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從2020年9月22日起，碳達(dá)峰、碳中和成了國(guó)內(nèi)的熱門(mén)話(huà)題；氫能產(chǎn)業(yè)、氫經(jīng)濟(jì)等概念、報(bào)告、研討會(huì)、報(bào)告會(huì)等概念，讓人應(yīng)接不暇。為什么碳中和能帶動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)熱，為什么提氫占燃料比例而不是能源結(jié)構(gòu)中的比例，現(xiàn)有的制氫技術(shù)路線(xiàn)有哪些特點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展方向是什么？
一般來(lái)說(shuō)，氫和柴油、汽油等能源類(lèi)型的性質(zhì)相似，主要有兩個(gè)原因。第一，它們都屬于二次能源。二次能源是從一次能源轉(zhuǎn)化而來(lái)的，如柴油、汽油都是用石油煉出來(lái)的，而煤、薪柴等初級(jí)能源無(wú)需加工即可直接使用。氫氣可由煤、天然氣等傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化而來(lái)，或由工業(yè)副產(chǎn)品，如生物質(zhì)，以及電解水制取。其次，柴油、汽油和氫氣都是“能量”物質(zhì)，有些人稱(chēng)其為“含能體”能源；這類(lèi)能源品種的最大特性，既可用作燃料，又可與汽車(chē)、輪船、飛機(jī)等移動(dòng)性很強(qiáng)的現(xiàn)代交通工具直接使用。
盡管氫和電力都是二次能源，但其性質(zhì)卻有所不同。盡管城市有軌電車(chē)，但在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，電力并不能直接用于移動(dòng)的現(xiàn)代交通工具，因此又稱(chēng)“過(guò)程性能源”，交通工具如高鐵、地鐵可直接使用，即使電池功率不大，還可通過(guò)蓄電池等電源與人或車(chē)輛一起移動(dòng)。電力可直接由煤、油、氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力、潮汐能、地?zé)?、核燃料等一次能源生產(chǎn)，其主要特點(diǎn)是，生產(chǎn)與消費(fèi)基本同步。這就是說(shuō)，發(fā)出的電就要用電，不用的話(huà)就會(huì)浪費(fèi)，所以才有棄風(fēng)(電)與棄光(電)一說(shuō)。
氫氣經(jīng)濟(jì)并非新話(huà)題，早在70年代就被提出。由于油價(jià)上漲，各個(gè)國(guó)家開(kāi)始考慮開(kāi)源節(jié)流的能源問(wèn)題，氫能就是開(kāi)放源代碼的產(chǎn)物，節(jié)能也是發(fā)端于那個(gè)時(shí)候。
隨著化石燃料消費(fèi)的不斷增長(zhǎng)，資源儲(chǔ)量也在不斷減少，不少學(xué)者認(rèn)為，「終將耗盡」，因此，尋求一種不依賴(lài)礦物燃料、儲(chǔ)量豐富的新型「含能」物質(zhì)成為當(dāng)務(wù)之急。因此氫能源應(yīng)運(yùn)而生。這就是說(shuō)，氫氣產(chǎn)生于常規(guī)能源危機(jī)之后，人們對(duì)其有了期望。由于全球氣候變化的影響，氫氣在能源轉(zhuǎn)換中的潛力再次引起人們的重視。利用可再生能源制取氫氣、以?xún)?chǔ)氫物質(zhì)存儲(chǔ)、與氫燃料電池共同產(chǎn)生“凈零排放”氫能系統(tǒng)；氫氣不僅具有可持續(xù)性，而且成為除可再生能源外“深度脫碳”的重要路徑。
制氫方式，目前主要有四種類(lèi)型，即化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫、電解水制氫、生物質(zhì)和其它制氫方法。天然氣制氫應(yīng)用廣泛，但原料利用率低、工藝復(fù)雜、難度較大，且產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體排放，是一大制約因素。使用工業(yè)副產(chǎn)品制氫，不但可以“變廢為寶”，而且成本也比較低廉。在焦?fàn)t氣制氫生產(chǎn)中，施工地點(diǎn)離焦化企業(yè)較近，不僅受原料供應(yīng)的制約，供應(yīng)鏈的安全也存在隱患。電解水制備氫氣產(chǎn)品，產(chǎn)品純度高、無(wú)污染，但價(jià)格昂貴，限制了其推廣應(yīng)用。光解水和生物質(zhì)制氫的技術(shù)還沒(méi)有成熟，要使其商品化還有一段時(shí)間。綜上所述，煤和天然氣制氫成本低，又以天然氣制氫的經(jīng)濟(jì)性最佳。
