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錢金川（溫州高企氫能科技有限公司）

一、在“碳達(dá)峰”和“碳中和”前提下的綠氫

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到 2030 年，我國(guó)氫氣需求量將達(dá)到3500 萬噸，到 2050 年，氫能將在中國(guó)終端能源體系中占比至少達(dá)到10％，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約 12 萬億元，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。

更有專家表示，發(fā)展氫能技術(shù)，是我國(guó)尋求解決能源與資源危機(jī)、

加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，如期實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的戰(zhàn)略選擇。

眾所周知碳排放主要由化石能源所引發(fā)，目前中國(guó)煤炭消費(fèi)幾乎占到全球的一半，是碳排放的主要來源之一。隨著中國(guó)能源轉(zhuǎn)型的加快，天然氣將逐步替代煤炭，從而減少二氧化碳的排放，實(shí)現(xiàn)中國(guó)由高碳向低碳的轉(zhuǎn)型。而伴隨氫能源的不斷加速發(fā)展，氫能將為最終實(shí)現(xiàn)碳中和起到重要作用，并肩負(fù)起無法替代的使命。

**整體規(guī)劃“碳達(dá)峰”和“碳中和”的論述

碳達(dá)峰 ：當(dāng)每年碳排放量不再增加，達(dá)到峰值。**力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)。

碳中和：人類總要排放碳，實(shí)在減不掉的就吸收掉，當(dāng)吸收量等于排放量。碳中和中重要的操作之一是碳捕集，把排入大氣的CO?的捉回來，才能真正實(shí)現(xiàn)凈零排放。中國(guó)力爭(zhēng)于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，而歐盟一些**首倡2050年達(dá)中和。

近年來，受能源政策、市場(chǎng)以及相關(guān)氫能利用技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應(yīng)用提供了更多可行和適用的選擇。能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動(dòng)性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。

二、遏制全球變暖首要的是減排

在過去200年里，人類向大氣層排放了數(shù)萬億噸CO?，它如同給地球造了7個(gè)大棚，讓地球無法散熱，溫室氣體隨著人類在暢想科技文明的同時(shí)，如影隨形變本加厲。

譬如在2019年數(shù)據(jù)顯示：碳源產(chǎn)生約400億噸CO?/年，而其中86%為化石燃料產(chǎn)出；14%為土地產(chǎn)生。產(chǎn)出的碳基本上碳

匯在以下三個(gè)方面：46%匯聚大氣層；23%匯聚海洋；31%匯聚在陸地。

隨著碳中和目標(biāo)的提出，中國(guó)未來能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向已經(jīng)確定。預(yù)計(jì)到2060年中國(guó)經(jīng)濟(jì)會(huì)達(dá)到人均GDP4.8萬美元，帶來能源需求67.3億噸標(biāo)煤，較現(xiàn)在提升38%。如果以目前的能源結(jié)構(gòu)不變，將會(huì)產(chǎn)生每年160億噸二氧化碳的碳排放。

如果減排，需從以下三個(gè)方面入手：

2.1、使用清潔能源（如綠氫）；

2.2、提高能源的使用效率；

2.3、減少一次性物品生產(chǎn)。

毋庸置疑使用清潔能源，是一勞永逸的做法。在全球能源危機(jī)化的形勢(shì)下，用氫做為石油燃料的替代品已成為時(shí)代的趨勢(shì)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人類生活質(zhì)量的不斷提高，社會(huì)各行業(yè)對(duì)氫氣的需求日趨增多，其用途十分廣泛。氫能，尤其是風(fēng)電、光伏等可再生能源所制得的綠氫，只消耗電能，無其它副產(chǎn)物排放，氫氣純度高于 99.99%，具有零碳、高效、可儲(chǔ)存、安全可控等顯著優(yōu)勢(shì)。

目前，美國(guó)、日本、歐盟等主要發(fā)達(dá)**和地區(qū)均已將氫能納入能源發(fā)展戰(zhàn)略，氫能由最初示范應(yīng)用逐步走向規(guī)模化推廣。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到 2050 年，氫能將創(chuàng)造 3000 萬個(gè)工作崗位，減少160億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造2.5萬億美元的市場(chǎng)價(jià)值，在全球能源消費(fèi)中所占比重有望達(dá)到 18％。

