“雙碳”目標(biāo)下綠氫制備及應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

李建林，梁忠豪，梁丹曦，馬速良

(1.儲(chǔ)能技術(shù)工程研究中心(北方工業(yè)大學(xué))，北京市 石景山區(qū) 100144；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京市 昌平區(qū) 102211)

0 引言

隨著氣候變化問(wèn)題、能源安全問(wèn)題日益突出，世界各國(guó)都在尋求通過(guò)大力發(fā)展清潔能源的方法來(lái)推動(dòng)能源變革、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。2020年9月，習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布:中國(guó)力爭(zhēng)2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！疤歼_(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)(“雙碳”目標(biāo))的確定，彰顯了我國(guó)走綠色低碳發(fā)展道路的雄心和決心。氫能作為一種高熱值、多來(lái)源的綠色能源，是未來(lái)重要的能源載體。

目前，全球氫能超過(guò)95%來(lái)源于化石能源制氫，生產(chǎn)過(guò)程中均有二氧化碳排放[1]。因此，即使實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模應(yīng)用，仍無(wú)法達(dá)到深度脫碳的目標(biāo)。而大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)可以解決這個(gè)難題，通過(guò)可再生能源發(fā)電制取綠氫，不僅有助于解決我國(guó)“棄風(fēng)、棄光”等現(xiàn)象，又能解決新能源消納及并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。綠氫作為一種綠色二次能源，其大規(guī)模應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)零碳排放，推動(dòng)現(xiàn)有能源系統(tǒng)向更新型、更優(yōu)化的方向轉(zhuǎn)型。

為促進(jìn)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，我國(guó)積極推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，促進(jìn)可再生能源利用技術(shù)水平穩(wěn)步前進(jìn)，加大可再生能源利用規(guī)模，實(shí)現(xiàn)深度脫碳。本文基于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈研究路線，首先總結(jié)國(guó)內(nèi)外氫能發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)者在氫能領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析論述目前綠氫制備技術(shù)，以及應(yīng)用技術(shù)，最后對(duì)我國(guó)綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展、商業(yè)模式提出建議，以期為我國(guó)能源換代發(fā)展提供思路參考。

1 國(guó)內(nèi)外氫能發(fā)展現(xiàn)狀

自“十三五”以來(lái)，我國(guó)發(fā)布了一系列的氫能政策，如2016年發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》提出加強(qiáng)大規(guī)模制氫技術(shù)研究；2019年發(fā)布的《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄(2019年版)》鼓勵(lì)支持氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展；2020年發(fā)布的《關(guān)于做好可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃編制工作有關(guān)事項(xiàng)的通知(2020年)》提出將氫能與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)展示范項(xiàng)目等，極大促進(jìn)了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)具有自主開(kāi)發(fā)能力且生產(chǎn)能力較強(qiáng)；在燃料電池雙極板方面，國(guó)內(nèi)新源動(dòng)力已開(kāi)發(fā)出不銹鋼/石墨復(fù)合雙極板，并且已成功應(yīng)用于上汽輕型客車上[5]。另外，我國(guó)在制氫技術(shù)的創(chuàng)新研究方面也進(jìn)行了重點(diǎn)布局，并取得了一定成效。蔡國(guó)偉等針對(duì)風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電功率波動(dòng)、棄光等問(wèn)題，建立了風(fēng)光氫綜合能源并網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，進(jìn)而提高了制氫系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。王雪等通過(guò)不同的方法對(duì)電堆在燃料電池模式和電解池模式下的復(fù)雜電化學(xué)行為進(jìn)行了研究，給出固體氧化物燃料電池和固體氧化物電解池電堆的分析診斷方法，破解了電堆診斷難題[7]。蔡世超提出了區(qū)域多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)構(gòu)架，及建立區(qū)域多能互補(bǔ)分布式能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系的構(gòu)想；分析討論了能源綜合管控中心綜合能源管理調(diào)配策略與運(yùn)行模式，并提出綜合能源管理系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)方案，有效推動(dòng)能源清潔生產(chǎn)和就近消納，提高整個(gè)區(qū)域能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性[8]。

