氫能的思考及發(fā)展路徑判斷和實(shí)踐

周穎，周紅軍，徐春明

（1 中國石油大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京 102249；2 中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

世界百年之大變局的主導(dǎo)因素之一是正在面臨的能源革命，即從以煤油氣為一次能源、電為二次能源轉(zhuǎn)向電熱為一次能源、氫為二次能源，從有碳能源向無碳能源的轉(zhuǎn)變。其重大改變是氫的屬性發(fā)生了變化，從化學(xué)品向?qū)偃剂虾投文茉磳傩匝葑?。認(rèn)清上述變化的本質(zhì)、理清底層邏輯，才能準(zhǔn)確判斷氫產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展軌跡，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。

1 氫的屬性認(rèn)知及定位

世界各國新能源的發(fā)展基本是政策與市場雙驅(qū)動(dòng)，氫作為新能源也不例外。政策的拉動(dòng)、技術(shù)促進(jìn)市場都將影響氫從化學(xué)品屬性向?qū)偃剂希ㄈ鐨淠苘嚕┘盎A(chǔ)能源屬性轉(zhuǎn)變。

1.1 雙碳目標(biāo)下氫的定位思考

中國提出2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和（30·60）的目標(biāo)。氫的定位思考首先必須認(rèn)清氫的特點(diǎn)：氫是世界上最輕的物質(zhì)，無色無味，對設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，稱為“氫脆”；空氣中爆炸濃度范圍寬，爆炸極限體積分?jǐn)?shù)為4.0%～75.6%，安全要求高，氫能車不宜停放在密閉空間，如地下停車場。

若對新能源以CO減排、綠電和氫能三個(gè)維度來認(rèn)識，CO減排是政府政策促進(jìn)能源革命的工具與抓手，如各國政府的碳減排目標(biāo)、政策、碳費(fèi)與碳稅等。通過發(fā)展無碳電，如光伏風(fēng)電來實(shí)現(xiàn)CO減排目標(biāo)，在這一邏輯下，無碳電的主要來源是光伏風(fēng)電與核電，而光伏風(fēng)電具有一定的不確定性，這一不確定性決定了未來氫能的二次能源屬性定位，很顯然氫能作為基礎(chǔ)能源定位時(shí)，應(yīng)主要是光伏風(fēng)電生產(chǎn)的氫，即綠氫才有意義。相對于綠電而言，綠氫是被動(dòng)的，只有綠電發(fā)展普及，才易帶來綠氫的大發(fā)展，它是未來綠電的二次能源。這一定位變化使得氫從目前的化學(xué)品屬性向?qū)偃剂虾突A(chǔ)能源轉(zhuǎn)變。對標(biāo)當(dāng)前傳統(tǒng)的能源市場，氫的專屬化學(xué)品價(jià)格量級在2 萬元/噸，專屬燃料如汽油為(0.5～0.8)萬元/噸，基礎(chǔ)能源如天然氣為(0.3～0.5)萬元/噸，氫能綠色化過程實(shí)則是供給成本下降的過程，促進(jìn)工具無外乎為政府的政策補(bǔ)貼及技術(shù)進(jìn)步，這是底層的邏輯。

1.2 氫從化學(xué)品經(jīng)專屬燃料向二次能源轉(zhuǎn)變“供”端變化及判斷

光伏風(fēng)電引領(lǐng)的能源革命重構(gòu)了傳統(tǒng)能源煤、油、氣與電市場，新增了未來以二次能源定位的“氫能”，這就產(chǎn)生了氫代煤、氫代油及氫代天然氣市場機(jī)遇。

以“氫能”視角思考，“氫”從當(dāng)前的化學(xué)品屬性定位到燃料，包括專屬燃料與基礎(chǔ)能源，將使氫替代煤、油、氣用于住宅供熱、工業(yè)供蒸汽等。

在氫能定位下，氫的來源應(yīng)為無碳排氫，除核能制氫外，主要是光伏風(fēng)電制氫和生物質(zhì)制氫。生物質(zhì)制氫有可能成為中國鄉(xiāng)村振興、政府工業(yè)補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)基金通道的載體工具。在中國進(jìn)入中等發(fā)達(dá)國家階段，替代中國戶籍制度，通過政府政策進(jìn)行中國鄉(xiāng)村振興的政府政策調(diào)控與拉動(dòng)。美國與德國已成功利用生物質(zhì)能相關(guān)的專屬燃料作為補(bǔ)貼工具。

