“新能源+”氢的现状与展望

左少林，张新亮

(1.上海电力新能源发展有限公司，上海 200001；2.上海电力股份有限公司罗泾燃机发电厂，上海 200001)

0 引言

我国是当今世界上最大的能源消费国。2021年，我国原油进口量为5.13亿t，对外依存度为72 %，天然气进口量为1 675亿m3，对外依存度高达接近45 %。虽然煤炭储量丰富，但大量使用煤炭的同时也造成了大量二氧化碳的排放，二氧化碳是当前温室气体的主要成分。对外能源依存度高，对内使用煤炭造成大量温室气体排放，给我国可持续发展带来巨大挑战。由此我国提出2030年“碳达峰”与2060年实现“碳中和”的目标，这既体现了为实现应对气候变化《巴黎协定》确定的目标作出的努力，还体现了中国对应对全球气候变化的坚定承诺和重要贡献。根据国际能源署报告，预计到2040年，全球能源需求将增长近30 %，天然气需求在2030年之前将持续增加[1-2]，为解决日益增加的能源需求和减少碳排放这一矛盾问题，开发清洁、高效、安全和可持续的可再生能源迫在眉睫。

最新《全球能源展望报告》预计，从2020年到2050年，全球能源整体消耗量虽然增幅仅为14 %，但能源结构却大有变化。预计到2050年，电和氢能将占据整体能源消耗量的50 %[3]。但当前我国各地不断出现弃风和弃光事件，2021年全年全国弃风电量206.1亿kWh，弃光电量67.8亿kWh，如果能将丢弃的电量转化为氢能加以存储和利用，这将带来具有巨大环境效益。下面从制氢方法归纳总结了当前几种制氢模式，并从几种不同的储氢方式的角度考虑，对未来氢能大规模应用进行了展望。

1 “新能源+”制氢模式

“新能源+”制氢模式由两部分组成，将新能源发电技术与电解水制氢技术结合，其结构模式如图1所示。

图1 “新能源+”制氢模式

电解水制氢是目前比较成熟的制氢方式，但是需要考虑电解水制氢中电的来源问题。因为不同的电能来源，将会对环境造成不同的影响，目前根据不同的制氢的电能来源，将氢气形象的加以颜色前缀，进行区分，不仅生动形象而且便于理解记忆。如表1所示，就是根据制氢中不同的电能来源将氢气进行分类。

从表1中可以看到， 相比其他制氢模式而言，“新能源+”制氢(绿氢)是目前最节能环保的制氢模式，也是我国目前大力推广的制氢模式，其利用弃风和弃光的电能来电解水制造氢，不仅能将电能充分利用，而且能大大降低利用化石能源制氢的成本，“新能源+”制氢将是我国以后制氢的重点方向。

表1 不同电能制氢的种类

2 “新能源+”氢储运模式

2.1 氢气储存模式

氢气的储存模式目前主要有四种：高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物和固体吸附储氢[9]，每种模式都各有优缺点，根据使用场合的不同，选择恰当的储存模式尤为重要。

当前不同氢气储存模式所需要的价格成本如表2所示。

表2 当前不同氢气储存模式所需要的价格成本单位：元/GJ

由表2可知，高压气态存储成本适中，技术成熟，是目前主要的存储方法，利用材料固体吸附，虽然成本很低，但技术难度较大，是以后发展的主要储氢趋势。

2.2 氢气运输模式

氢气的输运模式目前也种类较多，主要是根据运输质量的多少来选择哪种合适的方法，比如选择钢瓶运输，则一瓶质量为0.5 kg，运输量较小，适用于对氢气使用较少的用户。如果要运输100 kg以上的氢气，为节约成本，就要采用管道运输和长管拖车等。不同运输模式也有各自优缺点，图2为三种氢气主要运输方式的成本与距离关系[10]。

图2 三种氢气主要运输方式的成本与距离变化关系

由图中可以明显看出，管道运输成本最低，气瓶运输氢气成本随距离的增加显著提高，在250 km以内较长管拖车运输有优势，如果在管道运输条件不允许的情况下，距离超过250 km时，优先使用长管拖车。表3是氢气运输常用方式的对比指标。

