綠氫的本質和意義

田 倩，王卓然，劉 濤，王彥科

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056000）

近兩年，美國、日本、韓國、歐盟均采取了較大的政策力度加碼氫能源產(chǎn)業(yè)，并出臺了相關經(jīng)濟路徑規(guī)劃，力爭領跑該賽道。截止到2021年初，全球共有約20個國家和地區(qū)發(fā)布了氫能發(fā)展規(guī)劃或路線 圖[1]。中國對光伏、風電、新能源車的產(chǎn)業(yè)政策大獲成功，度電成本平價、汽車制造彎道超車，成為全球最具備競爭力的產(chǎn)業(yè)，成了中國制造的名片，給中國進一步推動氫能賦予了信心。占據(jù)氫能成本最大的電力會隨著光伏、風能度電成本而下降，同時技術進步及大規(guī)模生產(chǎn)帶來的制造和人力成本的下降[2]。

因此，在全球氫能源產(chǎn)業(yè)資金跑步進場，國內新能源產(chǎn)業(yè)政策的逐步推進，成本不斷下降的三重趨勢下，政府開始密集出臺促進氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并提出相應規(guī)劃。綠氫中的水電解制氫很適合與可再生能源構建自體的能源儲備系統(tǒng)，優(yōu)點包括存儲范圍大、應用范圍廣等。

1 氫氣的來源

在氫氣制取上，目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。其中，化石能源制氫通過裂解煤炭或者天然氣獲得氫氣，俗稱“藍氫”。工業(yè)副產(chǎn)制氫則是對焦炭、純堿等行業(yè)的副產(chǎn)物進行提純獲取氫氣，俗稱“灰氫”。本質上兩者的氫氣來源仍為傳統(tǒng)的化石燃料。雖然通過碳捕捉與封存技術（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放，但長期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實現(xiàn)真正的零碳排放。

目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。根據(jù) IRENA 的測算，全球僅有 4%的氫氣來自電解水制氫，其余均來自煤炭、天然氣以及石油煉化領域。氫能源產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游：氫生產(chǎn)與供應；中游：燃料電池及核心零部件；下游：燃料電池應用。而在“富煤、貧油、少氣”的能源結構下，目前國內煤制氫的占比超過 60%，電解水制氫的比例則不到 2%?？稍偕茉粗茪淙匀蝗沃氐肋h，未來的發(fā)展空間巨大。

1）化石能源制氫或者是化工副產(chǎn)，這個大概念下涵蓋了幾乎所有的通過以碳基能源為原料進行各種裂解來獲得氫氣，無論“灰藍”，本質差異就是是否對碳基能源中的碳進行捕捉和收集，最終轉變成工業(yè)氣體進行利用或者封存。

這個路徑的氫氣來源比重會逐步調整但大概率永遠不會消失。一是富煤、缺油、少氣的能源基本面決定的，再生能源可以逐步提高比重，但不可能完整替代；二是整個化工產(chǎn)業(yè)也是會永遠存在，盡管未來可能有不同的形態(tài)出現(xiàn)。在這個過程中如果“氫氣”能產(chǎn)生它的附加價值，那就沒有不存在的道理。對于二氧化碳捕捉的問題，目前CO2捕捉和利用的方式有很多，但有一個路徑需要特別關注[3]。將CO2模擬在大氣中的混合成分狀態(tài)下和水發(fā)生催化電解，獲得氫氣、氧氣、一氧化碳。同時產(chǎn)生三種工業(yè)氣體，方程式如下：CO2+H2O=H2+O2+CO，這種方式不需要高純度的CO2，可以模擬在各種化工或者電力場景下的CO2收集直接加工成可再利用的工業(yè)氣體。

2）以水為原材料、采用電解或者光解或者熱解等方式，脫離碳基能源為原料的方式。這個路徑上產(chǎn)生的氫氣一般統(tǒng)稱為“綠氫”。

3）其他方式：如生物質、廢棄物制氫等方式，暫且忽略催化手段，本質上要根據(jù)產(chǎn)生氫氣的直接物質是碳基還是水基以及用來水解的能量來源是否清潔來區(qū)分定義為最佳方式。

2 綠氫的本質和意義

從全球范圍的政策以及各種研報以及前沿研究等來看，綠氫逃離不開是以再生能源或清潔能源為能量來源進行水電解獲得氫氣以及副產(chǎn)氧氣，至于水電解的能量和催化方式可以是多元化的組合[4]。

