要實現(xiàn)雙碳目標，綠氫或是氫能發(fā)展的最佳選擇。
氫產(chǎn)能可分為灰氫、藍氫和綠氫等。其中，綠氫是使用可再生能源發(fā)電生產(chǎn)的，如水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質發(fā)電、海洋能發(fā)電和地熱能發(fā)電等，再通過電解水的方式制氫，是真正實現(xiàn)零碳制氫的方式。
我國雖是氫能第一產(chǎn)能大國，但是大部分產(chǎn)能為灰氫。灰氫和藍氫，并不是真正意義上的清潔氫能，在生產(chǎn)過程中，灰氫和藍氫要用到不可再生資源，如煤炭、石油、煉廠氣、天然氣等。在生產(chǎn)灰氫的過程中還會大量排放包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體。
全球來看，現(xiàn)階段電解水制氫產(chǎn)能都相當弱小，不到4%，在我國，更是只有微弱的1%。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2020》相關信息，目前，我國氫氣供給結構中，約77.3%來自化石能源制氫，21.2%來自工業(yè)副產(chǎn)氫。
根本原因在于，使用大電網(wǎng)電源電解水制氫高昂的成本，使其缺少經(jīng)濟價值。利用可再生能源產(chǎn)出廉價電力，降低電解水制氫的成本，是綠氫實現(xiàn)規(guī)?；凸I(yè)化的關鍵。
綠電價格
牽一發(fā)動全身
由光伏和風能構成的綠電，是生產(chǎn)綠氫最理想的能量來源。
“風光”綠電+綠氫，是互相成就的雙環(huán)保路線。
一方面，太陽能、風能轉化為綠電，通過電解水設備產(chǎn)生綠氫，氫燃料電池的發(fā)電效率與綜合能效遠高于傳統(tǒng)化石能源(石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍)，還是零碳排放。
另一方面，在風電和光伏發(fā)電的聚集區(qū)建設制氫基地，能有效消納風光電能。風光發(fā)電有很強的波動性和隨機性，將風光電用于電解水制氫，可提高能源儲存，拓展電能利用。
我國規(guī)模化的風電和光伏基地都在欠發(fā)達地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等，當?shù)貙︼L光電的消耗十分有限。氫氣需求被打開，不僅為光伏風電網(wǎng)找到了規(guī)?；拇笫袌?，也將進一步促進綠電產(chǎn)能的優(yōu)化。
政策也在加速綠氫與風光發(fā)電的耦合。
2022年初，國家能源局、工信部、住建部、交通運輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等五部聯(lián)合印發(fā)《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2025年)》提出，支持智能光伏制氫等試點示范項目建設。
然而，通往美好理想道路上，總有擋在前方的“攔路虎”。沒有廉價的電力降低制氫成本，是當前綠氫量產(chǎn)的重要牽制因素。
據(jù)中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司高級工程師田江南介紹，綠電價格覆蓋了電解水制氫50%-80%的總成本。
原就職于中石化茂名石化公司的業(yè)內(nèi)人士吳均布表示，用電解水方法生產(chǎn)1標準立方米氫氣，需要5-6度電，1噸氫氣的體積為1.12萬標立方米，綠氫對電能消耗可想而知。
近年來，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)?；L光電能的成本在不斷降低，過去十年，中國光伏度電成本已下降約85%，2021年，跨入平價上網(wǎng)時代。
不過橫向對比，電解水制氫成本依然處于劣勢，根據(jù)中國氫能聯(lián)盟相關信息，每千克制氫成本，化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫優(yōu)勢明顯。
“當用電價格在0.1元/kwh左右時，電解水制氫從成本上，才有可能與另外兩種制氫方式抗衡”，田江南說道。
風光電用于制氫，還會面臨綠氫的運輸問題。我國光伏風電站可以就地解決綠氫生產(chǎn)，但無法自產(chǎn)自銷，需要大量輸往經(jīng)濟更發(fā)達、對綠氫需要更大的地區(qū)。
目前，我國氫能源車載運輸、氫能管道等基礎設施還不完善，加氫站數(shù)量也相當有限。綠氫的交付和運輸成本，是另一只“攔路虎”。
“要降低綠氫價格，需要通過技術、政策等措施并行，為綠電+綠氫做好商業(yè)上的鋪墊和保障”，田江南說道：“我國是世界最大的產(chǎn)氫國，無論是從綠氫規(guī)模還是產(chǎn)業(yè)鏈完整性來講，國內(nèi)都優(yōu)于國際。
風光發(fā)電平準化度電成本在未來十年仍有40-55%的下降空間，這將對綠氫的規(guī)?；鸬椒e極影響。”
電解設備
沖破瓶頸的關鍵
當前主流綠氫技術路線，主要為堿性水電解制氫技術(AE)和質子交換膜水電解制氫技術(PEM)。
AE制氫較成熟，可通過多臺并聯(lián)實現(xiàn)較大規(guī)模制氫，并正在探索革新槽體組件材料、擴大電解槽出力、采用零極距設計等降本舉措，但是制氫的效率和純度較低。