三、清潔能源氫氣的來源及分類

3.1、制氫技術(shù)路線選擇

工業(yè)上生產(chǎn)氫氣的方法很多，主要可以分為三類：**類是水電解制氫；第二類是化石燃料轉(zhuǎn)化制氫，主要有天然氣水蒸氣重整制氫、煤氣化制氫；第三類是其他含氫尾氣變壓吸附（PSA）或膜分離制氫。

煤氣化制氫是以煤為原料在氣化爐中與氧反應(yīng)生成氫氣、一氧化碳和二氧化碳等的合成氣，合成氣經(jīng)過變換反應(yīng)后，氫氣成分進(jìn)一步增加用作下游原料氣；合成氣通過膜分離或者 PSA 分離，也可以進(jìn)一步得到純度較高的氫氣。一般這種制氫路線都是用作煤化工或合成氨行業(yè)，近年來也用作煉化行業(yè)的原料氣，規(guī)模遠(yuǎn)大于水電解制氫。煤氣化制氫規(guī)模大、成本較低，但制取的氫氣純度較低，煤氣化及凈化裝置初期投資也非常大，碳排放指標(biāo)較高。

天然氣制氫是將天然氣和水蒸氣在鎳催化劑的作用下， 在820～950℃下反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣后，進(jìn)一步 PSA 分離得到高純度氫氣。

該路線生產(chǎn)成本較低，適用于中小規(guī)模的氫氣生產(chǎn)。不過，隨著近年來的“氣荒”現(xiàn)象，也使得天然氣制氫的成本呈逐漸升高態(tài)勢(shì)。含氫尾氣分離制氫是將合成氨尾氣、焦?fàn)t氣等含氫尾氣用變壓吸附裝置提純制氫的方法。該路線生產(chǎn)成本較低，但必須具備含氫這一生產(chǎn)條件。從本質(zhì)上來說，也是屬于化石燃料轉(zhuǎn)化制氫。

從上可以看出，除水電解法外，其余方法生產(chǎn)流程復(fù)雜、制氫過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，制出的氫純度低，還需要有比較有效的分離技術(shù)提純氫氣。水作為制氫的原料取之不盡，制氫過程中不會(huì)造成環(huán)境污染，具有持續(xù)發(fā)展性。目前，水電解制氫應(yīng)用較廣，技術(shù)比較成熟，水電解制氫的效率一般在 65～85％，獲得的氫氣純度高，生產(chǎn)流程短，所需的能耗及生產(chǎn)成本低，電解水制氫技術(shù)將慢慢成為今后制氫技術(shù)的主流。從實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、成熟、安全等多方面的比較，擬采用水電解制氫尤其是風(fēng)能、光伏為電力的綠氫是未來發(fā)展的主流。

氫能具有零碳、高效、可儲(chǔ)存、安全可控等顯著優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、家庭用能等領(lǐng)域，已逐步成為全球能源技術(shù)革命的重要方向。

3.2、氫氣的分類：綠氫、灰氫、藍(lán)氫各自特點(diǎn)

在目前制氫領(lǐng)域中，將氫的制取可以分為：綠氫、灰氫、藍(lán)氫之分。其定義分別如下：

綠氫：由可再生能源（如風(fēng)電、水電、太陽(yáng)能等）制氫，在制氫過程中完全沒有碳排放；這也是人類發(fā)展可再生能源的**目標(biāo)。

灰氫：石化燃料制氫，如石油、天然氣、煤炭制氫。C-H鍵脫開，那么就有碳排放。

目前全球每年需氫7000萬噸，其中98%是化石燃料制備的灰氫。由此可見我們所使用的氫氣絕大多數(shù)是來源于灰氫。

藍(lán)氫：指使用石化燃料制氫，同時(shí)使用碳捕捉和碳封存技術(shù)對(duì)后續(xù)碳進(jìn)行處理。

3.3、綠氫目前的現(xiàn)狀

從目前看，主流還是煤制氫，以灰氫為主要?dú)鋪碓础＞G氫和藍(lán)氫將會(huì)是未來的發(fā)展方向，綠氫是清潔能源且用途廣泛，有潛力滿足全球15%的能源需求。但制取綠氫及使用瓶頸是其成本因素。

