氫能被視為21世紀(jì)最具潛力的清潔能源，是未來能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。2024年我國政府工作報告中提到加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)展氫能不僅關(guān)系到我國能源安全和環(huán)境保護(hù)，更是推動經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)綠色發(fā)展的關(guān)鍵力量。
氫能目前主要應(yīng)用在能源、冶金、化工等領(lǐng)域，隨著頂層政策設(shè)計和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，氫能的應(yīng)用呈現(xiàn)多元化發(fā)展，在交通、儲能、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域的運(yùn)用也在逐步擴(kuò)展并成熟。
陸地交通：
成本下降助推氫燃料電池廣泛運(yùn)用
打開環(huán)衛(wèi)車“油箱蓋”，向內(nèi)加注氫燃料，幾分鐘后，拔槍、啟動，車輛緩緩開走……這樣的場景是廣州高新區(qū)加氫站里的日常一幕。
在廣州高新區(qū)，這樣的加氫站有11座，為500輛氫燃料電池車提供加氫服務(wù)，創(chuàng)造了全國最大規(guī)模的氫燃料電池車示范項目。
不止廣州，就在距離廣州2153公里的天津，同樣有一座氫能交通樞紐。這座位于天津的氫能交通集群有這樣3條零碳貨運(yùn)線路——“天津港-榮程鋼鐵廠區(qū)-靜海區(qū)客戶端”“天津港-河北定州旭陽焦化-榮程鋼鐵廠區(qū)”“榮程鋼鐵廠區(qū)-河北霸州客戶端”，自2021年8月以來，4座加氫站已建成投用，275輛氫燃料電池重卡實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)營，氫能重卡累計減排二氧化碳近10000噸。
氫能在交通領(lǐng)域得到快速發(fā)展，原因有多個方面，其中之一就是氫燃料電池技術(shù)的成熟。氫燃料電池是交通領(lǐng)域中氫能應(yīng)用最為成熟的部分，氫燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而驅(qū)動車輛行駛。這種車輛類型具有零排放、高效率、低噪音、續(xù)航能力強(qiáng)、加氫快、載重量大等優(yōu)勢，適用于重型和長途運(yùn)輸。
還是以廣州高新區(qū)氫燃料電池車示范項目為例，500輛氫燃料電池車?yán)锍酥乜?，還包括4.5噸冷藏車、清掃車、物流車、公共巴士等眾多車型，是廣州在氫燃料電池車應(yīng)用場景中的一項重大突破，也是粵港澳大灣區(qū)首次實現(xiàn)雙極板、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)器三大關(guān)鍵零部件及燃料電池系統(tǒng)本地化生產(chǎn)，車輛采用國內(nèi)領(lǐng)先的動力配置，燃料電池系統(tǒng)綜合效率超63.8%。
氫燃料電池是交通領(lǐng)域中氫能應(yīng)用最為成熟的部分，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而驅(qū)動車輛行駛。圖為廣州高新區(qū)氫燃料電池車示范項目。
全工作周期只排放水，并且能實現(xiàn)多種場景應(yīng)用的氫燃料電池之所以能大面積推廣，還有高成本問題得以攻堅的原因。
幾年前在制造環(huán)節(jié)，國內(nèi)的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，大多尚未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，部分核心材料、技術(shù)存在發(fā)展瓶頸，企業(yè)研發(fā)投入較高，產(chǎn)品產(chǎn)量較小，制造成本居高不下?，F(xiàn)在氫燃料電池已進(jìn)入成本下降的快速通道，與十多年前動力電池成本快速下降軌跡相似。中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、國際氫能與燃料電池協(xié)會理事長歐陽明高表示，技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)使得燃料電池系統(tǒng)成本正在快速下降，預(yù)計到2030年會降到500元/kW。
航運(yùn)領(lǐng)域：
可滿足港口和不同船舶的能源需求
國際海事組織的數(shù)據(jù)顯示，全球航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放量約占世界總排放量的2.5%，航運(yùn)業(yè)向更可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型具有緊迫性。氫能作為一種清潔能源，正在被廣泛研究和探索，以實現(xiàn)港口和遠(yuǎn)洋航運(yùn)的脫碳目標(biāo)。
