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1. 氫能的定義

1.1 氫能的優(yōu)勢

氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源。能幫助可再生能源大規(guī)模消納，實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模調(diào)峰和跨季節(jié)、跨地域儲能，加速推進工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的低碳化。氫氣的制取方式多樣，產(chǎn)物無污染；氫能作為能量的主要利用方式是燃料電池，通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化過程不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率很高；此外，氫能可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域。

1.2 氫氣的性質(zhì)

氫氣制備的歷史。氫氣最早記載于十六世紀(jì)，瑞士煉金術(shù)士 Paracelsus 發(fā)現(xiàn)鐵同酸作用所產(chǎn)生的“空氣”是可燃的。1766 年，英國化學(xué)家 Cavendish 第一次分離得到純凈的氫氣，并通過實驗證明了氫氣同其他可燃性氣體的區(qū)別。1784 年，Cavendish 又通過實驗證明氫氣在氧氣中燃燒生成水，隨后用電流把水分解成氫和氧。1783 年，法國化學(xué)家 Lavoisier 將它命名為 Hydrogen。Lavoisier 是通過水蒸氣對赤熱鐵的作用而制得氫的。

氫元素分布廣泛。氫元素在地殼中的豐度較高，為 0.14%。在宇宙中氫是最富饒的一種元素，并且是星球中一切聚變過程的根源?；蠎B(tài)氫最常見形式是水和有機物(石油和煤炭、天然氣、生命體等)。較少情況下，存在為同氮、硫或鹵素的化合物（火山氣和礦泉水）。

氫單質(zhì)分布稀少。自由態(tài)的氫氣單質(zhì)較為稀少，在大氣中僅約占 107 分之一。
常存在于火山氣中，有時夾藏在礦物中，有時出現(xiàn)在天然氣中和少數(shù)某些絕氧發(fā)酵過程中。由于氫氣在空氣中的擴散系數(shù)為 0.61cm2/s（約為甲烷的 4 倍），所以氫氣會很快地從大氣圈中逃逸到外層空間。

氫氣的物理性質(zhì)。天然界存在的氫主要是最輕的同位素 1H。單質(zhì)氫是由兩個氫原子以共價鍵的形式結(jié)合而成的雙原子分子。氫氣是一種無色無味無嗅的氣體，在通常況下密度為 0.08988g/L，約為空氣密度的十三分之一。用液態(tài)空氣對氫氣進行冷凍，或?qū)⒏邏簹錃馔ㄟ^絕熱膨脹，都可以將氫氣液化。在減壓下令液氫蒸發(fā)，可以將氫凍結(jié)成固體。氫氣在常見溶劑中的溶解度很低。

氫氣的化學(xué)性質(zhì)。由于組成氫氣的兩個氫原子之間存在較強的共價鍵，氫氣在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。1）氫氣具有可燃性。在點燃或加熱的條件下，氫氣很容易和多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。純凈的氫氣在點燃時，可安靜燃燒，發(fā)出淡藍色火焰，放出熱量，有水生成。2）氫氣具有還原性。氫氣的化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧發(fā)生化合反應(yīng)生成水，容易發(fā)生燃燒和爆炸。3）氫氣具有氧化性。氫氣是由氫原子共價形成的雙原子分子，而每個氫原子可以分別獲得一個電子形成負(fù)氫離子，這種情況見于和強還原性金屬發(fā)生反應(yīng)。

在工業(yè)上利用氫的化學(xué)性質(zhì)制備氫氣。這些方法大致可以分為三大類：質(zhì)子性溶劑的還原反應(yīng)(金屬同水或酸的作用，碳同水蒸氣的作用等)；氫化物或絡(luò)合氫化物的氧化反應(yīng)；含氫化合物的分解反應(yīng)(如烴類和水的分解)。

2. 氫能的分類

2.1 基于主要制氫工藝和碳排放情況劃分

氫氣很難從自然界中直接大量獲取，需要依靠不同的技術(shù)路徑和生產(chǎn)工藝進行制備。目前，主要制氫路徑包括化石能源重整、工業(yè)副產(chǎn)提純和電解水制氫。根據(jù)生產(chǎn)來源和碳排放量的不同，氫氣可以分為灰氫、藍氫、綠氫三種類型。

灰氫是指通過化石重整（煤、天然氣）、工業(yè)副產(chǎn)（焦?fàn)t煤氣、化肥工業(yè)、氯堿、輕烴利用等）等生產(chǎn)的氫氣。取自化石燃料的氫，如來源于煤炭和天然氣的氫，排放相對較高，但成本更低?；覛涫钱?dāng)前的主流氫氣，約占全球氫氣產(chǎn)量的95%。灰氫主要應(yīng)用于內(nèi)部需求，即直接用于氫氣生產(chǎn)站點。