PEM制氫流程簡單，能效高，制氫純度高，但貴金屬催化劑、膜電極、氣體擴散層、雙極板等成本偏高。長期來看，PEM與綠電結合的應用前景更廣闊。
放眼全球，據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2020年全球電解制氫項目的裝機規(guī)模合計為300兆瓦，相應的氫氣產(chǎn)能約為2.3萬~4萬噸，按照該機構預測，2021~2026年的年均增長率將為123%。截至2020年底，全球已有約70個在建的綠氫項目，其中GW級項目已超20個，美國、歐洲、日本和韓國均將AE規(guī)模化和PEM產(chǎn)業(yè)化視為未來主流。
聚焦國內(nèi)，不少巨頭已開始布局電解槽賽道。2021年，陽光電源發(fā)布了“SEP 50”PEM電解槽，該產(chǎn)品單槽功率250kW，是國內(nèi)首款量產(chǎn)的50標方PEM電解槽;中科院大連化學物理研究所、中船重工集團718研究所等單位正開展PEM純水制氫設備的研究與制造;中石化、三一重工、龍蟠科技等也在重點關注PEM水電解制氫。
我國電解水制氫尚未進入產(chǎn)業(yè)化階段，不少核心技術，還面臨卡脖子的困境。田江南介紹道，我國AE制氫技術水平與國外相近，擁有完全自主知識產(chǎn)權的設備制造、工藝集成能力。但在PEM制氫技術方面，國內(nèi)尚處于研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段，核心技術和設備都在國外，如電解槽的質子交換膜和膜電極等，目前主要依賴進口。
電解水制氫系統(tǒng)在制氫站總成本中的占比約為80%，且技術壁壘深，積累時間長，目前真正做好的企業(yè)也不多。因此，電解槽的成本和技術的進一步革新，是綠氫產(chǎn)能更上一層樓的關鍵。
相關研究表明，通過使用多堆棧系統(tǒng)(結合多個電解槽棧來增加電解槽系統(tǒng)的總體容量)，可在現(xiàn)有技術下降低基礎設備投資成本20%～40%。AE電解裝置使用壽命已提高一倍，PEM制氫的原材料成本，也有較大下降空間。
田江南表示，推動電解水制氫系統(tǒng)向輕量化、小型化的方向發(fā)展，不僅可以降低制氫站的土建成本，還有望聯(lián)結更多創(chuàng)新型企業(yè)，共同致力于電解水的技術開發(fā)和成本控制。
根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》的預測，堿式和PEM的成本都將在2035年左右低于灰氫，電解水制氫成本有望在2035年左右實現(xiàn)與灰氫平價，到2050年，綠氫將具有明顯的競爭優(yōu)勢。
應用終端
綠氫沒有邊際
綠氫的使用場景，遠比大部分人想象的豐富。
氫燃料電池在商用車領域的潛能不言而喻。我國已規(guī)劃好燃料電池城市示范群，氫燃料電池在貨用卡車、長途汽車、重工運輸?shù)壬逃妙I域，與電動汽車相比，在續(xù)航能力、低溫環(huán)境耐受力、加注速度等方面優(yōu)勢明顯。
綠氫的作為遠不止于彌補新能源電動車的不足，綠氫還能引導大量可再生能源從電力部門流向交通運輸、工業(yè)、建筑等終端使用部門，實現(xiàn)深度脫碳。
儲能方面，綠氫是可再生能源大規(guī)模、長周期儲存的最優(yōu)解。電化學儲能和物理儲能，適用于短期內(nèi)的新能源波動，在長期儲能上，電解水制氫能進一步提高新能源的利用率，減少為需求和產(chǎn)能峰值不匹配造成的能源浪費。
化工領域，氫的應用場景包括但不限于氫冶金、合成氨、合成甲醇、石油重整、石油精制、石油裂化、合成燃料等。
綠氫還是實現(xiàn)碳捕集、存儲、封裝(CCUS)的規(guī)?；瘧玫挠辛ぞ摺＞G色氨氣、綠色甲醇及氫冶煉的發(fā)展，也將進一步擴展綠氫的終端應用。
田江南表示，隨著綠氫在我國終端能源體系中占比不斷擴大，以及各工業(yè)部門減碳壓力的增大，綠氫未來在發(fā)電、交通、合成化工品、冶金等領域的應用占比會有較大的增加。
田江南認為，在政策方面，還有很多空間，來完善綠氫產(chǎn)業(yè)鏈，為應用端提供更好的可行性支持。
如將新建新能源電站配套制氫項目等同于儲能對待，綠氫加氫站給予優(yōu)惠補貼等;再比如，目前有效的應急管理部文件要求制氫項目必須進化工園區(qū)，這限制了很多項目的落地，此類文件有待調(diào)整優(yōu)化;以及規(guī)劃建設大型綠氫示范基地，讓先進的技術、產(chǎn)品在可控范圍內(nèi)同場競技，相互促進。
我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目，也是全球在建的最大光伏綠氫生產(chǎn)項目——中國石化新疆庫車綠氫示范項目，已于2021年11月30日正式啟動建設，投產(chǎn)后年產(chǎn)綠氫可達2萬噸。
根據(jù)國際氫能委員會與麥肯錫聯(lián)合發(fā)布的《氫能洞察》預測，到2030年，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的投資總量將超過3000億美元。其中，制氫項目會是最大份額，綠氫投資進入高速增長期。
隨著綠電和電解槽成本的不斷下行，綠氫的應用空間將持續(xù)上行，綠氫的量產(chǎn)也將有望逐步實現(xiàn)。
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