1.3 氫從化學(xué)品經(jīng)專屬燃料向二次能源轉(zhuǎn)變“需”端變化及判斷

從“需”端思考這次能源革命帶來的重構(gòu)，煤、油、氣除具有能源屬性外，還具有原料屬性，特別是對重工業(yè)，能源革命是原料屬性的氫再次對傳統(tǒng)工業(yè)，如鋼鐵、煉化、煤化工及水泥等的深度利用，即再氫化，目標(biāo)是產(chǎn)業(yè)低碳化。開發(fā)上述產(chǎn)業(yè)的綠色低碳技術(shù)是轉(zhuǎn)型手段，也是中國區(qū)域競爭的核心工具，將重塑中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局，也將成為國家間競爭的新標(biāo)桿和焦點(diǎn)。

以“氫能”定位，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中增加了這一新的能源種類，重構(gòu)應(yīng)用端主要是氫能車，以專屬燃料定位，取代燃油車。很顯然，在取代燃油車大潮下，電車處于世界領(lǐng)先趨勢，氫能車也必有其位置，但各國因資源及地緣政治不同而定位不同，也受各國的工業(yè)限制，一些小國沒有涉氫的傳統(tǒng)工業(yè)，只有交通涉氫領(lǐng)域，因而各國的新能源戰(zhàn)略中必有氫能車而不一定具備其他形式。

在油車的電氫轉(zhuǎn)型中，不可忽視的是“贏者通吃”規(guī)律，未來氫能車在電車主導(dǎo)下的市場空間有多少，值得思考與判斷。氫能車定位物流與城市間交通不代表電車無市場機(jī)會(huì)，這是氫能車的風(fēng)險(xiǎn)所在。國內(nèi)央企的定位要考慮作為頭部企業(yè)承擔(dān)的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)頭羊政治責(zé)任，必須帶頭探索氫能新場景、新的商業(yè)模式，以孵化可能的新興產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)新中國，引領(lǐng)世界。

對于光伏風(fēng)電產(chǎn)業(yè)界，重點(diǎn)發(fā)力電解水產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)潜赜芍?，但在?shí)踐、累積、沉淀和迭代等創(chuàng)新過程中，必須清醒地認(rèn)識到氫從當(dāng)前的化學(xué)品屬性到專屬燃料和二次能源階段，底層邏輯是政府政策與技術(shù)創(chuàng)新雙促進(jìn)下的經(jīng)濟(jì)可行性。氫作為專屬燃料用于交通領(lǐng)域的氫能車階段之前，綠氫作為化學(xué)品取代化石原料制氫階段不可或缺，具體到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為鋼鐵、甲醇與合成氨，特別是中國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳是中國傳統(tǒng)工業(yè)脫碳的重中之重，其氫源必定來源于綠電重構(gòu)現(xiàn)有的煤、油、氣制氫，然后是綠電電解水制氫。

本文作者團(tuán)隊(duì)于2007 年布局了電重構(gòu)石油煉化方向。因?yàn)殡娏呀鉄N生產(chǎn)烯副產(chǎn)氫，即電烯氫要比電解水氫成本更低、更具經(jīng)濟(jì)性；而煤制氫隨政府政策調(diào)控必將淘汰，天然氣制氫成本將越來越高而不具經(jīng)濟(jì)性，鋼鐵工業(yè)的低碳化除充分利用各種煤氣外，可行的氫源就是隨著煉化產(chǎn)業(yè)的低碳化而副產(chǎn)的氫資源，在綠電電解水具有經(jīng)濟(jì)性后，綠氫才可成為零碳冶金的原料。

2 綠氫作為化學(xué)品對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重構(gòu)及綠色低碳棋局技術(shù)

