氢能产业技术现状及发展趋势展望

氢能产业技术现状及发展趋势展望

籍星

中海油能源发展股份有限公司 天津市 300450

摘要：迫于环保压力及碳减排目标，世界各国均愈发重视新能源产业的发展，其中氢能作为清洁的二次能源在应对气候变化、保障我国能源安全方面有着不可忽视的巨大潜力。本文基于国内外氢能技术进展，从氢气的制取、储存及运输方面，论述了当前氢能产业的技术现状及发展趋势，并对我国氢能产业的发展提出了相关建议。

关键词：氢能；氢气制取；氢气储存；氢气输送；能源安全

1氢能产业发展背景

化石燃料等传统能源的使用引起的气候变化及环境影响问题越来越受到世界各国的重视，各国近年对新能源产业布局的力度亦显著加大。对我国而言，当前全社会能源消耗已严重依赖进口，因此未来能源需求的转型不仅是应对气候变化的必然需求，更是保障国家能源安全、维护社会稳定的必然需求，加之“碳达峰、碳中和”目标的提出更是对我国能源体系提出了严峻的挑战，但同时也为新能源产业发展提供了重要机遇。在众多新能源产业中，风能、光能等已获得大规模应用，而随着技术的进步，氢能因其独特的优势越来越受到人们的青睐。

国内外的广泛研究及实践均表明，氢能可应用于燃料电池、储能、发电、工业原料及民用燃气等诸多领域，而对环境的影响很小甚至没有影响。氢能作为清洁的二次能源，其实现规模化储存的潜力巨大，氢能的普及将替代相当部分的传统能源消费而深刻改变我国的能源消费格局。我国氢能产业从制氢技术、液氢装备、燃料电堆、系统到关键部件技术研发取得一系列关键技术突破，形成了涵盖制氢、储-输氢、氢安全、燃料电池及整车应用等技术的产学研用研发体系[1]。截至2021年底，我国氢能产业链企业已超过1000家，集中分布在京津冀地区、粤港澳大湾区、长三角地区。

2氢能产业技术现状

2.1 氢气制取技术现状

氢的来源可谓广泛，主要供应方式有煤炭、天然气等化石燃料重整制氢、工业副产氢和电解水制氢，此外还有一些潜在可实现规模化供氢的技术方式，如：生物制氢、光热制氢、光电制氢等。目前，95%以上的氢气来自化石能源重整制氢和工业副产氢，其他氢气来源仍然非常有限。

（1）化石能源制氢

煤制氢装置常见于大型炼化企业的配套装置，其规模大、投资大，大规模制氢摊低了成本，规模越大成本优势越显著，但其三废排放量大导致环保压力大，且氢产品中杂质较多，因此对于纯化系统要求较高，亟需全面提高技术水平以适应新的发展需求。

天然气制氢是氢气的主要来源。全球每年约7000万吨氢气产量，其中约48%来自天然气制氢[2]，欧美大多数国家以天然气制氢为主。天然气制氢的特点是技术成熟、运行稳定、环境友好，但天然气原料成本较高，近几年我国天然气价格居高不下，甚至时有爆发“气荒”，因此天然气制氢在国内推广难度大于煤制氢。

（2）工业副产氢

工业副产制氢是以富含氢气的工业尾气为原料，采用变压吸附法（PSA法）、膜分离法、深冷分离法等技术回收提纯制氢[1]。目前主要尾气来源有氯碱工业副产气、焦炉煤气、轻烃裂解副产气。与其他制氢方式相比，工业副产品制氢的最大优势在于几乎无需额外的资本投入和化石原料投入，所获氢气在成本和减排方面有显著优势。

