摘　要 全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期。為給我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型和“ 能源自主”戰(zhàn)略目標(biāo)提供參考，綜述了國(guó)內(nèi)外氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，探討了人工制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展途徑，明確了氫工業(yè)的戰(zhàn)略地位。研究結(jié)果表明：①發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略選擇，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)“能源自主”的戰(zhàn)略中占有重要地位;②全球氫工業(yè)發(fā)展初具規(guī)模，人工制氫仍主要依靠化石資源，煤炭地下氣化制氫符合我國(guó)的國(guó)情，具有較大的發(fā)展?jié)摿?③與氫工業(yè)相結(jié)合的新能源，將是未來能源消費(fèi)的主體;④電解水制氫將貫穿于氫工業(yè)發(fā)展的全過程;⑤安全、高效儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是氫能實(shí)用化的關(guān)鍵，液態(tài)儲(chǔ)氫將是未來主要的儲(chǔ)氫方式。結(jié)論和建議：①氫工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)處于起步階段，但發(fā)展迅速;②我國(guó)發(fā)展氫工業(yè)，近期應(yīng)在煤炭地下氣化制氫方面取得突破，初步形成產(chǎn)業(yè)鏈;③中期促使氫工業(yè)成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分;④遠(yuǎn)期力推氫能成為我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“氫能中國(guó)”，依靠新能源等實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”。

關(guān)鍵詞 中國(guó)　新能源　人工制氫　氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈　氫能　清潔高效　能源體系轉(zhuǎn)型　能源自主　氫能中國(guó)

引言

全球正經(jīng)歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉(zhuǎn)換期[1]。2017年我國(guó)能源生產(chǎn)量為25×108 t 油當(dāng)量，消費(fèi)量達(dá)31×108 t 油當(dāng)量，整個(gè)能源需要進(jìn)口20%，尤其是石油進(jìn)口量為4×108 t，其對(duì)外依存度達(dá)到70%，對(duì)能源安全造成不利影響。為給我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型和“能源自主”戰(zhàn)略目標(biāo)提供參考，綜述了國(guó)內(nèi)外氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，探討了人工制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展途徑，明確了氫工業(yè)的戰(zhàn)略地位。

氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫。工業(yè)氫氣是指通過一定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等[2]。氫能作為氫的化學(xué)能表現(xiàn)為物理與化學(xué)變化過程中釋放出能量，是具有二次能源屬性的一種重要的能源類型。這種大規(guī)模人工制氫并利用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)和下游應(yīng)用。氫工業(yè)體系中各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)即為氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括氫工業(yè)價(jià)值鏈、氫工業(yè)企業(yè)鏈、氫工業(yè)供需鏈和氫工業(yè)空間鏈。

為了更好地閱讀和理解本文的內(nèi)容，筆者建議首先界定和明確上述5 個(gè)基本概念(工業(yè)氫氣、人工制氫、氫能、氫工業(yè)、氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈)，并由此建立氫工業(yè)概念體系。儲(chǔ)氫是實(shí)現(xiàn)氫能有效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫、微球儲(chǔ)氫和碳納米材料儲(chǔ)氫等。基于大規(guī)模低成本制氫和高密度儲(chǔ)氫，以燃料電池為關(guān)聯(lián)的氫工業(yè)應(yīng)用將推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和新能源汽車、分布式供能等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而改變能源結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從能源供給端到消費(fèi)端的全產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)變。

1　氫工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著氫能應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，以及全球應(yīng)對(duì)氣候變化的壓力持續(xù)增大，促使我們積極布局、發(fā)力推動(dòng)氫工業(yè)的發(fā)展。

1.1　全球氫工業(yè)初具規(guī)模

全球氫工業(yè)發(fā)展迅猛，市場(chǎng)規(guī)模從2011 年的1 870.82 億美元增長(zhǎng)到2017 年的2 514.93 億美元，增速達(dá)34.4%(圖1)。其中，美國(guó)是工業(yè)氫氣最大的進(jìn)口國(guó)，2012—2016 年進(jìn)口總額達(dá)2.48 億美元，而荷蘭則是工業(yè)氫氣最大的出口國(guó)，2012—2016 年出口總額達(dá)3.42 億美元。