綠氫的基本面是基于再生能源的利用，忽略再生能源裝備制造以及水電解制氫設備生產(chǎn)的碳足跡，基于取之不盡用之不竭的再生能源轉化成氫氣這個過程是脫碳的，所以稱之為綠氫。當然核能作為一種特殊的能源，用其來水電解制氫，這種途徑的來源定義成綠氫也可勉強說得過去[5]。

隨著人類社會能源形式從柴薪到煤炭到油氣，再到低碳可再生能源的演變，能源作為人類生存和發(fā)展的基石，向來都是全球各個區(qū)域體關注和爭奪的主要物質，未來對相對無形的再生能源轉化成的相對有形的能源體掌控也不會例外[6]。再生能源和其他能源一樣也存在地域分配不均的問題，所以針對如何轉變再生能源成有形的物質，如何解決大距離、跨地域的轉移運輸也成了關注的重點。

制約綠氫發(fā)展的因素是成本，綠氫生產(chǎn)成本中占比最高的為電力和電解槽，占比分別為50%和40%，所以降低電價和電解槽成本是中國實現(xiàn)綠氫工業(yè)化、規(guī)?；膬纱蠛诵沫h(huán)節(jié)。隨著光伏、風電的進一步降本，到 2030 年國內部分可再生資源優(yōu)勢區(qū)域，其度電成本到達到 0.1～0.15 元/kW·h，電解槽目前單位造價2 500元/W；隨著更大的槽體、更優(yōu)質的制造工藝，以及技術環(huán)節(jié)的精進和材料的優(yōu)化，有望降至1 300元/W。屆時，綠氫成本將從 2020 年的 30.8 元/kg 快速降至 16.9 元/kg，實現(xiàn)與灰氫平價。這種上游原材料的平價前景一旦達成，意味著氫能源的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。

3 綠氫的價值

1）以當下來看，基于電價或者接近于零成本的電價（0.2元/kW·h以內）才可能和現(xiàn)有的灰藍氫一較高下。如果僅以淺顯和粗暴的對比綠氫似乎沒有未來，但是賦予其另外一種意義，即不需要額外的碳排，也意味著當真正全球交易市場追蹤所有交易物品的碳足跡時，再額外地征收高額碳稅，這個時候綠氫的價值就不是其他所能比擬的。

丁達一副沮喪的樣子，頭都懶得抬起來，任由臉朝下埋在地上。盡管希望渺茫，他還是忍不住問道：“鏡心羽衣，你呢？你也像壺天曉一樣，把我看透了嗎？你們智能生物都是這樣先斬后奏嗎？”

2）盡管當下碳排的追溯和結算體制還在摸索和建立的過程中；也盡管這件事在全球范圍內會不會有很多的約束力也是未知數(shù)，但低碳或者脫碳已經(jīng)是全球主要國家體的基本共識。

3）在通過累積大容量裝機堆出來的再生能源無法在高峰出力階段完整消納的問題也需要一個出口，要想再生能源裝機量能被最大可能的利用背景下，跨季的儲能尤為重要，至少當下除了“綠氫”還沒看到更好的載體，盡管再生能源——氫氣（或者氫的載體）—電這個環(huán)節(jié)還有很多問題沒有克服，但大體上的方向和趨勢是清晰的。氫氣在跨季節(jié)儲能的示范和應用在歐洲已經(jīng)有部分家庭或者社區(qū)的應用案例，采用蓄電池進行短儲，采用氫氣進行跨季儲被證明是有效可行的方式[7]。

4 綠氫的應用場景

綠氫的應用一是作為再生能源的載體；二是部分替代原有的灰藍氫氣作為一種珍貴工業(yè)原料，比如在化工加氫合成、半導體、特殊燃料、浮法玻璃、新材料、冶煉鋼鐵等行業(yè)；當然也包括“氫健康”產(chǎn)業(yè)。

總之，綠氫不僅可以部分替代原有的一些使用場景，更重要的是擔當再生能源轉換和存儲的角色之 大任。

5 如何實現(xiàn)再生能源資源的再分配問題

當下比較熱的名詞“液態(tài)陽光”和“氨能”也是這種原理，液態(tài)陽光的基本邏輯是采用再生能源綠氫和CO2合成綠色甲醇，然后把甲醇作為燃料、工業(yè)原料或者重整成氫氣實現(xiàn)氫氣額遠距離輸送和便于存儲之目的。“氨能”也稱之為氫能2.0，也是基于綠氫的再加工，和“液態(tài)陽光”有異曲同工之妙。