（3）电解水制氢

电解水制氢是在阴极上发生还原反应析出氢气和阳极上发生氧化反应析出氧气的反应，主要技术路线有碱性电解水制氢、纯水质子交换膜（PEM）电解水制氢和固态氧化物电解质（SOE）电解水制氢等[3]。电解水制氢工艺简单、自动化程度高，其氢气产品的纯度也极高，一般可以达到99%-99.9%水平，而其缺点在于成本高、耗电量大，不宜于扩大生产规模。但随着近年来我国风电、光电、水电的大发展，许多地方出现了富余电力，这些富余电力或电网谷段电力为电解水制氢的低成本化发展提供了新的思路，在有富余电力的地区开展小规模电解水制氢示范项目，既有助于消纳富余电力也可为规模化电解水制氢提供宝贵的发展案例。

2.2 氢气储存技术现状

氢的规模化储存技术尚不完善是目前公认的限制了氢能大规模利用的因素之一，因此近年来国内外各种研究机构均尝试在储氢技术方面寻求突破。目前常见的储氢方法为：压缩、液化和化学工艺储氢。

（1）压缩储氢

相较于液化氢气，压缩氢气需要的能量更少，操作简单，成本更低，但需要的存储空间更多，即便如此，压缩氢气仍然是目前最常用的存储技术。由于氢气作为气体的整体密度较低，压缩储氢的主要缺点是需要较为庞大的系统，一般而言其体积是具有相同能量输出的天然气体积的两倍以上[4]。同时，氢气作为压缩气体也比所有其他存储方式更易挥发，这使得如发生撞击或故障时会导致气体快速泄放，易引发起火或爆炸事故。此外，压缩储氢还存在容器材料老化问题，这会导致其机械性能过早退化，并导致容器刚度下降乃至开裂[5]。

（2）液化储氢

氢气的沸点和熔点极低，分别为-252.8℃和-259.2℃，因此液化氢气的过程需要消耗大量的能量，液化氢气所需的能量高达潜在储存能量的30%

[4]；另一方面，虽然液化氢气罐比压缩氢气罐轻得多，但液化储氢对容器材料的绝热要求较高。两方面因素叠加导致液氢储存成本居高不下。

对大规模氢液化过程的研究发现，各种低成本、高效率的设计在很大程度上取决于液氢工厂的产能，而所选用的工艺还取决于其他相关条件，例如工厂的位置、公用工程的成本和客户需求[6]。此外，对先进液化系统的案例研究分析表明，整体系统的效率仍有优化改进的空间，包括氢气进料温度的优化及催化剂的选用等，因此通过设计优化可使液氢产量获得进一步提升。

（3）化学工艺储氢

化学工艺储氢是近年来的研究热点，通常包括四种形式：在具有大比表面积的材料上吸附氢气（T<100K）；给予一定的压力及温度，在金属的间隙位点上结合氢分子，形成金属氢化物；在共价和离子化合物中的化学键上结合氢分子；通过活性金属（例如：锂、钠、镁、铝、锌等）与水的氧化结合储氢。

在众多化学储氢方法中，金属氢化物系统的优势在于它是以固体形式储存氢气，较之液体或气体形式更为安全、储存效率更高[4]，虽然仍是一项新兴技术，但它已经达到了很高的安全性，Gray E等的研究甚至表明，某些金属氢化物具备了一定了防弹性能，与电池存储相比，这也是一个主要优势，目前电池存储形式仍然有一定的爆炸风险。当前对金属氢化物的研究主要集中在改善吸附性能和降低整体系统成本[5]，氢化镁由于其良好的性能而获得了众多研究者的关注，但是其缺点也较为明显，即该系统需要相对较高的环境温度来充能或释能，于运输而言十分不利。为了解决这些缺点，研究者们正在尝试研发新的生产技术，亦或从催化剂入手，通过掺杂、改性等手段进一步优化催化性能[6]。

