張立寬：氫能是未來能源的一顆新星

4月2日，中國能源研究會儲能專委會和中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布的《2018儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書》顯示，截至2017年底，全球已投運(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模175.4GW，年增長率3.9％。我國儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)28.9吉瓦，同比增長19%，增速是全球的5倍左右，其中電化學(xué)儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為389.8MW，同比增長45%，而氫儲能的發(fā)展具有潛在的后發(fā)優(yōu)勢，氫燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是利用氫能解決未來人類能源危機(jī)的終極方案。

氫能是21世紀(jì)“終極能源”

氫（H），在元素周期表中位于第一位，廣泛存在于自然界。氫能是指氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能，是一種清潔的二次能源，具有能量密度大、燃燒熱值高、來源廣、可儲存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排等優(yōu)點(diǎn)，有助于解決能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問題，被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”。

據(jù)世界氫能協(xié)會預(yù)計(jì)，到2050年全球環(huán)境20%的二氧化碳的減排要靠氫氣來完成；氫能將創(chuàng)造3000萬就業(yè)崗位，減少60億噸的二氧化碳排放，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值。氫能汽車將占到全球的車輛的20%到25%，并承擔(dān)18%以上的能源需求，主導(dǎo)脫碳社會。

縱使氫能具有這么多的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，但對于大多數(shù)能源消費(fèi)者來說，還比較陌生，似乎依然處于一種“概念性”階段。然而，全國氫能標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會高級顧問陳霖新介紹，氫能早已過了“概念性”的階段，現(xiàn)在要進(jìn)入踏踏實(shí)實(shí)干的階段。經(jīng)過多年努力，氫氣作為原料氣體及工業(yè)氣體，其生產(chǎn)和應(yīng)用在中國已具有較大規(guī)模。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，用于煉化產(chǎn)品生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的純度大于或等于99%的氫氣年產(chǎn)量約為700億立方米（約600萬噸），其中從各類含氫排放氣或馳放氣、煤制合成氣、天然氣轉(zhuǎn)化氣、甲醇轉(zhuǎn)化氣等提純獲得的氫氣約占90%以上，以水電解制氫獲得的氫氣占比2%-4%。

隨著氫能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應(yīng)對氣候變化壓力的持續(xù)增大，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關(guān)注，日本、美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度，在氫能源產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面邁出了實(shí)質(zhì)性步伐，無論是政府還是產(chǎn)業(yè)資本都在積極推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。氫能源的全球最為積極的推動者非日本莫屬。早在2014年，日本的資源能源廳就發(fā)布了《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，為氫能發(fā)展制定了“三步走”計(jì)劃，到2030年，日本的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)要達(dá)到1萬億日元（約合88億美元）的規(guī)模。日本領(lǐng)軍車企豐田研發(fā)的氫能源轎車已經(jīng)于2014年年底在日本上市，本田和日產(chǎn)也在分別研發(fā)各自的氫能轎車。日本政府提出未來要建設(shè)“氫能社會”，更要將2020年的東京奧運(yùn)會打造成一場“氫能盛事”，屆時運(yùn)動員和觀眾來往于各奧運(yùn)場館將乘坐最新的氫能源公交車。預(yù)計(jì)在2040年日本將建成全國性的氫能供給網(wǎng)絡(luò)。美國一直是領(lǐng)導(dǎo)世界氫燃料電池發(fā)展的主要國家，早在2002年11月，美國就發(fā)布了國家氫能源前景。自2007年開始美國南加州對氫燃料電池的生產(chǎn)和研究的設(shè)備實(shí)行稅收全免政策；俄亥俄州為250kW以下的燃料電池系統(tǒng)實(shí)行稅收全免政策；自2015年底美國從國家層面開啟了新的氫能計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2030-2040年全面實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)。

近年來，我國一些地區(qū)采用富余水電、棄風(fēng)、棄光或城市電網(wǎng)谷段電力開展水電解制氫的示范項(xiàng)目，形成小規(guī)模生產(chǎn)并提供工業(yè)氫氣。消納水電、棄風(fēng)、棄光等可再生能源電力進(jìn)行水電解制氫，形成的是綠色二次能源。在水電、風(fēng)電發(fā)達(dá)地區(qū)，或輸入可再生能源電力的地區(qū)，城市電網(wǎng)中“綠色電力”均占有一定比例，應(yīng)該被稱為“淺綠電力”，采用“淺綠電力”制氫是減少碳排放的重要措施，并可提供“綠色二次能源”。