表3 氢气运输常用方式的对比指标

目前我国氢气运输主要依赖于长管拖车，由表2可以看出，管道运输氢气优势明显，为满足我国大规模的氢能使用，需要尽快解决氢能管道运输的问题[11]。

3 “新能源+”氢经济性分析

3.1 太阳能发电制氢

太阳能发电制氢可以使用弃光电能和上网电能两种形式的电能。如果使用的是前者，那么制氢成本仅为太阳能发电单晶板的使用折旧费用和运维人工费用，其他附加费用很低。如果使用的后者电能制氢，那么就存在上网电价的问题。随着太阳发电单晶板的价格逐渐走低，氢能在社会中的推广使用，国家政策补贴等一系列利好政策，太阳能发电制氢的成本有望进一步减少。目前太阳能发电制氢发展的重点方向，一是固体聚合物电解质电解水制绿色氢气(solid polymer electrolyte，SPE)技术；二是高温固体氧化物电解水制绿色氢气(solid oxide electrolysers，SOE)技术，该两种技术有望在加氢站中使用。当前太阳能发电技术早已成熟，太阳能发电制氢也有了小规模运用，因此成本已较为透明。使用太阳能发电制氢成本大约在22元/kg，使用弃光电量制氢成本大约在3元/kg。

3.2 风力发电制氢

风力发电制氢与太阳能发电制氢类似，两者都属于“绿氢”再造范畴，且技术已相对成熟。如果使用弃风电量发电制氢，再加上国家政策补贴，“绿氢”成本可以进一步降低，弃风电量制氢在市场上有望形成强有力的竞争力。使用风力发电电量单位制氢成本大约在22元/kg，使用弃风电量制氢成本大约在2元/kg。

3.3 煤炭制氢

煤炭制氢是“蓝氢”的一种，由于煤炭原料成本价格较低，能够建造大型设备来大规模制造氢气，一般产量规模不低于8万m3/h,所以是当前工业化大规模制造氢气的主要方法。煤炭制氢技术已经相当成熟，已经被商品化，但是这种制氢过程比较复杂，制氢成本高，制备过程中产生的二氧化碳会造成温室效应。目前综合国内已经运作的煤炭制氢项目，单位制氢成本大约在10元/kg。

3.4 天然气制氢和甲醇制氢

天然气制氢和甲醇制氢同样，属于“灰氢”，相对于煤炭制氢而言，天然气制氢和甲醇制氢成本较低，适用产量规模大约在1 000～5 000 m3/h，两者之间成本差距并不明显，如果在制氢过程中使用碳捕获、利用与封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技术，单位制氢成本将远远大于25元/kg。

3.5 工业副产氢

当前社会上大规模廉价氢气主要还是来源于工业副产氢，目前主要是通过提纯的方法将氯碱和焦化工业的副产氢气提纯使用，最终的单位制氢成本大约为5元/kg。不同来源的氢经济性分析如表4所示。

表4 不同来源氢的经济性分析

根据不同来源氢的经济性分析，“新能源+”氢经济最优方案选择当属利用弃风、弃光制造氢气，其次使用工业副产氢，鉴于当前煤炭价格不平稳，且在高位运行，煤炭制氢方案成本较高，不适合大规模生产。

4 总结与建议

“新能源+”氢是目前国家大力发展的能源方向，不仅可以改善每年大量的弃光、弃风问题，还可以大大降低制氢成本，但同时“新能源+”氢也存在很多问题，给出如下建议。

(1) 在制氢方面, 目前虽然生产模式很多，但可规模化、经济化的模式却还不成熟，需要加大研发力度，进一步降低制氢成本, 早日形成规模化生产，为国家“碳达峰、碳中和”助力。

(2) 在储氢方面,需要尽快突破材料储氢的技术瓶颈，只有储存方面实现经济、安全、可靠的前提下，氢能才能更贴近生活。

(3) 在氢气输运方面,需要根据不同的使用场合，采用经济的运输工具，目前需要重点加大在管道运输技术上的研发。

(4) 在经济性方面，除了要充分利用好弃光、弃风以节省制氢成本外，还要进一步优化储氢、运氢方法，从全产业链上降低用氢成本。