藍氫是在灰氫的基礎(chǔ)上，將二氧化碳副產(chǎn)品捕獲、利用和封存（CCS）而制取的氫氣，是灰氫過渡到綠氫的重要階段。

綠氫是利用可再生能源（如太陽能或風(fēng)能等）發(fā)電后，通過電解工序制取的氫氣。綠氫的制取技術(shù)路線主要為電解水，其碳排放可以達到凈零。

此外，國外還將核能制氫稱為粉氫。粉氫是以來源豐富的水為原料，利用核能大規(guī)模生產(chǎn)的氫氣。熱化學(xué)循環(huán)工藝和高溫蒸汽電解都是有望與核能耦合的先進制氫工藝。

3. 氫能的市場

3.1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈氫氣的制取主要有化石能源重整、工業(yè)副產(chǎn)提純和電解水制氫三種方式。氫氣作為化工生產(chǎn)的原料和中間產(chǎn)品，通常會通過化石能源重整制氫，工業(yè)副產(chǎn)提純制氫等方式進行制取。相比上述兩種方式，電解水制氫的原料和生產(chǎn)過程都以清潔能源為主，應(yīng)當(dāng)作為大力發(fā)展的最重要的制氫技術(shù)路線。目前，電解水制氫技術(shù)成熟度較低、產(chǎn)業(yè)尚未完全規(guī)?；?，成本遠(yuǎn)高于其他幾種氫能生產(chǎn)方式。

1）化石能源重整制氫。煤制氫歷史悠久，通過氣化技術(shù)將煤炭轉(zhuǎn)化為合成氣，再經(jīng)水煤氣變換分離處理以提取高純度的氫氣，是制備合成氨、甲醇、液體燃料、天然氣等多種產(chǎn)品的原料，廣泛應(yīng)用于煤化工、石化、鋼鐵等領(lǐng)域。煤制氫技術(shù)路線成熟高效，可大規(guī)模穩(wěn)定制備，是當(dāng)前成本最低的制氫方式。

天然氣制氫技術(shù)中，蒸汽重整制氫較為成熟，也是國外主流制氫方式。天然氣制氫工藝的原理就是先對天然氣進行預(yù)處理，然后在轉(zhuǎn)化爐中將甲烷和水蒸汽轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣等，余熱回收后，在變換塔中將一氧化碳變換成二氧化碳和氫氣的過程。

為控制氫氣制取環(huán)節(jié)的碳排放，化石能源重整制氫需結(jié)合碳捕集與封存(CCUS)技術(shù)。CCUS 是一項有望實現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的新技術(shù)。

2）工業(yè)副產(chǎn)提純制氫。以焦?fàn)t煤氣、輕烴裂解副產(chǎn)氫氣和氯堿化工尾氣等為主的工業(yè)副產(chǎn)氫由于產(chǎn)量相對較大且相對穩(wěn)定，也成為現(xiàn)階段氫氣的供給來源之一。工業(yè)副產(chǎn)氫氣主要分布在鋼鐵、化工等行業(yè)，提純利用其中的氫氣，既能提高資源利用效率和經(jīng)濟效益，又可降低大氣污染，改善環(huán)境。

焦?fàn)t煤氣。據(jù)中國氫能聯(lián)盟，每噸焦炭可產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣約 350-450 立方米，焦?fàn)t煤氣中氫氣含量約占 54%-59%。除用于回爐助燃、城市煤氣、發(fā)電和化工生產(chǎn)外，剩余部分可采用變壓吸附（PSA）提純技術(shù)制取高純氫。氯堿化工尾氣。大型氯堿裝置多數(shù)配套鹽酸和聚氯乙烯等生產(chǎn)裝置，以平衡氯氣并回收（60%左右的副產(chǎn)氫氣可以得到回收）。此外，甲醇及合成氨工業(yè)、丙烷脫氫 (PDH) 項目的合成氣含氫量在 60%-95%之間，可通過純化技術(shù)制取滿足燃料電池應(yīng)用的氫氣。

工業(yè)副產(chǎn)提純制氫可提供百萬噸級氫氣供應(yīng)，能為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期就近提供低成本、分布式氫源。但該路線同樣面臨碳捕捉封存問題，從中長期來看，鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域需要引入無碳制氫技術(shù)替代化石能源實現(xiàn)深度脫碳，將從氫氣供給方轉(zhuǎn)變?yōu)樾枨蠓健?/p>

3）電解水制氫技術(shù)。目前，電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解槽（AE）、質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM） 和固體氧化物水電解槽（SOEC）。其中，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)成本較低。質(zhì)子交換膜電解槽流程簡單，能效較高，但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高。固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，能效最高，但尚處于實驗室研發(fā)階段。

未來，可再生能源發(fā)電制氫的潛力很大。一方面作為全周期零碳排放技術(shù)，隨著可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，電解水制氫成本將持續(xù)下降。另一方面當(dāng)波動性可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占到較高比重時，單純依靠短周期儲能將無法滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要。

氫的儲存主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫三種方式。高壓氣態(tài)儲氫已得到廣泛應(yīng)用，低溫液態(tài)儲氫在航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用，有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫尚處于示范階段。

氣態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，是現(xiàn)階段主要的儲氫方式，分為高壓氫瓶和高壓容器兩大類。其中鋼質(zhì)氫瓶和鋼質(zhì)壓力容器技術(shù)最為成熟，成本較低。