儲氫技術(shù)日新月異

氫能可廣泛應(yīng)用于燃料電池車輛、發(fā)電、儲能。作為清潔的二次能源，氫能具有可規(guī)?；瘍Υ娴奶匦?，其廣泛應(yīng)用可部分替代石油和天然氣，成為能源消費(fèi)的重要組成部分，對應(yīng)對氣候變化和保障能源供應(yīng)安全等具有一定的支撐作用。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括氫的制取、儲存、運(yùn)輸和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。氫既可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域，又可應(yīng)用于新興的氫能車輛（包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等）以及氫能發(fā)電（包括熱電聯(lián)供分布式發(fā)電、發(fā)電儲能、備用電源等）。為加快發(fā)展中國的氫能產(chǎn)業(yè)，依據(jù)目前的資源條件和能源產(chǎn)業(yè)狀況，應(yīng)在加強(qiáng)氫安全的基礎(chǔ)上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規(guī)模化應(yīng)用。氫源的多元化除了上述利用富余風(fēng)電、水電、光化學(xué)制氫外，還應(yīng)充分利用中國豐富的煤炭資源。煤化工生產(chǎn)經(jīng)過多年的研究開發(fā)，已具備良好的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，若將煤制氫與煤制油、煤化工產(chǎn)品等生產(chǎn)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合、綜合利用，可獲得經(jīng)濟(jì)、豐富的氫源。我國的煉油工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)多設(shè)計(jì)的品種及規(guī)模巨大，工業(yè)含氫排放氣是重要的氫氣來源。當(dāng)前，要特別做好我國富余的風(fēng)電、光伏以及低谷電制氫，做好能量轉(zhuǎn)化，減少對清潔能源的浪費(fèi)。

氫氣是已知密度最小的氣體，常溫常壓下極易燃燒，安全可靠的儲氫、輸氫技術(shù)成為氫能大規(guī)模開發(fā)利用的關(guān)鍵。氫氣存儲方法主要包括高壓氣態(tài)儲存、低溫液態(tài)儲存、化合物儲氫等。其中,高壓氣態(tài)儲存和低溫液氫儲存技術(shù)需要將氫氣保存在特制容器瓶中，因造價昂貴而無法大規(guī)模應(yīng)用。科學(xué)界正在積極探索相對廉價安全的納米、合金、絡(luò)合氫化物、金屬有機(jī)骨架化合物和有機(jī)液體等材料作為儲氫載體循環(huán)使用。特別是,有機(jī)液體氫載體可利用現(xiàn)有石油儲運(yùn)方法與設(shè)施在常溫常壓下儲運(yùn)氫氣。

氫能燃料電池是一種很好的儲能方式，具有可再生、低污染、效率高、加氫快、長續(xù)航、更安全的優(yōu)點(diǎn)。氫氣來源廣泛，是一種可再生能源；氫氣無色無味無毒，利用后的產(chǎn)物為水，無有害生成物，從生產(chǎn)到回收整個過程低污染，是真正的零排放；氫能燃料電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%，是內(nèi)燃機(jī)效率的3倍左右，十分高效；加強(qiáng)速度方便快捷，一般3-5分鐘即可加滿；能量密度高，熱值是LNG的兩倍、汽油的三倍，車載續(xù)航里程可達(dá)500-1000公里；儲存方式多樣，可以是壓縮氣態(tài)儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫、碳吸附儲氫等方式，相對于車載燃油和鋰電池更為便捷，且氫氣極易消散，具有更高的安全性。

燃料電池是將氫氣化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,是氫能高效轉(zhuǎn)化及利用的最佳方式，具有轉(zhuǎn)換效率高、零污染、零排放等特點(diǎn)。盡管氫燃料電池汽車遠(yuǎn)未達(dá)到市場普及階段,但全球科學(xué)界和主要汽車企業(yè)都在積極開發(fā)氫燃料電池技術(shù),推動氫燃料電池汽車試驗(yàn)應(yīng)用。目前,中國、美國、歐盟、日本、韓國等都制定了較為完備的氫燃料汽車發(fā)展規(guī)劃,并嘗試通過政策、法規(guī)全面促進(jìn)氫能開發(fā)利用。隨著廉價制氫技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步以及氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，氫燃料電池汽車有望于2030年前后進(jìn)入快速發(fā)展期,預(yù)計(jì)到2050年全球氫燃料電池汽車保有量占比有望達(dá)到1/4以上。