3.4、綠氫成本分析及制約

成本居高不下是其最大的瓶頸：據(jù)綠氫模型預(yù)測(cè)，2020年綠氫成本 4.2美元/公斤，預(yù)測(cè)到2030年1.9美元/公斤，2050年1.0美元/公斤。如果綠氫價(jià)格在0.8-1.9美元/公斤，則綠氫會(huì)有很強(qiáng)的市場(chǎng)前景。以上只是綠氫模型的預(yù)測(cè)，而實(shí)際綠氫的成本還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模型的預(yù)測(cè)。目前可再生能源制氫的成本仍然較高。全球范圍內(nèi)，化石能源制氫的成本基本低于2美元/kg，而電解水制氫的成本則通常高達(dá)4-5美元/kg。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的條件尚不具備。

電費(fèi)與設(shè)備投資是可再生能源電解水制氫主要的成本構(gòu)成。理論上，電解水產(chǎn)生1kg氫氣所需的耗電量約為30kWh，當(dāng)前電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率一般為60%上下，因此實(shí)際的耗電量大致為50kWh/kg左右。

現(xiàn)目前制約綠氫的市場(chǎng)，主要困局在于電力成本。

在碳中和背景下，氫氣能源屬性有望逐漸顯現(xiàn)出其無與倫比的優(yōu)勢(shì)。尤其是近幾年光伏產(chǎn)業(yè)成本的大幅降低，以及風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，雖然光伏以及風(fēng)能有著很多弊端，但綠氫的大規(guī)模產(chǎn)出及應(yīng)用已經(jīng)成為可能。

目前我國(guó)雖說風(fēng)力資源集中，規(guī)模大，一般在蒙西、蒙東、甘肅、冀北四個(gè)地區(qū)，基本上占風(fēng)電裝機(jī)總規(guī)模的50%以上。但用電量?jī)H占全國(guó)的10%。所以風(fēng)電消納問題是目前風(fēng)力發(fā)電最為突出的問題之一；另外現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)遠(yuǎn)離用氫負(fù)荷，從而增加氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸過程，故而也增大了用氫成本。另外也可將氫通過油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國(guó)各地，這為氫的長(zhǎng)距離輸送、氫能可持續(xù)發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。適時(shí)在管理層面建立電解水制氫、輸氫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。

對(duì)綠氫的制取，在選擇太陽(yáng)能和風(fēng)能時(shí)，可以遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來判定：

根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》（GB/T 37526-2019）太陽(yáng)總輻射年輻照量等級(jí)區(qū)劃表得知，判定該區(qū)域太陽(yáng)能資源狀況，是否適宜建設(shè)太陽(yáng)能電站；根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量和評(píng)估技術(shù)規(guī)定》（NB/T 31147-2018）風(fēng)功率密度等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，判定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)，風(fēng)能資源是否豐富，是否具備開發(fā)潛力。有了以上標(biāo)準(zhǔn)的判定，從而大大降低風(fēng)場(chǎng)、光伏的選場(chǎng)的盲目性。

對(duì)風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)速3m/s可以發(fā)電，如果到10m/s風(fēng)機(jī)可以達(dá)到額定電容量，因?yàn)榘l(fā)電與風(fēng)速呈平方關(guān)系；另外風(fēng)場(chǎng)的選擇：年平均利用小時(shí)數(shù)不能低于2000小時(shí)，通常較好的風(fēng)場(chǎng)一般2200-2500小時(shí)，只有如此，風(fēng)場(chǎng)才有一定的經(jīng)濟(jì)效益，在今后的運(yùn)行過程中不賠損。

我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，西南地區(qū)的水電資源豐富，需要將相應(yīng)電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區(qū)。我國(guó)海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國(guó)、德國(guó)之后的世界第三大海上風(fēng)電**，快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。這也為降低火力發(fā)電我國(guó)這一比例過大（火力發(fā)電占76%）的格局，提供了新的減排點(diǎn)。