人類社會(huì)已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命，從本世紀(jì)中葉起，伴隨著第四次工業(yè)革命，全球向新能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)開始。縱觀能源發(fā)展史，三大能源升級(jí)換代體現(xiàn)了“三大經(jīng)濟(jì)”形態(tài)。瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)促使木柴向煤炭的第一次重大轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)為“高碳經(jīng)濟(jì)”;戴姆勒發(fā)明內(nèi)燃機(jī)，完成煤炭向油氣的第二次重大轉(zhuǎn)換，呈現(xiàn)出“低碳經(jīng)濟(jì)”;現(xiàn)代科技進(jìn)步與當(dāng)今環(huán)保要求推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源向氫能等非化石新能源的第三次重大轉(zhuǎn)換，全球可能逐步邁入非碳的“氫能時(shí)代”[3-4]。

1.2　人工制氫主要依靠化石資源

全球工業(yè)氫氣市場(chǎng)具有較強(qiáng)的地域性，已形成亞太、北美、歐洲三大區(qū)域版圖。化石資源是當(dāng)前主要的制氫原料，其中煤氣化制氫發(fā)展?jié)摿薮骩5]。

1.2.1　工業(yè)氫氣生產(chǎn)具有區(qū)域性

亞太地區(qū)工業(yè)氫氣生產(chǎn)量居全球首位，北美地區(qū)緊隨其后(圖4)。2017 年亞太地區(qū)工業(yè)氫氣的生產(chǎn)規(guī)模為1 071.36 億美元，北美為555.80 億美元，而歐洲則為517.57 億美元。中國(guó)和印度等亞太發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，由此帶來了亞太地區(qū)對(duì)氫能等清潔能源的強(qiáng)勁需求。

中國(guó)工業(yè)氫氣的需求量和生產(chǎn)量旺盛，呈逐年上升的態(tài)勢(shì)，目前保持著供需平衡的狀態(tài)，需求量和產(chǎn)量均居世界首位。作為全球氫能利用的大國(guó)，中國(guó)自2009 年產(chǎn)量首次突破1 000×104 t 以來，已經(jīng)連續(xù)9 年保持世界第一(圖5)。

1.2.2　化石資源制氫居主導(dǎo)地位

當(dāng)前，人工制氫的原料主要以石油、天然氣、煤炭等化石資源為主，較之于其他的制氫方法，化石資源制氫工藝成熟，原料價(jià)格相對(duì)低廉，但會(huì)排放大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成污染。

2017 年，全球主要人工制氫原料的96% 以上都來源于傳統(tǒng)化石資源的熱化學(xué)重整，僅有4% 左右來源于電解水(圖6)。煤炭和天然氣是我國(guó)人工制氫的主要原料，占比分別為62% 和19%(圖7)。電解水制氫在日本氫工業(yè)中占有特殊的地位，其鹽水電解制氫的產(chǎn)能占該國(guó)所有人工制氫總產(chǎn)能的63%。

1.2.3　煤氣化制氫發(fā)展?jié)摿Υ?/p>

煤的氣化是指煤在高溫常壓或加壓條件下，與氣化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氣體產(chǎn)物。隨著煤制合成氣、煤制油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤制氫產(chǎn)量逐年增多，其規(guī)模較大、成本較低，制氫成本約20元/kg。此外，化工產(chǎn)品(包括合成氨、甲醇等)生產(chǎn)過程中，從含氫弛放氣中回收純度大于99% 工業(yè)氫氣的裝置也日趨成熟與增多。

煤炭地下氣化制氫發(fā)展?jié)摿艽螅彩敲禾壳鍧嵒D(zhuǎn)型利用的有效途徑。煤炭地下氣化制氫技術(shù)具有資源利用率高、地表環(huán)境破壞少等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)“富煤但油氣不足”的資源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但該項(xiàng)技術(shù)目前仍然處于探索階段，離商業(yè)化利用還有不短的距離。