氫能在船舶運(yùn)輸方面的運(yùn)用同樣體現(xiàn)在氫燃料電池上。氫燃料電池船舶因其零排放的特性，被視為實現(xiàn)航運(yùn)業(yè)減排目標(biāo)的有效解決方案之一。氫能船舶除了環(huán)保優(yōu)勢外，還具備續(xù)航里程長、動力穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。根據(jù)市場研究，預(yù)計到2025年，氫燃料電池系統(tǒng)船舶的數(shù)量將顯著增加，市場規(guī)模有望達(dá)到百億元級別。
氫燃料電池適用于不同類型的船舶和應(yīng)用場景，包括內(nèi)河船舶、沿海船舶和遠(yuǎn)洋船舶，能夠滿足不同的能源需求。早在2019年，中國船舶集團(tuán)已經(jīng)自主研發(fā)了2000噸級氫燃料電池自卸貨船，顯示了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的初步探索。2023年10月11日，國內(nèi)首艘入級中國船級社氫燃料電池動力船“三峽氫舟1”號在湖北宜昌順利完成首航。這標(biāo)志著氫燃料電池技術(shù)在內(nèi)河船舶應(yīng)用實現(xiàn)零的突破。
盡管氫能船舶具有巨大潛力，但仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，包括船舶空間限制、儲氫困難、配套設(shè)施不完善等。隨著氫能船舶的大規(guī)模使用，氫能港口的建設(shè)尤為重要。
氫能港口建設(shè)是一個重要的戰(zhàn)略方向，我國的一些港口早已開始積極探索和實施氫能港口建設(shè)項目。我國首個全場景氫能港口——山東青島港，就是氫能產(chǎn)業(yè)的一個典型案例。這主要得益于其構(gòu)建了全國首個港口低碳清潔能源供給體系。
青島港于2022年建成了國內(nèi)首座全資質(zhì)港口加氫站，實現(xiàn)全天候智能化、實時化、動態(tài)化安全運(yùn)營管控;量身定制液驅(qū)式壓縮機(jī)，滿足氫能車輛高頻加注需求;配備大流量雙槍加氫機(jī)，充裝效率提高50%，日加氫能力1000公斤以上，累計加氫量超80000公斤，減少碳排放超1000噸，構(gòu)建了“低成本、高效率、高可靠”的港口氫能供給體系。
青島港在全國率先實現(xiàn)港口氫能車輛規(guī)?；痉哆\(yùn)營，錨定港口專用車型氫電耦合需求，研發(fā)港口專用氫能集卡，最大牽引能力超70噸，百公里運(yùn)行氫耗低至9.7公斤;推廣應(yīng)用各類港口專用氫能車輛50輛，累計運(yùn)營里程80萬公里。此外，青島港還率先研制全球首艘7000匹超大功率氫電混合動力拖輪，真正實現(xiàn)零排放、零污染，為船舶低碳環(huán)保轉(zhuǎn)型樹立新標(biāo)桿。
工業(yè)領(lǐng)域：
全球最大綠氨項目落地吉林大安
氫氣還是一種重要的工業(yè)原料，其在石油和化工行業(yè)中用于生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于合成氨、合成甲醇等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中。在冶金工業(yè)中，氫氣可以作為還原劑，替代焦炭和天然氣，有助于減少煉鐵和煉鋼過程中的碳排放。
氫能在冶金領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型中。氫能作為一種清潔能源，可以替代傳統(tǒng)的化石燃料，用于鋼鐵生產(chǎn)過程中的還原反應(yīng)，從而減少二氧化碳的排放。
利用氫作為還原劑代替碳還原，是減少長流程煉鋼CO2排放的重要途徑之一。氫能可以替代化石燃料應(yīng)用于高爐煉鐵、燒結(jié)、熱風(fēng)爐、石灰窯、軋鋼加熱爐等生產(chǎn)工序。另外，還有高爐富氫冶煉技術(shù)，向高爐內(nèi)噴吹富氫氣體或氫氣，有助于增加生鐵產(chǎn)量，降低碳排放;還有氣基直接還原豎爐工藝，利用H2、CO混合氣體將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵，減碳幅度可達(dá)50%以上。
在工業(yè)當(dāng)中，氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應(yīng)合成簡單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運(yùn)輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態(tài)燃料實質(zhì)上可以達(dá)成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運(yùn)輸模式。
綠氨是極具前景的氫能發(fā)展方向。一方面綠氨可以作為綠氫的載體，解決氫儲運(yùn)難題;另一方面，綠氨也可以直接應(yīng)用于燃料電池或者作為燃料燃燒。
就在吉林大安市，就有這樣一座綠氨項目——吉林大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項目(簡稱“大安項目”)。該項目不僅是中國在氫能領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新實踐，也是全球最大的綠氨項目。