如果保證棄風(fēng)限電的利用率：將水電解制氫設(shè)備做的比較大，可以充分消納風(fēng)場(chǎng)各個(gè)功率段的棄風(fēng)電量，但這樣會(huì)使水電解制氫設(shè)備（用傳統(tǒng)堿性電解槽或者PEM 水電解槽）獲得綠氫，利用率很低；如要保證水電解制氫設(shè)備利用率，只要把設(shè)備做的相對(duì)較小，可是又會(huì)使得棄網(wǎng)限電這部分電量利用率低，如何解決該矛盾也是風(fēng)力發(fā)電制氫的一個(gè)瓶頸所在。從這兩年發(fā)展趨勢(shì)看：堿性電解槽1000Nm3/h以上已經(jīng)是未來的主流，從而解決可再生能源發(fā)電制氫的瓶頸。相應(yīng)的示范項(xiàng)目已經(jīng)在全國(guó)普遍展開，為今后的市場(chǎng)運(yùn)行積累了前期寶貴經(jīng)驗(yàn)。

目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。在“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)下，目前國(guó)內(nèi)煤制氫的占比超過60%，電解水制氫的比例則不到2%。因此，可再生能源制氫仍然任重道遠(yuǎn)，未來的發(fā)展空間巨大。

3.5、國(guó)內(nèi)外綠氫情況發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)

隨著近年來全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出長(zhǎng)期碳中和目標(biāo)，預(yù)計(jì)氫氣的能源屬性將逐漸顯現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵卣怪岭娏Α⒔煌ā⒔ㄖ葓?chǎng)景。

近年來，全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出氫能發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)，將氫能的發(fā)展上升至戰(zhàn)略高度。

美國(guó)能源部2020年底發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展計(jì)劃，從技術(shù)、開發(fā)、應(yīng)用等多個(gè)角度對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2050年氫能在美國(guó)能源消費(fèi)總量中的占比可達(dá)到14%。

歐盟則于2020年8月提出氫能發(fā)展戰(zhàn)略，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，計(jì)劃在2024/2030年前部署6/40GW以上的可再生能源電解水制氫設(shè)備，分別實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫量100/1000萬噸。

我國(guó)的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也將氫能和儲(chǔ)能列入前瞻謀劃的未來產(chǎn)業(yè)，未來將重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)展布局。

總體而言，可再生能源制氫是長(zhǎng)期可行的方向。而氫能源的不斷加速發(fā)展，將最終實(shí)現(xiàn)碳中和承擔(dān)起重要使命。

近20年來，由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對(duì)氫氣的需求量也在逐年的增加。尤其在鋼鐵領(lǐng)域氫氣替代傳統(tǒng)一氧化碳還原，這為減少碳排放又開拓了新的領(lǐng)域。

據(jù)美國(guó)氫氣協(xié)會(huì)分析，2007年全球年生產(chǎn)氫氣超過5000萬噸，氫能作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。現(xiàn)在，中國(guó)每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其他物質(zhì)一起用來制造氨水和化肥，同時(shí)也應(yīng)用到無人機(jī)及汽車加氫站、金屬冶金、汽油精煉工藝、多晶硅、黃金焊接、氣象氣球探測(cè)及農(nóng)業(yè)富氫水灌溉等等行業(yè)中。近年來，由于可再生能源成本的降低，為制取可再生能源氫原料，通過用風(fēng)能、光伏產(chǎn)生的電能來電解大規(guī)模生產(chǎn)氫氣提供了可能。一些部門，包括煉油廠、化學(xué)工業(yè)、運(yùn)輸和天然氣部門，正在探索將大量可再生氫納入其工藝，以減少CO2排放量。此外，水電解制氫技術(shù)還可以為不斷發(fā)展的電網(wǎng)提供負(fù)載調(diào)控、管理等服務(wù)以增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性。水電解制氫因碳足跡非常低，生產(chǎn)氫氣的潛力巨大。間歇性可再生電力的增加賦予了電力市場(chǎng)**的靈活性，并需要**的能量存儲(chǔ)。

作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產(chǎn)出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力、潮汐能、地?zé)崮?/a>、核燃料等均可直接生產(chǎn)電能。由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機(jī)等機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具就無法直接使用從發(fā)電廠輸出來的電能，只能采用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲(chǔ)量日益減少，終有**這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲(chǔ)量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)、在開發(fā)新的二次能源的同時(shí)人們期待的新的二次能源。