美國(guó)、日本等國(guó)家對(duì)于氫能技術(shù)研究起步較我國(guó)更早。目前，美國(guó)綠氫的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)有AirProducts、Praxair等世界先進(jìn)的氣體公司，且有技術(shù)領(lǐng)先的質(zhì)子膜純水電解制氫公司，同時(shí)掌握著液氫儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氫罐等核心技術(shù)[9]。日本氫能與燃料電池領(lǐng)域技術(shù)全面，專利數(shù)量居全球第一。且在家庭用燃料電池?zé)犭娐?lián)供固定電站和燃料電池汽車商業(yè)化運(yùn)作方面都已經(jīng)非常成熟[10]。孟加拉國(guó)BILLAH 等建立多能源互補(bǔ)制氫系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能，提出了一種新型沿海地區(qū)電力系統(tǒng)，為多種可再生能源制氫提供了技術(shù)基礎(chǔ)[11]。土耳其的YILMAZ等設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)光氫儲(chǔ)集成循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了多能源互補(bǔ)模式的優(yōu)勢(shì)，并表明溫度是影響氫氣產(chǎn)生率的因素之一[12]。澳大利亞DAWOOD 提出了可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能存儲(chǔ)使用的模式，達(dá)到徹底可再生和可持續(xù)的氫氣經(jīng)濟(jì)[13]。目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了多個(gè)風(fēng)光氫儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程，部分風(fēng)光氫儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 部分風(fēng)光氫儲(chǔ)能系統(tǒng)示范工程Table 1 Part of the demonstration project of wind-solar hydrogen energy storage system

然而，盡管我國(guó)在產(chǎn)業(yè)布局、綠氫技術(shù)方面均有一定的戰(zhàn)略規(guī)模，也開(kāi)展了一些含氫儲(chǔ)能的綜合能源利用示范工程，高成本仍然是制約綠氫發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。從綠氫整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)講，其成本主要包括制氫成本、運(yùn)輸成本、儲(chǔ)氫成本、加氫站投資成本、用氫成本等，其中涵蓋的主要設(shè)備有電解槽、儲(chǔ)氫罐、燃料電池、隔膜壓縮機(jī)等。目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)備研發(fā)企業(yè)中，美國(guó)杜邦公司對(duì)質(zhì)子交換膜的研究處于世界前列，厚度可達(dá)25～250 μm，EW值可達(dá)1 100～1 200，具有高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率。英國(guó)Johnson Matthery公司擁有全球最先進(jìn)催化劑生產(chǎn)技術(shù)，Pt純度達(dá)99.95%。巴德拉為質(zhì)子交換膜燃料電池全球龍頭企業(yè)，2019年6月公布第八代高性能燃料電池模塊FCmove-HD，壽命更長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度更高、體積更小、成本更低。國(guó)內(nèi)燃料電池企業(yè)主要有新源動(dòng)力、億華通、濰柴等，其中濰柴的燃料電池新產(chǎn)品的耐久性達(dá)到30 000 h，冷啟動(dòng)溫度低于-30 ℃，燃料電池成本下降明顯。河南豫氫公司關(guān)于隔膜壓縮機(jī)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，與進(jìn)口隔膜壓縮機(jī)相比，優(yōu)化了近排氣高壓管接口方式。

目前，我國(guó)氫產(chǎn)業(yè)鏈中多個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際最先進(jìn)水平還有一定的差距，我國(guó)應(yīng)加大綠氫技術(shù)研發(fā)投入，加大關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)突破，對(duì)綠氫產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2 綠氫制備技術(shù)

氫能按“顏色”可分為：灰氫、藍(lán)氫和綠氫。其中灰氫生產(chǎn)過(guò)程中有大量二氧化碳產(chǎn)生，而藍(lán)氫和綠氫生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳排放近乎為0，具體見(jiàn)表2。

表2 三種類型氫氣對(duì)比Table 2 Comparison of three types of hydrogen

由表2可知：全球氫能主要以灰氫為主，綠氫占比很小，且成本較高。但隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈不斷成熟，綠氫成本會(huì)逐漸降低。綠氫產(chǎn)業(yè)鏈見(jiàn)圖1，可再生能源及核能制取綠氫路徑見(jiàn)圖2。

