研發(fā)力度。

(3) 氫能具有廣泛的應(yīng)用場景，可再生能源制氫必將是未來主流的制氫方式。在大規(guī)模的海上風(fēng)電、工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)、交通運輸?shù)鹊湫蛨鼍跋?，綠氫能發(fā)揮其良好的優(yōu)勢，在保障能源系統(tǒng)綠色安全穩(wěn)定前提下，促進新能源消納，提高系統(tǒng)的綜合利用效益。