“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代即將到來。世界各國(guó)都在加快涉足氫能開發(fā)和利用。按照美國(guó)氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國(guó)將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。在這一階段氫能將最終取代石化能源成為市場(chǎng)上最廣泛使用的終端能源。我國(guó)有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源，通過電解水轉(zhuǎn)換成氫氣進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存、運(yùn)輸，有效的解決峰谷、傳輸和電網(wǎng)波動(dòng)問題，可能是**途徑之一。我國(guó)南部和西南地區(qū)勢(shì)能差大，水資源豐富，水電發(fā)達(dá)，在豐水期可用大量剩余電力通過電解水制取氫。

從排放來看，能源消費(fèi)中存在一部分能源利用形式難以被電力替代，而因此最終需要另外的能源形式實(shí)現(xiàn)碳中和。預(yù)計(jì)到2060年如果不考慮非電領(lǐng)域的能源突破，中國(guó)電氣化率在70%水平，則仍然有20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源需要完成脫碳。

目前化石能源仍是氫氣的主要來源，天然氣替代實(shí)現(xiàn)高碳到低碳。

在提供相同能量的情況下，天然氣相比石油和煤炭將減少33%和53%的碳排放；

天然氣可以帶來多少替代：預(yù)計(jì)到2030年，天然氣占比增長(zhǎng)6.9個(gè)百分點(diǎn)，天然氣消費(fèi)量約增加4000億立方米，可減少碳排放約3.7-8.4億噸；

2019年氫能源**寫入我國(guó)《政府工作報(bào)告》，氫能**納入中國(guó)能源體系之中。按照白皮書路線規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2050年氫能在中國(guó)能源體系中的占比約為10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過10萬億元，全國(guó)加氫站達(dá)到10000座以上，燃料電池汽車年產(chǎn)量達(dá)到520萬輛。

中國(guó)承諾到2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，減排任務(wù)艱巨。為此，未來我國(guó)將構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，顯著特征之一是大幅提高可再生能源在一次能源消耗中的占比。氫與電耦合是構(gòu)建我國(guó)現(xiàn)代能源體系的重要途徑。中國(guó)是全球**大可再生能源發(fā)電國(guó)，每年僅風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源棄電約 1000 億千瓦時(shí)，可用于電解水制氫約200萬噸，未來隨著可再生能源規(guī)模的不斷壯大，可再生能源制氫有望成為中國(guó)氫源供給的主要來源。

實(shí)現(xiàn)碳中和必須在非電領(lǐng)域推動(dòng)新的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，目前來看主要有三個(gè)解決方案，分別是氫能源、碳捕捉和生物質(zhì)。但是考慮到生物質(zhì)資源上的限制，以及碳捕捉對(duì)于政策要求，氫能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展，技術(shù)迭代上優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)，因此更有可能是最終解決方案。

目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。雖然通過碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放，但長(zhǎng)期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。

天然氣的過渡能力：中國(guó)天然氣供應(yīng)保障能力增強(qiáng)，未來要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)多元化、進(jìn)口多渠道的供應(yīng)格局。

四、綠氫的未來應(yīng)用領(lǐng)域的預(yù)測(cè)

4.1、綠氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

氫氣煉鋼還原氫氣回收再利用，氫能是解決煉鋼碳排放**方案。

鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要領(lǐng)域，特別是對(duì)于中國(guó)這個(gè)鋼鐵大國(guó)而言。目前鋼鐵工業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量的15%左右，是全國(guó)碳排放量**的制造行業(yè)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一噸鋼，如采用高爐工藝將排放出2.5噸的CO?；轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)噸鋼CO? 排放2.2噸；電爐工藝也要排放0.5噸的CO? 。

因此，面對(duì)當(dāng)今的碳排放，碳中和要求，對(duì)于正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵階段的鋼鐵工業(yè)來說，提高能源利用效率，采用低碳生產(chǎn)流程，****地實(shí)現(xiàn)能源回收利用，要2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，則鋼鐵行業(yè)是關(guān)鍵一環(huán)，更是節(jié)能減排的重中之重。