圖1 綠氫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Schematic diagram of green hydrogen industrial chain

圖2 可再生能源及核能制取綠氫路徑圖Fig.2 Green hydrogen production from renewable energy and nuclear energy

2.1 可再生電力電解水制氫

綠氫制備方式中主流的是通過(guò)可再生能源發(fā)電所得電力接入電解槽電解水制氫，目前，電解水制氫技術(shù)主要有堿水電解(alkaline water electrolysis，AWE)制氫、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)純水電解制氫和固體氧化物電解(solid oxide electrolysis，SOE)制氫技術(shù)[14]。

2.1.1 堿水電解制氫

在市場(chǎng)化進(jìn)程方面，AWE作為最成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。堿性電解液通常采用氫氧化鉀水溶液，在電解水制氫過(guò)程中輸送離子。隔膜為多孔石棉，用于分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣。

圖3 AWE制氫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydrogen production by electrolytic alkali water

堿性電解液從冷啟動(dòng)開(kāi)始，隨著工作時(shí)間增長(zhǎng)，其溫度越來(lái)越高，由于其電導(dǎo)率隨著溫度的升高而升高，故產(chǎn)氫量會(huì)越來(lái)越大，所以堿性電解液熱啟動(dòng)要比冷啟動(dòng)快的多[15]。鑒于堿性電解液此特性，通常對(duì)其進(jìn)行熱備用，以便快速熱啟動(dòng)制氫。AWE制氫化學(xué)方程式如下：

陰極：2e-+2H2O=H2↑+2OH-

陽(yáng)極：4OH-=2H2O+O2↑+4e-

總反應(yīng)式：2H2O=2H2↑+O2↑

制氫過(guò)程中，AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑(如鎳、鈷、錳等)，AWE制氫技術(shù)成本較低，因此目前在規(guī)?；娊庵茪浼夹g(shù)中AWE技術(shù)應(yīng)用最廣；然而，堿性電解液在空氣中會(huì)產(chǎn)生不溶的碳酸鹽，導(dǎo)致催化層阻塞，從而大幅度降低了電解槽的性能；另外，電解槽啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法快速調(diào)節(jié)制氫速度。因此，此AWE制氫與可再生能源發(fā)電的適配性較差[16]。

2.1.2 質(zhì)子交換膜純水電解制氫

PEM電解槽由2個(gè)電極和1個(gè)膜組成，如圖4所示。PEM電解槽不需要電解液，只需要純水，使用膜電極組件。其中電極材料為多孔鉑，催化劑附著在交換膜表面[17]。PEM制氫過(guò)程的化學(xué)方程式如下：

圖4 PEM純水電解制氫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydrogen production by PEM water electrolysis

陰極：2H++2e-=H2↑

陽(yáng)極：2H2O-4e-=O2↑+4H+

總反應(yīng)式：2H2O=2H2↑+O2↑

制氫工程中，由于PEM電解槽只需要純水，比AWE更安全[18]。PEM具有較高的質(zhì)子導(dǎo)電性，可以工作在較高的電流下，提高了電解效率。PEM電解槽運(yùn)行更加靈活，與可再生能源發(fā)電耦合方面優(yōu)勢(shì)明顯。

2.1.3 固體氧化物電解制氫

SOE制氫過(guò)程中，水蒸氣進(jìn)入管狀電解槽后(SOE結(jié)構(gòu)如圖5)，在陰極分解成H+和O2-，H+獲得電子生成H2，而O2-通過(guò)固體氧化物電解質(zhì)層到達(dá)陽(yáng)極得到O2。反應(yīng)過(guò)程化學(xué)方程式如下：

圖5 SOE制氫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of hydrogen production by SOE water electrolysis

陰極： H2O+2e-=H2↑+O2-

陽(yáng)極：2O2--4e-=O2↑

總反應(yīng)式：2H2O=2H2↑+O2↑

SOE制氫工藝需要較高的工作溫度(800～1 000 ℃)，因此對(duì)制氫過(guò)程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收利用，如可用于汽輪機(jī)、制冷系統(tǒng)等，此時(shí)制氫系統(tǒng)總效率可達(dá)到90%以上，適合家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用[19]。