（1）傳統(tǒng)涉氫工業(yè) 綠氫化將使中國的傳統(tǒng)煤原料制氫合成氨和甲醇產(chǎn)業(yè)面臨被顛覆，特別是中國中東部煤原料合成氨和甲醇企業(yè)將面臨政府越來越嚴(yán)的碳排放約束而生產(chǎn)成本上升，直至轉(zhuǎn)型或關(guān)停。中國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)因剛開始?xì)湟苯疝D(zhuǎn)型，除產(chǎn)能往東部沿海遷移外，中西部的鋼鐵企業(yè)只能面臨越來越低碳化的氫冶金轉(zhuǎn)型。煉化產(chǎn)業(yè)隨著煉化一體化，特別是電烯氫轉(zhuǎn)型，西部以油田與綠電原位通過電烯氫技術(shù)材料化和氫化，東部沿海煉化一體化以燃料和化學(xué)品平衡生產(chǎn)，隨汽車的電氫化向材料和氫能轉(zhuǎn)型。總之傳統(tǒng)耗氫工業(yè)：煤原料合成氨和甲醇將被顛覆；鋼鐵產(chǎn)業(yè)向短流程氫冶金還原鐵轉(zhuǎn)型，綠色低碳技術(shù)為各類氫源氣基還原鐵；煉化產(chǎn)業(yè)將被新的電烯氫綠色低碳技術(shù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)綠色低碳生產(chǎn)并副產(chǎn)外供氫。

（2）煤電 隨著綠氫時(shí)代的到來，將重構(gòu)煤電這一傳統(tǒng)的電力產(chǎn)業(yè)。初期主要用于調(diào)峰而生產(chǎn)的綠氫可發(fā)展綠氨和甲醇儲能，然后用于煤電機(jī)組調(diào)峰即作為調(diào)峰工具，也可并入天然氣管網(wǎng)用于燃?xì)?。在西部五省建綠電調(diào)峰綠氫發(fā)展中心，并耦合現(xiàn)有煤化工基地，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰及煤化工產(chǎn)業(yè)的低碳化，綠色棋局技術(shù)為電氨技術(shù)。

（3）CO回收、利用與封存（CCUS） 主要針對碳的捕獲、利用與封存，換而言之，則是注重二氧化碳高值化的相關(guān)途徑及應(yīng)用。隨著綠氫具有經(jīng)濟(jì)性，綠氫與CO可通過生產(chǎn)CO+H合成氣，用于生產(chǎn)甲醇，經(jīng)MTO生產(chǎn)乙烯和丙烯聚合成高聚物，不僅高值化又固碳，合成氣也可用于生產(chǎn)高碳醇和FT合成燃料。綠色低碳核心技術(shù)為系列CO干重整技術(shù)。

（4）傳統(tǒng)工業(yè)園 綠氫這一特色化學(xué)品將會(huì)對工業(yè)園，特別是化工園區(qū)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，可取代空分裝置重構(gòu)傳統(tǒng)的工業(yè)園氣體島供氧、供氫，實(shí)現(xiàn)更高水平的節(jié)能減排。重構(gòu)園區(qū)的CCUS，實(shí)現(xiàn)低碳排放或建零碳園區(qū)。綠色低碳核心技術(shù)是電解水及CO干重整技術(shù)。

（5）光伏風(fēng)電場 光伏風(fēng)電場面對調(diào)峰和地方政府配套非電產(chǎn)業(yè)的要求以及光伏產(chǎn)業(yè)從物理光伏向化工光伏轉(zhuǎn)型的必然趨勢，電市場飽和后，必然面對綠電的大規(guī)模消納，而不僅僅是調(diào)峰要求。

對于中國，在西部五省光伏綠電與傳統(tǒng)高碳產(chǎn)業(yè)（如鋼鐵、煉化、合成氨、甲醇甚至水泥產(chǎn)業(yè)）的氫耦合將是光伏風(fēng)電產(chǎn)業(yè)界下一個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的方向，特別是到了化工光伏綠氫時(shí)代，光伏風(fēng)電將與鋼鐵、煉化、合成氨、甲醇及水泥產(chǎn)業(yè)一體化而再獲巨大發(fā)展空間。綠電電解水用于氫能車，與上述產(chǎn)業(yè)重構(gòu)相比，將滯后且市場空間難以比擬。中國西部光伏風(fēng)電資源與東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)汽車市場空間上的錯(cuò)位通過特高壓電網(wǎng)即可解決，而綠氫的長距離輸送及經(jīng)濟(jì)性仍需若干年迭代。西部通過在當(dāng)?shù)亟ňG色工業(yè)園使傳統(tǒng)重工業(yè)脫碳生產(chǎn)綠色低碳產(chǎn)品，通過中歐班列出口歐洲，將更加發(fā)揮西部五省的區(qū)位和光伏風(fēng)電的資源優(yōu)勢，促進(jìn)中國西部振興。綠色核心技術(shù)是光伏風(fēng)電原位電解水及綠氫與氧低碳消納技術(shù)。

