張立寬：氫能是未來(lái)能源的一顆新星

4月2日，中國能源研究會(huì )儲能專(zhuān)委會(huì )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(shū)》顯示，截至2017年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模175.4GW，年增長(cháng)率3.9％。我國儲能項目累計裝機28.9吉瓦，同比增長(cháng)19%，增速是全球的5倍左右，其中電化學(xué)儲能累計裝機規模為389.8MW，同比增長(cháng)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)被認為是利用氫能解決未來(lái)人類(lèi)能源危機的終極方案。

氫能是21世紀“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(lái)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以及環(huán)境污染等問(wèn)題，被譽(yù)為21世紀的“終極能源”。

據世界氫能協(xié)會(huì )預計，到2050年全球環(huán)境20%的二氧化碳的減排要靠氫氣來(lái)完成；氫能將創(chuàng )造3000萬(wàn)就業(yè)崗位，減少60億噸的二氧化碳排放，創(chuàng )造超過(guò)2.5萬(wàn)億美元的市場(chǎng)價(jià)值。氫能汽車(chē)將占到全球的車(chē)輛的20%到25%，并承擔18%以上的能源需求，主導脫碳社會(huì )。

縱使氫能具有這么多的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，但對于大多數能源消費者來(lái)說(shuō)，還比較陌生，似乎依然處于一種“概念性”階段。然而，全國氫能標準技術(shù)委員會(huì )高級顧問(wèn)陳霖新介紹，氫能早已過(guò)了“概念性”的階段，現在要進(jìn)入踏踏實(shí)實(shí)干的階段。經(jīng)過(guò)多年努力，氫氣作為原料氣體及工業(yè)氣體，其生產(chǎn)和應用在中國已具有較大規模。據初步統計，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(wàn)噸），其中從各類(lèi)含氫排放氣或馳放氣、煤制合成氣、天然氣轉化氣、甲醇轉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(zhù)氫能應用技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，以及全球應對氣候變化壓力的持續增大，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)達國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰略高度，在氫能源產(chǎn)業(yè)化應用方面邁出了實(shí)質(zhì)性步伐，無(wú)論是政府還是產(chǎn)業(yè)資本都在積極推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。氫能源的全球最為積極的推動(dòng)者非日本莫屬。早在2014年，日本的資源能源廳就發(fā)布了《氫能與燃料電池戰略路線(xiàn)圖》，為氫能發(fā)展制定了“三步走”計劃，到2030年，日本的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)要達到1萬(wàn)億日元（約合88億美元）的規模。日本領(lǐng)軍車(chē)企豐田研發(fā)的氫能源轎車(chē)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(chē)。日本政府提出未來(lái)要建設“氫能社會(huì )”，更要將2020年的東京奧運會(huì )打造成一場(chǎng)“氫能盛事”，屆時(shí)運動(dòng)員和觀(guān)眾來(lái)往于各奧運場(chǎng)館將乘坐最新的氫能源公交車(chē)。預計在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(kāi)始美國南加州對氫燃料電池的生產(chǎn)和研究的設備實(shí)行稅收全免政策；俄亥俄州為250kW以下的燃料電池系統實(shí)行稅收全免政策；自2015年底美國從國家層面開(kāi)啟了新的氫能計劃，預計在2030-2040年全面實(shí)現氫能源經(jīng)濟。

近年來(lái)，我國一些地區采用富余水電、棄風(fēng)、棄光或城市電網(wǎng)谷段電力開(kāi)展水電解制氫的示范項目，形成小規模生產(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)達地區，或輸入可再生能源電力的地區，城市電網(wǎng)中“綠色電力”均占有一定比例，應該被稱(chēng)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

氫能可廣泛應用于燃料電池車(chē)輛、發(fā)電、儲能。作為清潔的二次能源，氫能具有可規?；瘍Υ娴奶匦?，其廣泛應用可部分替代石油和天然氣，成為能源消費的重要組成部分，對應對氣候變化和保障能源供應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、運輸和應用等環(huán)節。氫既可廣泛應用于傳統領(lǐng)域，又可應用于新興的氫能車(chē)輛（包括乘用車(chē)、商用車(chē)、物流車(chē)、叉車(chē)、軌道車(chē)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)，依據目前的資源條件和能源產(chǎn)業(yè)狀況，應在加強氫安全的基礎上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規?；瘧?。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，還應充分利用中國豐富的煤炭資源。煤化工生產(chǎn)經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā)，已具備良好的規模和經(jīng)濟發(fā)展狀態(tài)，若將煤制氫與煤制油、煤化工產(chǎn)品等生產(chǎn)環(huán)節緊密結合、綜合利用，可獲得經(jīng)濟、豐富的氫源。我國的煉油工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)多設計的品種及規模巨大，工業(yè)含氫排放氣是重要的氫氣來(lái)源。當前，要特別做好我國富余的風(fēng)電、光伏以及低谷電制氫，做好能量轉化，減少對清潔能源的浪費。

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)成為氫能大規模開(kāi)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(jià)昂貴而無(wú)法大規模應用?？茖W(xué)界正在積極探索相對廉價(jià)安全的納米、合金、絡(luò )合氫化物、金屬有機骨架化合物和有機液體等材料作為儲氫載體循環(huán)使用。特別是,有機液體氫載體可利用現有石油儲運方法與設施在常溫常壓下儲運氫氣。