大安項目是由綠氫合成氨，不是單純的制氫、儲氫、加氫，而是風(fēng)光制氫合成氨一體化項目。大安項目工程總占地面積約28.12萬平方米，項目總投資63.32億元，由新能源與制氫合成氨兩部分組成，其實現(xiàn)了6項技術(shù)國內(nèi)第一、3項技術(shù)國際領(lǐng)先。這些技術(shù)包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、氫能、綠氨等多種清潔能源形式，形成了電-氫-氨全產(chǎn)業(yè)鏈。項目投產(chǎn)后，預(yù)計每年可減少CO_2排放65萬噸，有力助推我國實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。
建筑領(lǐng)域：
熱電聯(lián)供助力建筑節(jié)能改造
建筑領(lǐng)域需要消耗大量的電能和熱能，已與交通領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域并列為我國三大“耗能大戶”。據(jù)《2020中國建筑能耗研究報告》，2018年全國建筑全過程碳排放總量為49.3億噸，占全國碳排放的比重為51.3%，其中建筑運(yùn)行階段碳排放21.1億噸，占全國碳排放的比重為21.9%。
隨著低碳轉(zhuǎn)型的需求，氫能建筑開始受到關(guān)注。氫能建筑的可行性、可持續(xù)性和靈活性正在接受實踐和市場的檢驗。
首先是氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)開始投入使用。氫燃料電池不僅能為交通提供能源，還可以用于建筑的電力供應(yīng)，同時余熱可以回收用于供暖和熱水供應(yīng)。氫能建筑利用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的高效利用，可以同時提供冷、熱、電和生活熱水供應(yīng)，整體能量利用率高。這種熱電聯(lián)產(chǎn)方式的綜合效率可以達(dá)到85%左右，相比單獨發(fā)電的效率有顯著提升。
當(dāng)前，我國氫能在建筑領(lǐng)域的燃料電池?zé)犭娐?lián)供的使用還處在項目示范應(yīng)用階段。2021年11月，全國首座氫能進(jìn)萬家智慧能源示范社區(qū)項目——丹青苑社區(qū)在佛山南海正式投運(yùn)，標(biāo)志著佛山率先引入氫燃料電池為社區(qū)供能。該項目建筑面積超10萬平方米，通過技術(shù)創(chuàng)新，將太陽能光伏引入電解水制氫設(shè)備，同時配置氫燃料電池聯(lián)供設(shè)備，為社區(qū)住戶提供不間斷的電力、暖氣和生活熱水，實現(xiàn)能源自給和二氧化碳零排放，把普通的居民社區(qū)建設(shè)成一個擁有風(fēng)、光、電、氣多種能源互補(bǔ)系統(tǒng)的智慧能源社區(qū)。
目前，包括四川、遼寧、北京、珠海、深圳等在內(nèi)的13個省、40多個市縣都在積極推進(jìn)氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供項目的發(fā)展，并提出了具體的政策和目標(biāo)。比如，2022年8月，《遼寧省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2025年)》提出，到2025年，全省分布式發(fā)電系統(tǒng)、備用電源、熱電聯(lián)供系統(tǒng)裝機(jī)容量達(dá)到100兆瓦。
在建筑物中引入氫能利用系統(tǒng)，可以作為建筑節(jié)能改造和打造凈零能耗建筑的有效解決方案。例如，豐田公司在其總部大樓棱鏡大廈中引入了氫能源系統(tǒng)，利用太陽能發(fā)電制造的綠氫和燃料電池在用電高峰時為建筑提供電力。
氫能供電：
氫儲能有效實現(xiàn)“削峰填谷”
氫能作為一種新型儲能形式，可以在用電低谷期利用富余的可再生能源電力電解水制取氫氣，然后在高峰期通過燃料電池或氫氣透平裝置發(fā)電并入電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的儲存和轉(zhuǎn)換。氫儲能具有高密度、大容量和長周期儲存的特點，可以提供調(diào)峰輔助容量，緩解電網(wǎng)峰谷差。
氫能與電力協(xié)同發(fā)展可以提供能源生產(chǎn)、儲存、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用等多層面的靈活性，有效平抑新能源發(fā)電的波動性。氫儲能可作為“虛擬輸電線路”，在輸配電系統(tǒng)阻塞時釋放電能，減少對輸配電系統(tǒng)容量的要求，可以參與電力需求響應(yīng)，實現(xiàn)電價差額套利，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。
另外，氫儲能可以作為能源樞紐，在源側(cè)和荷側(cè)實現(xiàn)多能源互補(bǔ)，促進(jìn)綜合能源基地建設(shè)和綜合能源服務(wù)站的形成。氫儲能的大規(guī)模發(fā)展有助于電力系統(tǒng)形態(tài)的演進(jìn)，促進(jìn)新能源電力占比的提升，增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率和電力系統(tǒng)的抗風(fēng)險能力。