3 氫多屬性綜合一體化開發(fā)的方向及新場景

氫能社會(huì)是以綠氫為主的低碳時(shí)代，而綠氫來源主要是光伏風(fēng)電和生物能源，光伏風(fēng)電和生物質(zhì)制氫與傳統(tǒng)能源煤、油、氣的整合與替代，是未來氫能應(yīng)用的主要場景，包括中國西部光伏原位制氫和綠色氣體島新場景，東部村鎮(zhèn)環(huán)境與能源清潔低碳化下的鄉(xiāng)村振興，城市廢棄物處理與交通一體化低碳城市的創(chuàng)建等。

3.1 中國西部光伏原位制氫新場景

隨著光伏風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，特別是到綠電過剩階段，開發(fā)光伏原位電解水并與西部油田耦合，進(jìn)行地下地上能源一體化，將是應(yīng)用新場景。如圖1所示，油氣田所產(chǎn)的天然氣直接管網(wǎng)運(yùn)輸。所產(chǎn)的石油可利用綠電，通過電烯氫技術(shù)獲得三烯三苯從而制備高價(jià)值化學(xué)品；也可利用綠電電解水制氫及氧，副產(chǎn)的氧可取代空分裝置，氫進(jìn)入天然氣管網(wǎng)混輸或與空氣中的氮生產(chǎn)合成氨，繼而與排放的二氧化碳生產(chǎn)尿素或制甲醇，氨可代重油用于海運(yùn)，電解水制氫也可用于氫冶金生產(chǎn)還原鐵。

圖1 油氣田綠電一體化示意圖

在徐春明院士帶領(lǐng)下，其科研團(tuán)隊(duì)于2019 年獲中石油氫能專項(xiàng)支持，開發(fā)光伏原位電解水與油氣田耦合技術(shù)，布局未來電氫時(shí)代下油氣田的轉(zhuǎn)型和煉化企業(yè)的再電氣化。團(tuán)隊(duì)主要骨干成員來自于20 世紀(jì)80 年代中國化工部主導(dǎo)下的國內(nèi)兩大制氫團(tuán)隊(duì)之一的齊魯石化公司研究院，對氫能有近40年的思考、積累和實(shí)踐。

3.2 中國西部綠色氣體島新場景

中國的煤化工基地大部分位于西部，隨著低碳化電氫時(shí)代的到來，傳統(tǒng)的西部煤化工轉(zhuǎn)型可通過綠色氣體島新場景來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，國家電網(wǎng)與地方政府及發(fā)電企業(yè)可組建區(qū)域以綠電消納和電網(wǎng)耦合調(diào)峰以及相關(guān)的綜合能源服務(wù)為目標(biāo)的綠色氣體島平臺，可達(dá)到重構(gòu)目前的煤化工基地需求。氣體島以綠電電解水生產(chǎn)氫和氧，包括電供能蒸汽和熱水，回收煤化工園區(qū)的N和CO而集成一個(gè)新平臺，輸出H和O代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤制氫等高碳制氫及空分裝置，從而實(shí)現(xiàn)煤化工園區(qū)逐步地低碳化替代，回收的N和CO與電解水的H和O可整合生產(chǎn)綠色電氨尿素及甲醇，從而顛覆替代以煤為原料的合成氨甲醇產(chǎn)業(yè)鏈，也可應(yīng)用于電烯烴、氫冶金和氧化化工相關(guān)方向。

圖2 綠電綜合能源與氣體島示意圖

2021 年本文作者團(tuán)隊(duì)獲得第一個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——電氨工業(yè)示范，在寧夏寧東以綠電電解水生產(chǎn)綠氨進(jìn)行1 萬噸/年工業(yè)應(yīng)用，目標(biāo)在于孵化綠色氣體島，重構(gòu)傳統(tǒng)煤化工園區(qū)及光伏風(fēng)電場原位生產(chǎn)綠氨儲能。綠氨用于代煤燃燒實(shí)現(xiàn)煤電廠調(diào)峰，替代重油用于海運(yùn)脫碳等。