以上兩種方式表面上看起來是在解決氫氣的儲運問題。也看起來比現(xiàn)有的高壓氣態(tài)、超高壓氣態(tài)、液氫、固體儲氫（含配位儲氫）、有機物儲氫等有更高的儲氫密度，但當下的轉換效率以及經(jīng)濟賬仁者見仁智者見智，當然現(xiàn)狀都是基于一個規(guī)模下的成本預測都會有些偏頗。

放在全球層面來看，實現(xiàn)綠氫跨區(qū)域的運輸其更大意義在于實現(xiàn)了再生能源的再分配。這一點的屬性對于能源的利用和開發(fā)具有極大的意義。如果再生能源是未來的能源主體之一，各區(qū)域體對其的控制和爭奪激烈程度和任何一種形式的能源爭奪方式并無二般。

6 儲運關鍵指標：單位體積密度

氫氣在元素周期表位于第一位，意味著其質量小，體積小，因此密度低。氫氣的性質十分活躍，很容易泄漏和爆炸，儲運過程消耗也大，所以在儲氫罐投入的安全設計、存量設計成本很高。因此，相較于石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，氫氣在儲運環(huán)節(jié)具有天然的劣勢，發(fā)展進度緩慢。如果按照方式劃分，氫氣儲運可分為氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運以及固態(tài)儲運三種。

氣態(tài)儲運的成本較低、充放氫速度較快，但儲氫密度與運輸半徑較為有限，所以適用于短途運輸。氫氣氣態(tài)經(jīng)濟運輸半徑局限在200km以內，每公斤氫運輸成本為2元，0～100km運輸成本是4元/kg，運輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運300kg。

中長距離大規(guī)模運輸考慮管道和液氫運輸，液態(tài)儲運的儲氫密度較大，但設備投資與能耗成本較高；固態(tài)儲運則在潛艇等特殊領域有所應用，整體仍處于小規(guī)模試驗階段。因此，只要是運氫氣，總會面臨這個問題：怎樣在儲運瓶里裝更多的氫氣？這又延伸出一條技術路線：如何增加氫氣單位體積密度。但這個問題，并不能只靠單一環(huán)節(jié)解決，它需要一整套體系的匹配。

與電解水制氫類似，產(chǎn)業(yè)化程度的提升將有效降低氫氣儲運的成本，儲運基礎設施的建設與完善是后續(xù)氫能規(guī)?；l(fā)展的前提。考慮到未來氫能的終端應用場景將更為豐富，氫氣的儲運環(huán)節(jié)也將朝多層次、體系化的方向演進。氣態(tài)儲運方面就是增壓減重，從儲氫密度、輕量化等角度出發(fā)，提升技術及相應材料。

液態(tài)儲運可以有效增加運輸量，達到氣態(tài)儲運的10倍，也是一個很好的方向，目前國外技術相對成熟，國內主要應用在航空領域，未來隨著規(guī)?；_展以及技術成熟，商用/民用有望得到進一步發(fā)展。另外就是建立輸氫管道，加強基礎建設。而終端用氫需求，加氫站是必不可少的中轉環(huán)節(jié)。

新能源的商業(yè)化應用一定是基礎建設先行，加氫基礎建設是未來中國新基建的重點內容，隨著氫燃料電池汽車應用規(guī)模的擴大，加氫站的市場需求也逐步提升。

目前加氫站建設成本仍然過高，隨著國產(chǎn)設備突破和規(guī)?；a(chǎn)，加氫成本會大幅下降，預計2050年成本為800萬左右，將達到1.2萬座，在2050年達到千億元的市場規(guī)模。

新能源能否大力發(fā)展下去不只要看其物理、化學屬性，也要看商用場景，氫能源車就是最有發(fā)展前景的應用，新能源車的動力是最核心的環(huán)節(jié)，同時適用于氫能能源。

7 結束語

當氫氣不再是氫氣，而是一種再生能源的載體，甚至是未來的主要能源形式之一，那其本身的屬性也發(fā)生了質的變化，衡量其的價值或者是定價規(guī)則也不僅是當下的基礎電價和電解槽設備的攤銷，更多的可能是一種國際認可與能源消耗的關注與創(chuàng)新。