眾所周知，傳統(tǒng)的高爐煉鐵選用焦炭作為原料之一，通過焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需的熱量，并產(chǎn)生還原劑一氧化碳（CO）。在高溫下利用CO將鐵礦石中的氧制取出來，將鐵礦石還原得到生鐵，并產(chǎn)生大量的二氧化碳（CO?）氣體。之后再將生鐵進(jìn)一步冶煉成鋼。

在于鋼鐵領(lǐng)域，用氫氣替代傳統(tǒng)的CO還原劑。無CO? 氣體的產(chǎn)出，因此煉鐵過程綠色無污染。

在煉鐵的工藝路線中，將氫氣（H?）加入替代傳統(tǒng)CO。而氫氣的產(chǎn)出由水電解制氫提供（制氫的能源來源于可再生能源：太陽(yáng)能光伏、風(fēng)力發(fā)電），再加上對(duì)進(jìn)入爐中多余的還原氫氣回收再利用，以達(dá)到減少CO?排放之目的。

傳統(tǒng)的CO還原：

Fe?O? + 3CO = 2Fe + 3CO?；

2CO + O?= 2CO?

有大量的CO?產(chǎn)生。

加H?還原：

Fe2O? + 3H? = 2Fe + 3H?O；

2H? + O? = 2H2O

無CO? 產(chǎn)生，只有水產(chǎn)出。

從中可以看出：

1、用氫氣替代一氧化碳，無二氧化碳排出；

2、氫源：參與的氫氣由可再生能源（如風(fēng)能或太陽(yáng)能）產(chǎn)出的綠氫；或者水煤氣制氫、天然氣制氫均可；

3、將爐中參與還原多余的氫氣，進(jìn)行回收再利用；

4、用氫氣領(lǐng)域成熟的氫氣回收技術(shù)，將未有參與還原的多余氫氣，先進(jìn)行淋洗處理，然后再加壓，進(jìn)行干燥（兩塔或者三塔）處理，與氫源的氫氣一并加入煉鐵工藝路線中。

4.2 綠氫與電耦合

氫與電耦合是構(gòu)建我國(guó)現(xiàn)代能源體系的重要途徑。中國(guó)是全球**大可再生能源發(fā)電國(guó)，每年僅風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源棄電約 1000 億千瓦時(shí)，可用于電解水制氫約200萬噸，未來隨著可再生能源規(guī)模的不斷壯大，可再生能源制氫有望成為中國(guó)氫源供給的主要來源。

4.3、預(yù)測(cè)綠氫未來的發(fā)展

4.3.1、應(yīng)用初期，平價(jià)起點(diǎn)

在這一階段，燃料電池技術(shù)應(yīng)用得到提速，從終端應(yīng)用層面帶來規(guī)模化與成本下降，同時(shí)推動(dòng)能源供給端的運(yùn)輸與加注成本受益規(guī)模化與環(huán)節(jié)效率提升得到快速下降，帶來供給與應(yīng)用環(huán)節(jié)并行的降本。

從氫能源角度，目前天然氣/煤氣重整+碳捕捉制氫短期內(nèi)成本優(yōu)于可再生能源電解水制氫，成本的制約主要來源于運(yùn)輸與加注環(huán)節(jié)，其中運(yùn)輸受限于高壓IV型瓶應(yīng)用、液氫運(yùn)輸、管路運(yùn)輸?shù)牟煌晟贫斐伞Ｈ绻陲L(fēng)能、光伏之地的綠氫有管路的輸送，則低價(jià)綠氫就有望大規(guī)模得以應(yīng)用。從而也促進(jìn)燃料電池終端應(yīng)用。

4.3.2、步入平價(jià)