1.3　高效儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn)

安全、高效的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化的關(guān)鍵[6-7]。氫能的存儲(chǔ)方式主要包括低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等，不同的儲(chǔ)氫方式具有不同的儲(chǔ)氫密度，其中氣態(tài)儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最小，金屬氫化物儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度最大(圖8)。

1.3.1　低溫液態(tài)儲(chǔ)氫成本高

工業(yè)氫氣的規(guī)模化廉價(jià)生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫能實(shí)用化利用的基礎(chǔ)。氣態(tài)氫在-253 ℃時(shí)為液體，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的845 倍。液氫存儲(chǔ)的重量比介于5.0% ～ 7.5%，體積容量約為0.04 kg H2/L。氫氣液化費(fèi)用昂貴，耗能較高(4 ～ 10 kWh/kg)，約占液氫制取成本的三分之一。液氫貯存容器需要具有極高的絕熱能力，以避免液氫沸騰汽化。

當(dāng)前，液態(tài)氫主要作為航天火箭推進(jìn)器燃料，其儲(chǔ)罐和拖車已在我國(guó)航天等領(lǐng)域應(yīng)用。隨著人類太空計(jì)劃的發(fā)展，液態(tài)氫貯存容器正趨于大型化，目前已能建造貯存量超過1 000 m3 的大型液氫絕熱貯槽。

1.3.2　高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用、最成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，其儲(chǔ)存方式是將工業(yè)氫氣壓縮到耐高壓容器中[8]。高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)存裝置主要有固定儲(chǔ)氫罐、長(zhǎng)管氣瓶、長(zhǎng)管管束、鋼瓶組和車載儲(chǔ)氫氣瓶等。鋼瓶是最常用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著安全性能較差和體積比容量低等不足。目前國(guó)內(nèi)已建和在建的加氫站一般都采用的是長(zhǎng)管氣瓶組儲(chǔ)氫設(shè)備。

1.3.3　固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)尚不成熟

固態(tài)儲(chǔ)氫方式是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式，能有效克服高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲(chǔ)氫方式的不足，具有儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)合，如氫能燃料電池汽車。固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)可分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫。前者可細(xì)分為金屬有機(jī)框架(MOFs)和納米結(jié)構(gòu)碳材料;后者可細(xì)分為鈦系、鎂系、鋯系和稀土等金屬氫化物，以及硼氫化物和有機(jī)氫化物等非金屬氫化物。

金屬氫化物儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫密度高、純度高、可靠性高(無需高壓或低溫條件)和儲(chǔ)氫工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，主要原理是選擇合適的金屬氫化物，在低壓條件下使氫與另一種物質(zhì)(儲(chǔ)氫合金)結(jié)合成準(zhǔn)化合物態(tài)。目前，金屬氫化物儲(chǔ)氫仍處于研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，主要受到以下因素的制約：①儲(chǔ)氫合金價(jià)格昂貴;②結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于儲(chǔ)氫過程中會(huì)釋放大量的熱，因而儲(chǔ)存器內(nèi)必須增加換熱設(shè)備;③氫化物自身穩(wěn)定性差，易形成有害雜質(zhì)組分，多次使用之后，性能明顯下降;④儲(chǔ)氫質(zhì)量比較低，若以質(zhì)量計(jì)，僅能儲(chǔ)存2% ～ 4% 的工業(yè)氫氣。

1.3.4　有機(jī)液體儲(chǔ)氫備受關(guān)注

有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)是通過不飽和液體有機(jī)物的可逆加氫和脫氫反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫的。這種儲(chǔ)氫方法具有高質(zhì)量、高體積儲(chǔ)氫密度，安全、易于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)仍處于研發(fā)階段，尚存在著技術(shù)要求苛刻、成本昂貴、脫氫效率低且易結(jié)焦失活等缺點(diǎn)。催化加氫和脫氫裝置設(shè)備成本較高，脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下完成，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低且易發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致氫氣產(chǎn)物不純。此外，在高溫條件下，容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致結(jié)焦失活。