液態(tài)儲氫。液態(tài)儲氫具有儲氫密度高等優(yōu)勢，可分為低溫液態(tài)儲氫和有機液體儲氫。低溫液態(tài)儲氫將氫氣冷卻至-253℃，液化儲存于低溫絕熱液氫罐中，液化過程耗能大、易揮發(fā)、成本高、對隔熱裝置要求苛刻。有機液體儲氫，利用某些不飽和有機物與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實現(xiàn)氫的儲存。有機液態(tài)儲氫安全性高，但存在著反應(yīng)溫度較高、脫氫效率較低、催化劑易被中間產(chǎn)物毒化等問題。

固體儲氫。固態(tài)儲氫是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學(xué)吸附和物理吸附的方式實現(xiàn)氫的存儲。固態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲氫壓力低安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢，其體積儲氫密度高于液氫。但存在著吸放氫溫度偏高循環(huán)性能較差等問題。

氫的輸運方式主要有氣態(tài)輸運、液態(tài)輸運和固體輸運三種方式。目前，我國氫
能示范應(yīng)用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫產(chǎn)地附近布局，氫能儲運以高壓
氣態(tài)方式為主。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計，至 2030 年，車載儲氫將以氣態(tài)、低溫液態(tài)為
主，多種儲氫技術(shù)相互協(xié)同，氫的輸運將以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運相結(jié)合。至
2050 年氫氣管網(wǎng)將密布于城市、鄉(xiāng)村，車載儲氫將采用更高儲氫密度、更高安全性
的儲氫技術(shù)。

氣態(tài)運輸。高壓氣態(tài)輸運可分為長管拖車和管道輸運 2 種方式。高壓長管拖車
是氫氣近距離輸運的重要方式，技術(shù)較為成熟。管道輸運是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距
離運輸?shù)闹匾绞?，?jù)中國氫能聯(lián)盟，管道運行壓力一般為 1.0 至 4.0MPa，具有輸
氫量大、能耗小和成本低等優(yōu)勢，但建造管道一次性投資較大。在初期可積極探索
摻氫天然氣方式，以充分利用現(xiàn)有管道設(shè)施。

液態(tài)輸運。液氫輸運通常適用于距離較遠(yuǎn)、運輸量較大的場合。據(jù)中國氫能聯(lián)
盟，其中，液氫罐車可運 7 噸氫，鐵路液氫罐車可運 8.4 至 14 噸氫，專用液氫駁船
的運量則可達 70 噸。采用液氫儲運能夠減少車輛運輸頻次，提高加氫站單站供應(yīng)能
力。目前，我國尚無民用液氫輸運案例。

固態(tài)輸運。輕質(zhì)儲氫材料（如鎂基儲氫材料）兼具高的體積儲氫密度和重量儲
氫率作為運氫裝置具有較大潛力。將低壓高密度固態(tài)儲罐僅作為隨車輸氫容器使
用，加熱介質(zhì)和裝置固定放置于充氫和用氫現(xiàn)場，可以同步實現(xiàn)氫的快速充裝及其
高密度高安全輸運，提高單車運氫量和運氫安全性。

氫的主要用途包括燃料用氫、原料用氫、儲能用氫三類。氫能可以在多個生產(chǎn)和消費環(huán)節(jié)作為替代能源進行使用，在重工業(yè)、交通、建筑、電力行業(yè)中均有不同的應(yīng)用場景，其中最主要的用途包括燃料用氫、原料用氫、以及儲能用氫三類。

燃料用氫。主要場景包含重型道路交通、船運、航空、發(fā)電等領(lǐng)域。氫氣易燃且熱值高，燃燒產(chǎn)物僅為水，不排放二氧化碳等溫室氣體，與傳統(tǒng)的化石燃料（石油、天然氣、煤炭）相比，氫是終端零排放的清潔能源，可作為供熱或供電的燃料。目前燃料用氫的應(yīng)用在全球范圍內(nèi)尚為有限，主要限制因素是燃?xì)漭啓C等設(shè)備設(shè)施的技術(shù)成熟度低、經(jīng)濟性不高，相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施和政策標(biāo)準(zhǔn)尚不完善。

原料用氫。主要場景包含鋼鐵、化工等領(lǐng)域。氫氣是重要的工業(yè)氣體，氫元素的強還原性被用于多種化學(xué)反應(yīng)，是眾多化合物的基礎(chǔ)元素之一。化工行業(yè)需要用氫制備甲醇、合成氨等多種產(chǎn)品，冶鐵需要利用氫氣作為還原劑，多種高端材料的制造在生產(chǎn)流程中均需要使用氫氣進行加工。

儲能用氫。主要場景包含電力儲能領(lǐng)域。作為儲能的一種形式，在一定的環(huán)境條件和容器中儲存液態(tài)氫或氣態(tài)氫，或?qū)滢D(zhuǎn)換為化合物（如合成氨），增強氫能用于燃料/原料的靈活性。

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