預(yù)測(cè)到2031-2050年隨著應(yīng)用領(lǐng)域拓寬，供給與應(yīng)用規(guī)模大幅提升。

在這一階段，氫能源的成本受益于富電區(qū)域新能源發(fā)電的低電價(jià)，與逐步完備的中長(zhǎng)距離運(yùn)輸/管路，使得加氫成本逐步下降至近20元/kg。同時(shí)新能源電解水制氫也將逐步成為氫能供給的主流模式。對(duì)于燃料電池車輛，當(dāng)不考慮柴油針對(duì)碳排成本上升時(shí)，氫成本下降至20元/kg可直接與柴油平價(jià)。此外，此階段的非交通領(lǐng)域用氫的價(jià)格已逐步下降至18-20元/kg（即不考慮加氫站的加注成本），在工業(yè)與家庭供暖領(lǐng)域已逐步具備一定經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)，通過初期與天然氣的混合使用，以及伴隨氫價(jià)格的進(jìn)一步下降，在供暖領(lǐng)域（在我國(guó)北方，天然氣供暖已替代傳統(tǒng)燃煤取暖），氫能也將逐步提升應(yīng)用滲透率。

4.3.3、步入平價(jià)

到2051-2060年綠氫的全面平價(jià)，碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)其余非電領(lǐng)域滲透率全面提升。

此階段受益于新能源發(fā)電成本進(jìn)一步下降，在儲(chǔ)運(yùn)規(guī)模的大幅提升下應(yīng)用環(huán)節(jié)成本的進(jìn)一步下降，氫加注成本將下降至20元/kg以下，非交通領(lǐng)域氫應(yīng)用成本將下降至15元/kg以下。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷嫱卣怪凉峁┡⒋暗确请婎I(lǐng)域，補(bǔ)足非電領(lǐng)域碳中和的拼圖。

4.3.4、綠氫的使用促進(jìn)了電力市場(chǎng)的總體成本降低，也大大降低了碳排放

除了新能源整體發(fā)電成本的降低，未來電力市場(chǎng)中的峰谷價(jià)差也將持續(xù)拉大，電解水制氫將有更多可利用的低電價(jià)時(shí)段。隨著新能源發(fā)電占比的上升，未來電力供給的不穩(wěn)定性將持續(xù)上升，電力市場(chǎng)中價(jià)格的波動(dòng)范圍也將擴(kuò)大。

對(duì)于氫儲(chǔ)能而言，季節(jié)性的電價(jià)波動(dòng)將帶來潛在的跨期套利空間，長(zhǎng)期來看可再生能源制氫的經(jīng)濟(jì)性存在較大的提升空間。

未來風(fēng)電與光伏的棄電將成為電解水制氫重要的電力來源。在以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)中，為了保證穩(wěn)定的電力供應(yīng)，裝機(jī)的冗余程度將明顯加大，因此長(zhǎng)期來看棄風(fēng)、棄光電量將不可避免地上升。

今后棄風(fēng)棄光電量的消納將成為氫儲(chǔ)能的重要應(yīng)用場(chǎng)景，這部分零成本甚至負(fù)成本的電量可作為電解水制氫的重要電力來源。

在電力行業(yè)領(lǐng)域，目前我國(guó)每發(fā)一度電要排放二氧化碳0.8—0.9公斤，如果每度電的耗煤量降低1克，全國(guó)每年就可減排二氧化碳750萬噸。因此，應(yīng)集中精力加快技術(shù)改造，推進(jìn)火電減排，實(shí)施“綠色煤電”計(jì)劃。這將主要依靠開發(fā)煤清潔轉(zhuǎn)化高效利用技術(shù)和提高燃煤發(fā)電效率實(shí)現(xiàn)，其中提高燃煤發(fā)電效率能實(shí)現(xiàn)15%的減排。目前具有發(fā)展前途的高效、潔凈的煤發(fā)電技術(shù)，主要涉及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGC C )、循環(huán)流化床燃燒(CFBC)等技術(shù)。

4.3.5、電解水制氫設(shè)備存在較大降本空間

堿性水電解與質(zhì)子交換膜水電解是當(dāng)前主流的電解水制氫方式。目前堿性水電解與PEM的產(chǎn)業(yè)化程度相對(duì)較高，前者的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)成熟、成本低，但快速啟動(dòng)與變載能力相對(duì)較差；后者的優(yōu)勢(shì)在于效率高，運(yùn)行靈活，與風(fēng)電、光伏的適配性**，但當(dāng)前的成本仍然較高。

電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心部分。電解水制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應(yīng)發(fā)生的主要場(chǎng)所。

從成本構(gòu)成來看，電解槽在制氫系統(tǒng)總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及氫氣收集系統(tǒng)也在總成本中占據(jù)較高的比例。