1.4　氫工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施

工業(yè)氫氣輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主，長(zhǎng)輸管道需開展管線鋼與高壓氫的相容性等基礎(chǔ)研究，并創(chuàng)新管道運(yùn)營(yíng)管理方式，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高壓力、大規(guī)模輸氫管線建設(shè)。

1.4.1　管道輸氫處于起步階段

管道“摻氫”和“氫油同運(yùn)”技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)。全球管道輸氫起步較早，但發(fā)展緩慢。歐洲的長(zhǎng)距離管道輸氫已歷時(shí)80 余年，目前擁有總長(zhǎng)度約1 500 km 的輸氫管道，其中長(zhǎng)度接近400 km 的法國(guó)—比利時(shí)輸氫管道為目前世界最長(zhǎng)。美國(guó)現(xiàn)有輸氫管道的長(zhǎng)度為720 km，遠(yuǎn)低于其天然氣管道的長(zhǎng)度(近55×104 km)。我國(guó)已有多條輸氫管道在運(yùn)行，如中國(guó)石化洛陽煉化濟(jì)源—洛陽的氫氣輸送管道全長(zhǎng)為25 km，年輸氣量為10.04×104 t;烏海—銀川焦?fàn)t煤氣輸氣管線管道全長(zhǎng)為216.4 km，年輸氣量達(dá)16.1×108m3，主要用于輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣。

1.4.2　加氫站氫—油聯(lián)建

隨著氫工業(yè)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈正趨于不斷完善。目前，氫燃料汽車快速發(fā)展，工業(yè)氫氣需求量大增，加氫站建設(shè)也相應(yīng)提速。截至2017年底，全球共有328 座加氫站投入運(yùn)營(yíng)，其中歐洲139 座，亞洲119 座，北美68 座，南美、澳大利亞各1 座。

《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》對(duì)我國(guó)中長(zhǎng)期加氫站建設(shè)和燃料電池車輛的發(fā)展目標(biāo)做出了規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020 年我國(guó)將建成加氫站達(dá)100 座、2030 年將達(dá)到1 000 座。截至2018 年2 月，中國(guó)已建成及在建的加氫站共計(jì)為31 座，其中正在運(yùn)營(yíng)的有12座。

加氫站的主要設(shè)施包括儲(chǔ)氫裝置、壓縮設(shè)備、加注設(shè)備和站控系統(tǒng)等。目前一個(gè)加氫站的建設(shè)成本全球平均介于200 萬～ 500 萬美元，其中壓縮機(jī)成本為最高，約占總成本的30%。中國(guó)加氫站的建設(shè)成本相對(duì)較低，介于200 萬～ 250 萬美元(35 MPa 加氫能力)，其構(gòu)成如圖9 所示。因此，需加快工業(yè)氫氣壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，降低加氫站建設(shè)成本，促進(jìn)氫工業(yè)的發(fā)展。

筆者預(yù)測(cè)，全球加氫站將進(jìn)入快速發(fā)展階段，到2020 年全球加氫站數(shù)量將超過435座，2025 年將超過1 000 座。同時(shí)，應(yīng)加大對(duì)加氫站—加油站聯(lián)建的可行性研究，例如德國(guó)、日本等國(guó)采用的聯(lián)建模式，以及2017 年中國(guó)廣東云浮開展的多座加氫站—加油站聯(lián)建試驗(yàn)。未來，很有可能將出現(xiàn)加氫站、加油站、加氣站、充電站“四站聯(lián)建”的模式。

2　氫能的發(fā)展前景與戰(zhàn)略地位

氫能是被公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要的作用，也將成為我國(guó)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)預(yù)測(cè)，煉油業(yè)、新能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能利用的最大終端市場(chǎng)，其中工業(yè)氫氣在全球煉油業(yè)中的用量將占到全球工業(yè)氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產(chǎn)低硫清潔燃料，這將極大地刺激工業(yè)氫氣需求量的快速增長(zhǎng)。