氫能源的優(yōu)點(diǎn)主要如下。首先，燃燒時(shí)熱值較高，每公斤氫氣燃燒3倍左右、酒精3.9倍、焦炭4.5倍左右。第二，氫氣燃燒后僅剩水，因此成為一種清潔能源。第三，氫資源豐富，可以用水來(lái)制取，而水是地球上最豐富的資源。第四，氫氣燃料電池的效率高于內(nèi)燃機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大效率值是20%–30%；如果考慮到電機(jī)和控制器的損耗，內(nèi)燃機(jī)的輸出能量只有24%或更少；燃料電池最小效率可達(dá)35%–45%(通常要高很多)。
氫氣有很多用途。氫氣可廣泛用于能源、交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，可直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料，利用燃料電池技術(shù)，還可以應(yīng)用于汽車(chē)、軌道交通、船舶等領(lǐng)域，減少長(zhǎng)距離、高負(fù)荷交通對(duì)油氣的依賴(lài)性，并可用于分布式發(fā)電，用電取暖，商業(yè)建筑等。
世界上生產(chǎn)氫氣的主要原料是礦物能源。世界氫的年產(chǎn)量大約是7000萬(wàn)噸，其中76%是由天然氣來(lái)生產(chǎn)的，其余部分(23%)主要是由煤和電解法生產(chǎn)的。用氫能源的天然氣每年大約有2050億立方米(占全球天然氣總消耗量的6%)和1.07億噸煤炭(占全球總消費(fèi)量的2%)。雖然礦物能源的制氫技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是需要安裝一個(gè)碳捕獲封存設(shè)備來(lái)解決碳排放問(wèn)題。
IEA認(rèn)為，氫能發(fā)展面臨史無(wú)前例的機(jī)遇，世界各國(guó)從政策到項(xiàng)目數(shù)量都在快速增長(zhǎng)，正是氫能不斷擴(kuò)大，降本增效、降本增效的重要時(shí)期，提出七條建議：一是制定氫能發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略；二是鼓勵(lì)清潔氫能發(fā)展的市場(chǎng)需求；三是解決先行者的投資風(fēng)險(xiǎn)；四是支持研發(fā)降低成本；五是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；六是全面加強(qiáng)國(guó)際合作；七是抓住未來(lái)十年氫能發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)遇。今后可從四個(gè)方面著手：把沿海化工廠建設(shè)成擴(kuò)大清潔用氫能源利用的樞紐；充分利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施；擴(kuò)大公共交通用氫領(lǐng)域；開(kāi)展國(guó)際氫貿(mào)易，建立第一批航運(yùn)線(xiàn)。
有關(guān)氫能開(kāi)發(fā)的問(wèn)題也不容忽視。第一，隨著化石能源制氫和氫氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建立法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)已迫在眉睫。第二，如果使用了電制氫，轉(zhuǎn)化效率是個(gè)大問(wèn)題：通常發(fā)電效率低于35%，再用電解水制氫，此時(shí)的氫能效率又一次下降，此時(shí)的氫能效率將重新計(jì)算。第三，燃料電池車(chē)所用氫氣與普通工業(yè)氫氣不同，對(duì)純度和雜質(zhì)要求較高。但是，產(chǎn)氫成本高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后等制約著燃料電池的發(fā)展。第四，安全是個(gè)非常重要的課題。實(shí)際上，電解水制氫技術(shù)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，已經(jīng)在系統(tǒng)安全、電氣安全、設(shè)備安全等方面形成了較為完善的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，涵蓋了氫氣站、系統(tǒng)技術(shù)、供配電系統(tǒng)規(guī)范等。
總而言之，作為碳減排的重要措施，棄風(fēng)、棄光的電用來(lái)電解水制氫，是變廢為寶，不僅能提高能源效率，而且是碳中和的重要方向。在沒(méi)有棄電條件的情況下，谷電制氫，能量利用率是一個(gè)大問(wèn)題。對(duì)于煤、天然氣等傳統(tǒng)能源制氫，需要解決二氧化碳排放問(wèn)題。
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