通過材料與設(shè)計(jì)的優(yōu)化，未來電解槽的成本與性能有較大提升空間。目前堿性水電解槽的技術(shù)已較為成熟，主要成本為隔膜與電極（鍍鎳不銹鋼），后續(xù)主要的降本路徑為開發(fā)厚度更薄、電導(dǎo)率**的新型隔膜（譬如現(xiàn)在已經(jīng)普遍使用替代傳統(tǒng)石棉的隔膜聚苯硫醚PPS），與此同時(shí)提升電極與催化劑在堿性環(huán)境中的壽命及成本。

2050年堿性水電解槽與PEM電解槽的成本有望達(dá)到100美元/kW以下，較當(dāng)前水平下降60%以上。

電解槽總體成本的降低，又大大促進(jìn)了綠氫的產(chǎn)出。

除了技術(shù)層面的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)化程度的提升也將對(duì)電解水制氫系統(tǒng)成本的降低產(chǎn)生積極貢獻(xiàn)。一方面，隨著設(shè)備單體規(guī)模的擴(kuò)大，電力轉(zhuǎn)換、氣體處理等模塊的單位成本將被攤薄；另一方面，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大也將降低單臺(tái)設(shè)備分?jǐn)偟闹圃熨M(fèi)用，兩者相輔相成。

4.3.6、建筑領(lǐng)域的減排

在建筑領(lǐng)域，目前城市碳排放的60%來源于建筑維持功能本身，構(gòu)建綠色建筑技術(shù)體系、發(fā)展低碳建筑極其重要，其關(guān)鍵是建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造、使用、運(yùn)行、維護(hù)、拆除和重新利用全過程的低碳控制優(yōu)化。如在建造環(huán)節(jié)，可利用屋頂光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自然光和燈光照明有效整合，可通過建造無動(dòng)力屋頂通風(fēng)設(shè)備，調(diào)節(jié)風(fēng)流風(fēng)速并帶動(dòng)風(fēng)機(jī)發(fā)電；在使用環(huán)節(jié)，可通過種植屋頂花草建造“綠色屋頂”，不僅可達(dá)到降溫效果節(jié)省空調(diào)電力，還能吸收大氣污染物；在拆除環(huán)節(jié)，可通過有效回收利用建筑廢棄物，防止發(fā)生二次污染。

參照光伏、鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷程，隨著規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化程度的提升，電解水制氫設(shè)備的平均成本有望進(jìn)入快速下降通道。

五、結(jié)語

回顧人類發(fā)展歷史，人們可以發(fā)現(xiàn)每一次能源技術(shù)創(chuàng)新和突破都給生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)帶來重大而深遠(yuǎn)的變革。就現(xiàn)在我們賴以生存的能源體系中，80%都依靠石燃料煤和石油及天然氣均屬于不可再生資源，地球上存量有限。而綠氫的制取，從最早的示范工程，通常所配的水電解制氫設(shè)備也只有60Nm3/h以下。到現(xiàn)今1000Nm3/h以上的量級(jí)的具體應(yīng)用，與之配套的風(fēng)能、光伏發(fā)電的日趨成熟和成本的不斷下降，再加之今后將再生能源生產(chǎn)的，體量又極為豐富的新含能體能源——綠氫。通過輸送管道替代傳統(tǒng)的儲(chǔ)運(yùn)。不僅符合目前人類所倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟(jì)，而且更滿足“碳達(dá)峰”、“碳中和”的促進(jìn)要求，新能源的廣泛利用和實(shí)施,是人類夢(mèng)寐以求的。低碳經(jīng)濟(jì)模式被人類所接受,它們決定著人類的未來。也可減緩日益加速變暖的全球氣候。以上這些為綠氫的應(yīng)用提供了廣泛可行的前景，在人類不斷開拓和認(rèn)知新能源的同時(shí),我們相信氫能，尤其是綠氫這個(gè)備受關(guān)注發(fā)展迅猛日新月異的領(lǐng)域,定會(huì)造福與我們?nèi)祟悺Ｎ覀兿嘈牛?1世紀(jì)綠氫時(shí)代與我們漸行漸近！

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