以上三種電解水制氫技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 三種電解水制氫技術(shù)比較Table 3 Comparison of three hydrogen production technologies by electrolyzing water

由表3可知：目前AWE制氫技術(shù)已大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，技術(shù)成熟度較高，制氫成本最低；PEM制氫技術(shù)處于初步商業(yè)化階段，但是因其有快速啟停特性，可以更好地適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性，因此，PEM制氫技術(shù)有很好的發(fā)展前景；SOE制氫技術(shù)能耗最低、能量轉(zhuǎn)換率最高，目前仍處于初期示范階段。國(guó)外學(xué)者在Science上發(fā)表的文章指出，固體氧化物電解槽可在動(dòng)態(tài)電力輸出下工作，并不會(huì)有明顯衰減[20]。因此，固體氧化物電解水制氫技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的氫氣供應(yīng)。

2.2 太陽(yáng)能光解水制氫

1972年，日本學(xué)者FUJISHIMA A和HONDA K首次報(bào)道了TiO2單晶電極光解水產(chǎn)生氫氣的實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)辟了光解水制氫的新途徑，通過(guò)太陽(yáng)能光解水制氫也被認(rèn)為是未來(lái)綠氫制取的最佳途徑[21]。太陽(yáng)能光解水制氫技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4中三種技術(shù)相比之下，太陽(yáng)能熱分解水制氫技術(shù)綜合性能更優(yōu)，其制氫效率高、清潔環(huán)保、方法簡(jiǎn)單。僅僅是工作環(huán)境需要高溫，故對(duì)太陽(yáng)能熱分解的儀器有極大的要求。不過(guò)，目前關(guān)于太陽(yáng)能熱分解的收集器和接收器已經(jīng)發(fā)展成商業(yè)化產(chǎn)品，所以太陽(yáng)能熱分解水是一個(gè)極其有前景的技術(shù)。

表4 太陽(yáng)能光解水制氫技術(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of technologies for hydrogen production by solar photolysis of water

2.3 生物質(zhì)制氫

生物制氫技術(shù)是一種生物工程技術(shù)，借助微生物代謝來(lái)高效產(chǎn)氫。由于微生物可以從餐廚垃圾、麥秸、玉米桿葉等中獲得，所以比傳統(tǒng)的化石能源制氫方法更加節(jié)能，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)[22]。生物制氫有4種方法，具體見(jiàn)表5。

由表5可知，生物制氫與傳統(tǒng)能源生產(chǎn)過(guò)程相比，生物制氫有原料來(lái)源廣、清潔無(wú)污染、反應(yīng)環(huán)境常溫常壓、生產(chǎn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，生物制氫的效率進(jìn)一步提高的希望也會(huì)更大，前景十分廣闊。

表5 生物質(zhì)能制氫技術(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of hydrogen production technologies from biomass energy

2.4 核能制氫

核能制氫主要是熱化學(xué)制氫，利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的高溫，使水溫升高至800～1 000 ℃后，在催化劑的作用下進(jìn)行熱分解，生成氫氣和氧氣。與電解水制氫相比，核能熱化學(xué)制氫系統(tǒng)效率較高，可達(dá)50%～60%。同樣，由于熱化學(xué)制氫工作溫度較高，故對(duì)為熱化學(xué)制氫過(guò)程供熱的高溫氣冷堆設(shè)備要求較高。我國(guó)已建設(shè)成200 MW高溫氣冷堆商業(yè)示范電站，并且被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)。

3 綠氫應(yīng)用技術(shù)

綠氫是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要能源載體，在未來(lái)能源系統(tǒng)中，氫具有替代煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源的潛力。綠氫在電力、化工、航空及醫(yī)療領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，具體見(jiàn)圖6。

圖6 綠氫應(yīng)用分類Fig.6 Application classification of green hydrogen

綠氫在電力領(lǐng)域，可通過(guò)燃料電池發(fā)電供汽車使用，或者與新能源發(fā)電配合使用，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，也可以作為單獨(dú)電源使用等；在化工領(lǐng)域有助于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模脫碳；在航空領(lǐng)域可以作為火箭助推劑或者作為新型藥物用于醫(yī)療行業(yè)。