(4)氨储氢

除上述方式之外，氢气也可以储存在氨中，即：将氨视作氢的载体进行储存或运输，在需要用氢的场景下再将氢气制取出来供使用。氨在化学工业中具有普遍而广泛的应用，它具有相对较高的氢密度和利用灵活性。氨的化学性质不活泼，可以在常温常压下进行储存和运输，且液氨能够蕴藏比液氢本身更大的氢气体积，然而这种非常高的储能密度也意味着更重的存储和运输需求。此外，下游使用场景氨释放氢气的过程需消耗大量能量，尤其在需要高纯度氢气的情况下消耗的能量更多[3]，这将为使用端带来不小的压力，例如加氢站可能会需要增加配备氨制氢及氢提纯装置，这也提高了氨储氢技术的使用成本。

2.3 氢气输送技术现状

氢气的输送是指从离开储存区域开始到最终交付使用为止的过程，基于当前的产业技术水平，氢气的输送主要是通过容器以压缩氢气、液化氢气或者存储在氢化物的形式进行运输[2]。输送方式通常包括管道运输、公路和海上运输等，所有方式都有一定的成本和安全问题，且与储氢方式关系密切，实际生产运行过程中应当建立“储运一体”的机制，依据实际需求选择最佳的运输方式。

管道运输主要考虑需金属管材的性能问题，金属在吸附氢气后易脆化，有泄漏风险，因此管道沿线需增加氢气检测仪器数量、加大人员巡检力度，这推高了氢气管线的建设及维护成本。公路及海上运输亦可看做氢气的“移动式储存”，主要有容器泄漏、交通事故的风险，此外，与天然气运输相比，氢气能量密度低，因此无论压缩氢气或液化氢气其运输成本均较天然气更高。

3氢能产业发展趋势

3.1 氢气制取发展趋势

从制氢技术的未来发展趋势来看，天然气制氢的蒸汽甲烷重整技术将大有可为，而电解水制氢及生物制氢不失为未来的发展方向。

（1）A Boyano等人认为蒸汽甲烷重整是最有前途的制氢工艺之一，同时其他研究分析了提高蒸汽甲烷重整效率的可能性，Xu等人研究了在反应中加入硼原子以提高镍催化剂稳定性的假说，他们最终实现了转换效率提高5%[5]。Harald M等人提出了一种质子膜重整器，该重整器可在单级工艺中生产高纯度电化学压缩氢，几乎没有能量损失[4]，该技术已被证明可显著促进压缩氢气的生产，同时具有高能效和极低的碳排放，是未来可着重关注的制氢技术主流发展方向。

（2）电解水制氢如能进一步利用水、风、光、核等可再生能源的富余电力，便更能符合“碳达峰、碳中和”目标要求，有助于节省电解制氢成本，进而推动技术迭代升级，最终有望实现商业化应用。

（3）生物制氢过程主要由光合作用或发酵生物控制，有着转换效率高、可回收性强、无污染的优点，与热化学和电化学过程相比更加环保[6]。生物氢技术仍处于起步阶段，尚无法与成熟工艺竞争，今后的重点发展方向在于提高合成速率、优化生物反应器设计及对活性酶进行基因改造等。

3.2 氢气储存发展趋势

总体而言，目前压缩氢气储（运）技术相对成熟，但仍无法满足规模化、远距离的商用化储运需求，研究者们仍需从多方面入手探寻解决方案。

（1）储氢容器脆化的问题仍需进一步解决，首先做好氢气对容器性能影响的研究，同时探索开发新材料，以期将性能更好的材料用于储氢容器。

（2）化学工艺储氢将是重点发展方向，尤其固体储氢的方式其安全性尤为显著，无需低温高压，但其储能与释能过程的进一步优化是后续研究的重点。

（3）氨储氢将会取得长足的发展，其具有高能量密度、易于储存和运输、高安全性、终端无碳排放环保、易液化等特点，如能实现氨制氢装置的进一步低成本化、小型化、便捷化，甚至有可能颠覆传统的储氢方式，改变整个氢能产业格局。