2.1　新能源是未來能源消費(fèi)的主體

氫能和電能都是重要的二次能源，也是未來主要的綠色清潔能源，氫能具有遠(yuǎn)距離輸送、大規(guī)模存儲(chǔ)和氫—電互換的特性。氫能和電能在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電子、鋼鐵、民用等各個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，都具有不同時(shí)段峰谷用量的特點(diǎn)，氫—電互換是解決能源峰谷波動(dòng)的有效手段之一。通過氫能發(fā)電和電解水制氫是實(shí)現(xiàn)有效利用氫—電互換優(yōu)勢(shì)、發(fā)揮能源智慧互聯(lián)互補(bǔ)、提高能源利用效率的關(guān)鍵。工業(yè)氫氣在使用中若出現(xiàn)短期過剩，可以通過發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能，以緩解電力不足;而電解水制氫可消納暫時(shí)富裕的電力，彌補(bǔ)風(fēng)電、光電波動(dòng)起伏的不足，降低棄風(fēng)、棄光率[9-11]。

2.2　氫能將引領(lǐng)未來新能源消費(fèi)變革

氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)將拉開氫能商業(yè)化利用的序幕。目前，氫能已小規(guī)模應(yīng)用于大型物流車、城市交通車、家用小汽車，甚至火車、自行車、航模、無人機(jī)等。氫能將在交通領(lǐng)域引領(lǐng)新能源汽車變革。據(jù)報(bào)道，日本、韓國(guó)已量產(chǎn)高壓儲(chǔ)氫技術(shù)氫能乘用車，更有日本大型連鎖便利店與豐田汽車公司合作，計(jì)劃于2019 年推出氫燃料電池(FC)貨車，建立“零排放”物流體系。在歐洲，德國(guó)已于2017 年3 月成功測(cè)試了世界上第一輛零排放氫動(dòng)力火車——“氫鐵”，并與法國(guó)阿爾斯通公司合作，于2021 年建造氫動(dòng)力驅(qū)動(dòng)列車。2017 年12月，法國(guó)圣洛市第一批氫能源電動(dòng)自行車正式投入使用。自2018 年國(guó)務(wù)院總理參觀日本豐田氫燃料電池汽車后，國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家能源集團(tuán))牽頭成立了中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，國(guó)家能源集團(tuán)、中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司等能源企業(yè)將與浙江吉利控股集團(tuán)、中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司、長(zhǎng)城汽車股份有限公司等車企一同布局氫燃料汽車。

世界能源發(fā)展正處在油氣向新能源的第三次轉(zhuǎn)換期，能源類型由高碳向低碳、非碳發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050 年，天然氣在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比將首次超過石油和煤炭，世界能源將邁入天然氣、石油、煤炭和新能源“四分天下”的新時(shí)代。氫能約占全球能源消耗總量的20%，預(yù)計(jì)每年可減排二氧化碳60×108 t。氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)2.5 萬億美元，世界將進(jìn)入清潔能源時(shí)代。

2.3　氫能的多元化應(yīng)用將推動(dòng)新能源的快速發(fā)展

2.3.1　電解水制氫將貫穿于氫能發(fā)展的全過程

隨著全球氫工業(yè)的發(fā)展，人工制氫的需求量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，制氫技術(shù)日新月異。煤氣化制氫雖然同樣會(huì)產(chǎn)生大量CO2，但由于其原料豐富、價(jià)格低廉，故仍將是規(guī)模化、低成本人工制氫的最佳途徑;高爐煙道氣、化工尾氣等通過變壓吸附(PSA)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低成本回收氫氣;太陽能制氫技術(shù)(光催化、光熱解)是未來理想的制氫技術(shù)，但受制于轉(zhuǎn)換效率和成本等問題，預(yù)計(jì)2030 年前難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。