3.1 綠氫在電力領(lǐng)域的應(yīng)用

綠氫在電力領(lǐng)域的應(yīng)用包括以氫燃料電池為核心的電力應(yīng)用和氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。氫燃料電池以綠氫為燃料，注入燃料電池發(fā)電，本質(zhì)是氫氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率高，清潔無(wú)污染，應(yīng)用前景廣闊，主要集中在氫燃料電池車、分布式發(fā)電、家用熱電聯(lián)產(chǎn)和備用電源四大領(lǐng)域,而氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電是以綠氫替代天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)直燃發(fā)電，氫燃?xì)廨啓C(jī)火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為天然氣的9倍，15 min左右即可將負(fù)荷從零拉滿[23]。

國(guó)內(nèi)氫燃料電池車主要以非乘用車為主。2020年9月，我國(guó)發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》明確要重點(diǎn)推動(dòng)燃料電池汽車在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用，采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式，對(duì)開(kāi)展燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和示范應(yīng)用的城市群給予獎(jiǎng)勵(lì)[24]。我國(guó)燃料電池商用車發(fā)展路線見(jiàn)表6。

由表6可知：到2035年，燃料電池壽命是目前的3倍，而系統(tǒng)成本幾乎降為目前成本的11%，由于電池成本是制約燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素，隨著成本的降低，我國(guó)燃料電池車產(chǎn)業(yè)化水平將會(huì)大大提升。

表6 我國(guó)燃料電池商用車發(fā)展路線Table 6 Development routes of fuel cell commercial vehicles in China

分布式發(fā)電、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及備用電源均屬于燃料電池固定式發(fā)電領(lǐng)域。其中分布式發(fā)電適用于靠近用戶側(cè)且容量在千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，具有發(fā)電效率高、體積小、場(chǎng)景適應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，故可作為主電網(wǎng)補(bǔ)充，或解決工、商業(yè)供電問(wèn)題。家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)(一種家用熱電聯(lián)系統(tǒng)示意圖如圖7所示)直接給終端用戶提供電能或其他能源形式，能夠大大減少能源浪費(fèi)，提高能源利用率。備用電源產(chǎn)品具有運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在通信、醫(yī)療等部門[25]。文獻(xiàn)[26]介紹了分布式發(fā)電以及熱電聯(lián)供系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過(guò)分析分布式發(fā)電以及熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，確定了其規(guī)?；l(fā)展的可能性。文獻(xiàn)[27]研究了家用微型熱電聯(lián)供系統(tǒng),綜合考慮其節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了參考系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化模型，得到了參考系統(tǒng)的最優(yōu)配置方案及運(yùn)行策略。 文獻(xiàn)[28]設(shè)計(jì)和分析了一種固體氧化物燃料電池家用熱電聯(lián)供系統(tǒng),提出了一種以用戶電消耗為核心的家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行方案,同時(shí)給出了蓄電池容量和水箱容積的推薦參數(shù)。

圖7 并網(wǎng)家用熱電聯(lián)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of grid connected household heat and power system

3.2 綠氫在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

綠氫在化工領(lǐng)域中是化石能源清潔化利用的重要原料，可作為原料生產(chǎn)能源產(chǎn)品(如甲醇、氨)，在石油催化過(guò)程中加氫餾分以及冶金過(guò)程中的還原劑等。

綠氫煤化工是綠氫在煤化工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。原理是利用綠氫代替灰氫作為原料，從而大幅度減少能源產(chǎn)品(如甲醇、氨)生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放和煤炭用量，實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效、清潔利用。因此，綠氫煤化工產(chǎn)業(yè)對(duì)于中國(guó)減輕燃煤造成的環(huán)境污染，降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴均有重大意義[29]。

石油精煉是指煉油過(guò)程的油品質(zhì)量改善，具體是指加氫精制環(huán)節(jié)中石油餾分在氫氣及催化劑作用下對(duì)餾分油脫硫、脫氮等。氫氣在石油生產(chǎn)過(guò)程中是改善油品質(zhì)量不可或缺的原料之一。在當(dāng)前石油產(chǎn)業(yè)中，隨著臨氫工藝不斷發(fā)展，催化重整及加氫精制兩個(gè)環(huán)節(jié)耗氫量不斷增加，氫氣需求量不斷增大，在石油生產(chǎn)過(guò)程中氫氣成本僅次于原油成本[30]。