氫能發(fā)展前途無量

近年來，我國對發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)高度重視，出臺了系列有利于氫能和發(fā)展的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等聯(lián)合發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030年）》，提出了能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動路線圖，部署了15項(xiàng)具體任務(wù)，“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”位列其中，標(biāo)志著氫能產(chǎn)業(yè)已被納入國家能源戰(zhàn)略；2016年6月，國家發(fā)展改革委、能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布《中國制造2025-能源裝備實(shí)施方案》將燃料電池和氫能開發(fā)利用作為專門章節(jié)；被《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要（2016）》列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)；2017年，國家能源局批準(zhǔn)多項(xiàng)棄風(fēng)棄光制氫儲能項(xiàng)目；2018年1月，國家科技部已將“可再生能源與氫能技術(shù)”列入重點(diǎn)專項(xiàng)，積極加以支持研究。

據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》預(yù)測，到2020年，我國以能源形式利用的氫氣產(chǎn)能規(guī)模將達(dá)到720億立方米；加氫站數(shù)量達(dá)到100座；燃料電池車輛達(dá)到10000輛；氫能軌道交通車輛達(dá)到50列；行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3000億元。到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破10000億元；加氫站數(shù)量達(dá)到1000座，燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬輛。未來以氫燃料為驅(qū)動力的電池汽車，基于廉價高效氫氣制取與儲運(yùn)技術(shù)，將在2030-2050年前后有望進(jìn)入發(fā)展快通道，并可帶領(lǐng)人類走進(jìn)氫能社會時代。

今年2月11日，由國家能源集團(tuán)牽頭、國家電網(wǎng)公司等多家央企參與的跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門的國家級產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（簡稱“中國氫能聯(lián)盟”）在北京宣告成立。多家中央企業(yè)帶頭參與，標(biāo)志著我國氫能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用正在開啟，可謂是氫能研發(fā)與利用的“國家隊(duì)”，代表了我國最先進(jìn)的實(shí)力。從聯(lián)盟成員單位的構(gòu)成上看，中央企業(yè)占了很大比重，國家能源集團(tuán)是首屆理事長單位，十幾家參與其中的中央企業(yè)也都在相關(guān)領(lǐng)域有著舉足輕重的地位和影響力?？萍疾俊⒐I(yè)和信息化部、國家能源局、國務(wù)院國資委主要負(fù)責(zé)人出席儀式并講話，對聯(lián)盟的成立高度重視，指出氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，事關(guān)我國能源發(fā)展戰(zhàn)略，事關(guān)我國生態(tài)文明建設(shè)，事關(guān)我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)布局。

在國家戰(zhàn)略導(dǎo)向和市場發(fā)展推動下，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的投資規(guī)模正快速增長。據(jù)清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授、國家973氫能項(xiàng)目首席科學(xué)家毛宗強(qiáng)統(tǒng)計(jì)，僅2017年氫燃料電池投資項(xiàng)目（2020年投產(chǎn)）就達(dá)1000多億，產(chǎn)能為17萬套氫燃料電池發(fā)動機(jī)。當(dāng)前，各地對氫能開發(fā)利用投入巨資，制定了雄心勃勃的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，未來氫燃料電池發(fā)展將呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上海市到2020年將建設(shè)5-10座加氫站，燃料電池車3000輛，2025年達(dá)到50座加氫站，燃料電池車3萬輛，2030年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值3000億元；湖北武漢2018-2020年聚集超過100家氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)，建成5-10座加氫站，全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將超過100億元，2025年達(dá)到30-100座加氫站，產(chǎn)值1000億元；江蘇蘇州2018-2020建設(shè)10座加氫站，氫燃料汽車800輛，2021-2025建成加氫站40座，氫燃料汽車1萬輛；廣東云浮、南海年產(chǎn)能5000輛氫能汽車基地已經(jīng)建成，首批氫能汽車已經(jīng)在佛山、云浮兩市運(yùn)營，2020年數(shù)千輛燃料電池汽車投入運(yùn)營；江蘇如皋被聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署確定為“氫經(jīng)濟(jì)示范城市”，相關(guān)項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)展如火如荼。

毋庸置疑，雖然我國氫燃料電池開發(fā)較晚，但發(fā)展態(tài)勢迅猛、氣勢如虹，具有很好的后發(fā)優(yōu)勢，已經(jīng)成為國際最重要的氫能市場。