3.3 氢气市场发展趋势

目前,氢气应用以化工原料消费为主，但未来交通领域消费潜力巨大，氢气被认为是化石能源的清洁替代品，氢能是实现工业深度脱碳的重要可行方案。全球工业部门45%的碳排放来自钢铁、合成氨、水泥等生产过程，其中，45%的碳排放来自于原料用途、35%来自于生产高品位热能、20%来自于生产低品位热能[3]。电气化手段只能用于减少低品位热所造成的20%的碳排放，绿色氢能是实现深度脱碳的重要解决方案之一。我国拥有全球规模最大、门类最全的工业生产体系，拥有丰富的可再生能源资源，在“双碳”目标的背景下，工业领域将有大规模应用氢能的发展趋势 [5]。根据我国实际情况，未来氢能在交通领域的发展仍遵循商用车先发展，乘用车后发展的趋势。随着技术突破和产业规模化带来成本下降，氢燃料电池在重卡、重型工程机械、船舶、航空等领域的市场化进程将进一步加快，氢能、电池等储能方式可提供不同时间尺度上的储能方案,保障消纳的前提下实现可再生能源大规模开发利用。据预测到2060年，氢能在终端能源消费中将达到20%，工业与交通仍是用氢的主要领域，其中，工业领域用氢约占60%,交通领域约占30%[2]。

4总结与建议

氢能作为清洁的二次能源在应对气候变化、保障我国能源安全方面有着不可忽视的巨大潜力。当前化石能源制氢、工业副产制氢技术已较为成熟，但仍有优化改进的空间，在短期内其主导氢气供应的地位仍不可撼动，工业副产制氢由于其经济性，可在有条件的地区推广。出于环保及减碳的目的，未来电解水制氢、生物制氢将迎来新的发展高潮。当前氢气储运技术仍以压缩或液化为主，但安全性是其规模化应用的一大障碍，这需要“产学研用”一体化推进以实现技术升级迭代解决安全性问题。或当另辟蹊径，探索化学工艺储氢、氨储氢等新技术方式，充分发挥其安全、高效储氢的优势，不断优化工艺技术以促成其商业化应用。

氢能的发展不仅是单一产业的发展，而更关系到国家能源消费结构变革和生态文明建设的关键布局，为推动我国氢能产业的科学有序发展，提出建议如下：

（1）加强顶层设计，完善产业政策，落实好氢能产业链的发展规划，统筹有序地引领行业共同进步；

（2）加强“产学研用”一体化建设，鼓励高校、科研院所、企业间的合作交流，奖励在新技术突破及其商业化应用方面有突出建树的单位，推动一批示范项目落地；

（3）鼓励相关单位参与国际竞争，加强技术储备，打破国外技术垄断，尤其注重参与技术标准、质量监督标准的制定，加强话语权。

参考文献

[1]刘尚泽,于青,管健.氢能利用与产业发展现状及展望[J].能源与节能,2022(11):18-21.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2022.11.038.

[2]王雪雪,朱文.甲醇裂解制氢工艺与优势研究[J].化工管理,2021(27):93-94.DOI:10.19900/j.cnki.ISSN1008-4800.2021.27.045.

[3]白秀娟,刘春梅,吴凤英,范晨阳,兰维娟.甲醇制氢技术研究与应用进展[J].广州化工,2020,48(03):8-9+25.

[4]Faye O, Szpunar J, Eduok U. A critical review on the current technologies for the generation, storage, and transportation of hydrogen[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022.

[5]Qureshi F, Yusuf M, Abdullah B. A brief review on hydrogen production to utilization techniques[C]//2021 third international sustainability and resilience conference: climate change. IEEE, 2021: 66-71.

[6]Ishaq H, Dincer I, Crawford C. A review on hydrogen production and utilization: Challenges and opportunities[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47(62): 26238-26264.

作者简介：籍星（1995年2月），男，汉，山西省晋城市人，中国石油大学（北京）新能源与材料学院化学工程专业2017级硕士研究生，工作单位：中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司冷能利用技术中心，职称：助理工程师，研究方向：LNG冷能利用、工业气体