氫能冶金是指在直接還原鐵工藝中，利用氫氣代替焦炭形式的碳作為還原劑，可以使煉鐵工序中產(chǎn)生水，而不是一氧化碳、二氧化碳等氣體，從而大幅度減少碳排放，實(shí)現(xiàn)“綠色冶金”。

目前，我國(guó)約90%～95%的氫應(yīng)用集中在石油化工、鋼鐵冶金等領(lǐng)域，其中以化工領(lǐng)域合成氨用氫量最大，冶金領(lǐng)域用氫量最小。然而，氫在冶金領(lǐng)域應(yīng)用表明氫氣不僅可以用作清潔燃料，還可以用作還原氣，比如，可以將金屬氧化物還原成金屬，氫氣在冶金領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用前景廣闊[31]。

3.3 綠氫在航空及醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

綠氫在航天工業(yè)中是重要的燃料。氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是以液氧、液氫為助推劑的火箭動(dòng)力裝置，為火箭飛行提供動(dòng)力。其中液氫是重要的高能低溫液體火箭燃料，在產(chǎn)生相同能量的前提下，體積小、重量輕、無(wú)污染。文獻(xiàn)[32]詳細(xì)介紹和分析了我國(guó)液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展歷程和創(chuàng)新成果。此外，綠氫也可以用在醫(yī)療領(lǐng)域，富氫水中溶入適量氫氣，是最好的抗氧化物。另外，氫氣對(duì)多種器官有保護(hù)作用，涉及肝、腎、胃、肺等，并且由于氫無(wú)毒、易擴(kuò)散，在一定程度上打破了傳統(tǒng)藥物的局限性。Runtuwene等的研究發(fā)現(xiàn)含氫水提高了結(jié)腸癌小鼠的存活率，且含氫水與5-氟尿嘧啶聯(lián)合使用更有效[33]。

4 結(jié)論與建議

綠氫是氫能生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢(shì)，有非常廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)一步研究綠氫發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)、商業(yè)模式等對(duì)能源的發(fā)展具有重要意義?！半p碳”目標(biāo)下，能源行業(yè)紛紛向低碳、綠色、清潔方向轉(zhuǎn)型，風(fēng)力、光伏等可再生能源得到了飛速發(fā)展，給綠氫的生產(chǎn)提供了能源保障。然而，綠氫的發(fā)展還存在諸多的問(wèn)題，為使氫能穩(wěn)定發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 打造完整綠氫產(chǎn)業(yè)鏈，降低綠氫成本。進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)孵化與扶持，助力關(guān)鍵技術(shù)突破，形成綠氫供給體系。穩(wěn)妥有序推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，增加關(guān)鍵裝備引進(jìn)、加大市場(chǎng)拓展，發(fā)展跨區(qū)域、跨行業(yè)協(xié)同推進(jìn)綠氫發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)鏈成熟，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，從而大大降低綠氫的成本。

(2) 構(gòu)筑國(guó)家層面良性機(jī)制。首先，布局要全面。綠氫利用全產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)方面都要顧及，政策、標(biāo)準(zhǔn)既要銜接好綠氫利用的各個(gè)環(huán)節(jié)，又要銜接好其他相關(guān)行業(yè)；其次，構(gòu)建新的能源市場(chǎng)機(jī)制，擴(kuò)展綠氫經(jīng)濟(jì)收益。

(3) 開(kāi)創(chuàng)良好商業(yè)模式。加強(qiáng)先試先行。引導(dǎo)若干省市先行建設(shè)綠氫綜合應(yīng)用示范項(xiàng)目，吸引外部資金，打破行業(yè)壁壘，探索可持續(xù)的、具有良好經(jīng)濟(jì)效益的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，為全國(guó)綠氫應(yīng)用提供可借鑒、可復(fù)制的成熟經(jīng)驗(yàn)。