3.3 中國東部村鎮(zhèn)環(huán)境與能源清潔低碳化下的鄉(xiāng)村振興新場景

中國的鄉(xiāng)村振興，借鑒美國和德國的成功經(jīng)驗(yàn)，必須建一條工業(yè)補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)的基金通道。美國是生產(chǎn)乙醇汽油，德國是沼氣發(fā)電和生物天然氣。中國隨著能源革命再電氣化浪潮的到來，光伏風(fēng)電、H及生物航油是未來中國的鄉(xiāng)村振興工業(yè)補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)的可行工具。在中國東部村鎮(zhèn)孵化區(qū)域，村鎮(zhèn)生活廢棄物與光伏風(fēng)電耦合生產(chǎn)電與氫，各類有機(jī)垃圾經(jīng)過干/濕發(fā)酵并與光伏風(fēng)電一體化集成，向周邊村鎮(zhèn)供應(yīng)電、燃?xì)饧盁幔ò崴投旃┡釉罢右禾幚砗蠓堤?，?shí)現(xiàn)可循環(huán)利用。完成村鎮(zhèn)種養(yǎng)、廢棄物垃圾環(huán)境友好處理能源低碳化，以及農(nóng)副產(chǎn)品加工三位一體，通過建立光伏風(fēng)電、H及生物航油基金池，政府可對鄉(xiāng)村振興補(bǔ)貼拉動(dòng)和促進(jìn)（圖3）。

圖3 能源基金通道鄉(xiāng)村振興新場景示意圖

本文作者團(tuán)隊(duì)已獲三個(gè)相關(guān)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃及國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)。與中石化煉化工程公司合作開發(fā)出100 噸/天干發(fā)酵工藝包；在北京市科委支持下完成廚余垃圾濕發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，膜分離沼氣生產(chǎn)100 立方米/小時(shí)生物天然氣工業(yè)示范；在山東金沂蒙已完成沼氣干重整制合成氣相關(guān)工業(yè)測線試驗(yàn)；正在組織合成氣FT 生物航油的合成研發(fā)，完成部委相關(guān)的生物天然氣標(biāo)準(zhǔn)和公告，其中包括生物天然氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、生物天然氣入管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及生物天然氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)導(dǎo)則等標(biāo)準(zhǔn)文件。

3.4 城市廢棄物處理與低碳化交通一體化創(chuàng)建低碳城市新場景

中國快速的城鎮(zhèn)化及30·60雙碳目標(biāo)下，帶來垃圾處理的挑戰(zhàn)和公共交通的低碳化要求，上述兩個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈在城市平臺上都與城市人口正相關(guān)，為政府的市政要?jiǎng)?wù)。探索低碳城市新場景，如圖4 所示，基于居民所產(chǎn)生的垃圾與城市人口正相關(guān)，生活垃圾厭氧處理生產(chǎn)的沼氣生產(chǎn)綠氫可用于加氫站或生產(chǎn)生物油品，用于日益繁忙的公共交通或相關(guān)公共服務(wù)運(yùn)輸系統(tǒng)形成閉環(huán)。

圖4 低碳城市新場景示意圖

本文作者團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出沼氣一步法干重整制合成氣綠色低碳技術(shù)，相關(guān)技術(shù)已獲美國風(fēng)投一項(xiàng)，獲多家國內(nèi)外頭部氣體和環(huán)保企業(yè)交流，已和中石化煉化工程南京工程公司合作論證相關(guān)城區(qū)的餐廚垃圾處理制氫與氫燃料電池公共交通耦合可研。與上市企業(yè)南京萬德斯合作論證佛山餐廚垃圾厭氧發(fā)酵沼氣制氫，供氫能公交車。在東營市政府支持下，孵化區(qū)域村鎮(zhèn)清潔能源一體化公司。

4 結(jié)論與展望

氫能利用不僅是汽車用氫，至2030 年將主要以化學(xué)品定位重構(gòu)傳統(tǒng)的中國耗氫工業(yè)，包括鋼鐵與煉化，2030 年左右綠氫越來越具經(jīng)濟(jì)性，綠色氣體島及光伏原位制氫將重構(gòu)西部油氣田、煤化工與水泥產(chǎn)業(yè)，以專屬燃料屬性促進(jìn)氫能車的快速發(fā)展。氫作為化學(xué)品、專屬燃料及二次能源多屬性的綜合利用，通過生物能源基金補(bǔ)貼通道，促進(jìn)中國的鄉(xiāng)村振興及綠色低碳城市的發(fā)展。