在所有的人工制氫途徑中，電解水制氫可以有效地消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電力，以及其他富余波谷電力，因而將貫穿于氫能發(fā)展的全過程，是建設(shè)“氫能社會(huì)”工業(yè)氫氣的主要來源之一(圖10)。隨著電解水制氫技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的逐漸降低，電解水制氫將能逐漸滿足商業(yè)化的要求，實(shí)現(xiàn)分布式制氫。未來，既可以集中制氫、區(qū)域供氫，也可以單個(gè)加油站建設(shè)小型電解水制氫裝置，實(shí)現(xiàn)氫能源智慧互聯(lián)。

2.3.2　液態(tài)氫是未來主要的儲(chǔ)氫形式

目前工業(yè)氫氣主要采用高壓氣態(tài)的方式儲(chǔ)存，由于成本的限制，液態(tài)儲(chǔ)存的方式使用較少，主要用于航空航天領(lǐng)域。但隨著技術(shù)的不斷成熟，預(yù)計(jì)2050 年液態(tài)儲(chǔ)氫將成為工業(yè)氫氣的主要儲(chǔ)存形式，不同儲(chǔ)氫方式占比的變化預(yù)測(cè)結(jié)果如表1 所示。

2.3.3　多能互補(bǔ)與多能協(xié)同

以氫能為紐帶，通過風(fēng)能、太陽能、潮汐能等分布式新能源發(fā)電制氫，可以降低制氫成本，實(shí)現(xiàn)氫能和新能源的多能互補(bǔ)、多能協(xié)同發(fā)展。氫能既可作為二次能源，又可作為儲(chǔ)能技術(shù)，連接多種新能源。氫能與新能源協(xié)同發(fā)展，一方面擺脫了依賴傳統(tǒng)化石資源制氫，形成更清潔、更環(huán)保的制氫新途徑;另一方面又整合了各種新能源類型，提升了能源系統(tǒng)的利用率。

隨著氫工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和氫能經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，因地制宜、協(xié)同利用新能源與傳統(tǒng)能源，通過多種能源相互補(bǔ)充和能源智能微網(wǎng)等，將實(shí)現(xiàn)多能智慧協(xié)同供應(yīng)，充分發(fā)揮新能源、天然氣、石油、煤炭等能源的組合優(yōu)勢(shì)，“氫能社會(huì)”建設(shè)藍(lán)圖將更加清晰。

3　中國(guó)的氫工業(yè)與氫能發(fā)展戰(zhàn)略

3.1　全球氫能發(fā)展的路線圖

1)作為氫能發(fā)展先行者和領(lǐng)導(dǎo)世界氫燃料電池發(fā)展的主要國(guó)家，美國(guó)從1970 年開始布局氫能技術(shù)研發(fā)[12]。2002 年11 月，美國(guó)能源部發(fā)布《國(guó)家氫能發(fā)展路線圖》，明確了氫能的發(fā)展目標(biāo)，分析了氫能技術(shù)的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展影響因素，制定了詳細(xì)的發(fā)展路線，標(biāo)志著美國(guó)“氫能社會(huì)”由設(shè)想階段轉(zhuǎn)入行動(dòng)階段。2014 年，美國(guó)頒布《全面能源戰(zhàn)略》，開啟了新的氫能計(jì)劃，重新確定了氫能在交通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)作用，并于2017 年宣布繼續(xù)支持30個(gè)氫能項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)氫工業(yè)的快速發(fā)展。預(yù)計(jì)美國(guó)2030—2040 年將全面實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)。

2)日本長(zhǎng)期受困于國(guó)內(nèi)資源短缺，2014 年4月制定了《第四次能源基本計(jì)劃》，確定了加速建設(shè)和發(fā)展“氫能社會(huì)”的戰(zhàn)略方向[12]。日本把2015年定為“氫能元年”，2020 年定為“氫能奧運(yùn)元年”，2025 年定為“氫能走出去元年”，2030 年定為“氫燃料發(fā)電元年”，并提出了3 條低成本、清潔化用氫技術(shù)路線：①推動(dòng)建立海外氫能供應(yīng)系統(tǒng);②利用海外廉價(jià)褐煤實(shí)現(xiàn)低成本制氫;③利用海外新能源電解水制氫。2030 年日本的工業(yè)氫氣年供應(yīng)量將達(dá)30×104 t，并將在2040 年建成全國(guó)性氫能供給網(wǎng)絡(luò)。