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(cháng)續航、更安全的優(yōu)點(diǎn)。氫氣來(lái)源廣泛，是一種可再生能源；氫氣無(wú)色無(wú)味無(wú)毒，利用后的產(chǎn)物為水，無(wú)有害生成物，從生產(chǎn)到回收整個(gè)過(guò)程低污染，是真正的零排放；氫能燃料電池轉換效率可達60%，是內燃機效率的3倍左右，十分高效；加強速度方便快捷，一般3-5分鐘即可加滿(mǎn)；能量密度高，熱值是LNG的兩倍、汽油的三倍，車(chē)載續航里程可達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(chē)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)能直接轉化為電能的裝置,是氫能高效轉化及利用的最佳方式，具有轉換效率高、零污染、零排放等特點(diǎn)。盡管氫燃料電池汽車(chē)遠未達到市場(chǎng)普及階段,但全球科學(xué)界和主要汽車(chē)企業(yè)都在積極開(kāi)發(fā)氫燃料電池技術(shù),推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)試驗應用。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(chē)發(fā)展規劃,并嘗試通過(guò)政策、法規全面促進(jìn)氫能開(kāi)發(fā)利用。隨著(zhù)廉價(jià)制氫技術(shù)、氫燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步以及氫燃料基礎設施的不斷完善，氫燃料電池汽車(chē)有望于2030年前后進(jìn)入快速發(fā)展期,預計到2050年全球氫燃料電池汽車(chē)保有量占比有望達到1/4以上。

氫能發(fā)展前途無(wú)量

近年來(lái)，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(dòng)計劃（2016—2030年）》，提出了能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng )新行動(dòng)路線(xiàn)圖，部署了15項具體任務(wù)，“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng )新”位列其中，標志著(zhù)氫能產(chǎn)業(yè)已被納入國家能源戰略；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(kāi)發(fā)利用作為專(zhuān)門(mén)章節；被《國家創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略綱要（2016）》列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)；2017年，國家能源局批準多項棄風(fēng)棄光制氫儲能項目；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(zhuān)項，積極加以支持研究。

據《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書(shū)》預測，到2020年，我國以能源形式利用的氫氣產(chǎn)能規模將達到720億立方米；加氫站數量達到100座；燃料電池車(chē)輛達到10000輛；氫能軌道交通車(chē)輛達到50列；行業(yè)總產(chǎn)值達到3000億元。到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)和新能源戰略的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破10000億元；加氫站數量達到1000座，燃料電池車(chē)輛保有量達到200萬(wàn)輛。未來(lái)以氫燃料為驅動(dòng)力的電池汽車(chē)，基于廉價(jià)高效氫氣制取與儲運技術(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(lèi)走進(jìn)氫能社會(huì )時(shí)代。

今年2月11日，由國家能源集團牽頭、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(mén)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 )新戰略聯(lián)盟（簡(jiǎn)稱(chēng)“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，標志著(zhù)我國氫能大規模商業(yè)化應用正在開(kāi)啟，可謂是氫能研發(fā)與利用的“國家隊”，代表了我國最先進(jìn)的實(shí)力。從聯(lián)盟成員單位的構成上看，中央企業(yè)占了很大比重，國家能源集團是首屆理事長(cháng)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(zhù)舉足輕重的地位和影響力?？萍疾?、工業(yè)和信息化部、國家能源局、國務(wù)院國資委主要負責人出席儀式并講話(huà)，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)展戰略，事關(guān)我國生態(tài)文明建設，事關(guān)我國戰略性新興產(chǎn)業(yè)布局。

在國家戰略導向和市場(chǎng)發(fā)展推動(dòng)下，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的投資規模正快速增長(cháng)。據清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授、國家973氫能項目首席科學(xué)家毛宗強統計，僅2017年氫燃料電池投資項目（2020年投產(chǎn)）就達1000多億，產(chǎn)能為17萬(wàn)套氫燃料電池發(fā)動(dòng)機。當前，各地對氫能開(kāi)發(fā)利用投入巨資，制定了雄心勃勃的產(chǎn)業(yè)規劃，未來(lái)氫燃料電池發(fā)展將呈現蓬勃發(fā)展之勢。據統計，上海市到2020年將建設5-10座加氫站，燃料電池車(chē)3000輛，2025年達到50座加氫站，燃料電池車(chē)3萬(wàn)輛，2030年實(shí)現年產(chǎn)值3000億元；湖北武漢2018-2020年聚集超過(guò)100家氫燃料電池汽車(chē)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(guò)100億元，2025年達到30-100座加氫站，產(chǎn)值1000億元；江蘇蘇州2018-2020建設10座加氫站，氫燃料汽車(chē)800輛，2021-2025建成加氫站40座，氫燃料汽車(chē)1萬(wàn)輛；廣東云浮、南海年產(chǎn)能5000輛氫能汽車(chē)基地已經(jīng)建成，首批氫能汽車(chē)已經(jīng)在佛山、云浮兩市運營(yíng)，2020年數千輛燃料電池汽車(chē)投入運營(yíng)；江蘇如皋被聯(lián)合國開(kāi)發(fā)計劃署確定為“氫經(jīng)濟示范城市”，相關(guān)項目開(kāi)發(fā)進(jìn)展如火如荼。

毋庸置疑，雖然我國氫燃料電池開(kāi)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(chǎng)。