安徽六安兆瓦級制氫綜合利用示范工程就是氫儲能電站的典型案例。這是國內(nèi)首座兆瓦級氫儲能電站，利用質(zhì)子交換膜電解制氫和余熱利用技術(shù)，標(biāo)志著我國首次實現(xiàn)兆瓦級制氫-儲氫-氫能發(fā)電的全鏈條技術(shù)貫通。據(jù)悉，該示范項目采用PEM(水電解制氫)技術(shù)，年制氫72.3萬標(biāo)立方，氫發(fā)電127.8萬千瓦時，是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于調(diào)峰需求，可以將過剩的電力轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來，代替火力發(fā)電調(diào)峰，從而實現(xiàn)“削峰填谷”，推進(jìn)電制氫技術(shù)應(yīng)用和多能互補(bǔ)自愈式微電網(wǎng)應(yīng)用。
不止安徽，各地“氫”起。各地對于氫能發(fā)電的探索處于百花齊放的狀態(tài)。就在寧夏，寧夏寶豐一體化太陽能電解水制氫儲能及綜合應(yīng)用示范項目是全球單廠規(guī)模最大、單臺產(chǎn)能最大的電解水制氫項目，采用新能源發(fā)電—電解水制綠氫—綠氧直供煤化工的模式，每年可減少二氧化碳排放約44.5萬噸;不止陸地，就在海上，大陳島氫能綜合利用示范工程是全國首個海島“綠氫”綜合能源示范項目，通過構(gòu)建基于100%新能源發(fā)電的制氫—儲氫—燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，實現(xiàn)了清潔能源的百分百消納與全過程零碳供能。
■ 觀察
追溯源頭：“綠氫”如何制取?
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游包括制氫，中游包括氫的儲存和運(yùn)輸，下游則涉及氫的綜合應(yīng)用。中國作為世界上最大的制氫國之一，正積極推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并探索多種制氫技術(shù)路線，包括化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫等。
氫能是實現(xiàn)全過程零碳供能的方法之一，但是倘若它的制配方法不夠綠色，也不能稱之為“綠氫”。我們現(xiàn)在通常說的“綠氫”便是用可再生能源制配出的氫能，這種氫氣因其生產(chǎn)過程中的低碳或零碳排放特性，被認(rèn)為是未來能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》中明確提出，到2035年，形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比重將明顯提升，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。
水電解制氫是目前技術(shù)最為成熟且應(yīng)用最廣泛的可再生能源制氫方式。使用可再生能源產(chǎn)生的電力通過電解水(H?O)分解成氫氣(H?)和氧氣(O?)。目前，用得比較多的制氫可再生能源主要有太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等可再生能源。
光伏制氫便是利用太陽能光伏板產(chǎn)生的電能進(jìn)行電解水制氫的方法。在新疆，就有這樣一座綠氫示范項目——新疆庫車綠氫示范項目，該項目采用光伏發(fā)電直接制氫，自2023年6月30日順利產(chǎn)氫以來，截至2024年5月30日，已安全平穩(wěn)運(yùn)行335天。項目滿負(fù)荷生產(chǎn)后，每年可減少二氧化碳排放量約48.5萬噸。
新疆庫車綠氫示范項目位于新疆阿克蘇地區(qū)，采用光伏發(fā)電直接制氫，結(jié)合塔河煉化公司用氫需求，建設(shè)產(chǎn)、儲、輸、用氫一體化的綠氫煉化項目。項目電解水制氫能力2萬噸/年、儲氫能力28萬標(biāo)立方。全球已投產(chǎn)的項目中，僅有新疆庫車綠氫項目電解槽規(guī)模達(dá)到260MW。
新疆庫車綠氫示范項目位于阿克蘇地區(qū)，采用光伏發(fā)電直接制氫，建設(shè)產(chǎn)、儲、輸、用氫一體化的綠氫煉化項目。
就在6月21日，中國工程院院士、深圳大學(xué)教授謝和平團(tuán)隊成功實現(xiàn)海上風(fēng)電驅(qū)動海水制氫，這是首次實現(xiàn)海上風(fēng)電可再生能源和海水直接電解制氫一體化，并在大海中利用海上風(fēng)電驅(qū)動海水制氫。
據(jù)悉，謝和平院士團(tuán)隊自主研制的386L/hH2原理樣機(jī)在深圳灣海水中穩(wěn)定制氫超3200小時，全面解決了多年困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的難題;完美破解了海水電解制氫領(lǐng)域的半世紀(jì)難題，實現(xiàn)了把取之不盡的海水當(dāng)純水一樣直接用于電解制氫。
新京報零碳研究院研究員 陶野
評論