3)德國(guó)于2016 年重新修訂了氫能源交通戰(zhàn)略規(guī)劃，明確了3 項(xiàng)舉措：①加大投資，推出第二個(gè)氫能和燃料電池技術(shù)國(guó)家創(chuàng)新計(jì)劃，保證研發(fā)連續(xù)性，維護(hù)氫能和燃料電池汽車在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力;②促進(jìn)合作，成立了德國(guó)氫能交通公司，負(fù)責(zé)分階段建設(shè)氫能交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)到2019 年，境內(nèi)建設(shè)的加氫站將達(dá)100 座，超過美國(guó)，僅次于日本，到2023年將建成加氫站400 座;③鼓勵(lì)創(chuàng)新，出臺(tái)了一系列優(yōu)惠措施，重點(diǎn)支持物流專用車、離網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施自主供電技術(shù)，以激活市場(chǎng)。

4)法國(guó)制定了《氫能計(jì)劃》，將從2019 年起在工業(yè)、交通及能源領(lǐng)域部署氫能，包括：①創(chuàng)造無碳化工業(yè)，到2020 年建成工業(yè)氫氣追溯系統(tǒng)，到2023 年工業(yè)氫氣使用量將達(dá)到10%，到2028 年將達(dá)到40% ;②開發(fā)新能源，利用新能源生產(chǎn)電能再制取氫氣，實(shí)現(xiàn)“氫—電”轉(zhuǎn)換，構(gòu)建供氫網(wǎng)絡(luò);③實(shí)現(xiàn)交通零排放，完善工業(yè)氫氣網(wǎng)絡(luò)部署和管理，支持氫能重型車輛研發(fā)，部署大規(guī)模氫能交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)到2023 年擁有5 000 輛輕型商用車、200 輛重型車輛以及100 座加氫站，到2028 年擁有20 000 ～ 50 000 輛輕型商用車、800 ～ 2 000 輛重型車輛以及400 ～ 1 000 座加氫站的計(jì)劃目標(biāo)。

3.2　“氫能中國(guó)”戰(zhàn)略

中國(guó)是全球氫能利用的大國(guó)，已形成京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等7 個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)集群[13-14]。我國(guó)已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030 年)》，提出了氫工業(yè)(氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站)、先進(jìn)燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等3 個(gè)戰(zhàn)略發(fā)展方向，以及大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、氫氣/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)技術(shù)、甲醇/ 空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(MFC)技術(shù)和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)等6 項(xiàng)創(chuàng)新行動(dòng)。

通過消納棄水、棄風(fēng)、棄光等富余新能源，減量替代煤、石油和天然氣等化石燃料，加上煤炭的清潔高效利用，逐步降低成本，穩(wěn)步提高安全性，通過“三大發(fā)展階段”建立有利于氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐體系，建成全國(guó)性氫能供給和利用基礎(chǔ)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

1)近期(到2030 年)，以煤制氣為代表的化石基氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得重大突破，初步完成產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉丁Ｄ壳靶枰涌煳覈?guó)煤炭地下氣化制氫資源評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)高效產(chǎn)氫配套系列技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及超深層、超臨界水氣化制氫技術(shù)儲(chǔ)備，特別是對(duì)高效產(chǎn)氫機(jī)理進(jìn)行深化研究，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)、工程工藝、監(jiān)測(cè)控制、安全環(huán)保等系列技術(shù)，以及高溫高壓井下工具及高強(qiáng)度防腐管材等重大裝備的研制攻關(guān)。全國(guó)煤炭地下氣化潛力巨大，僅鄂爾多斯盆地埋深介于1 000～2 000 m的煤炭資源量就達(dá)1.3×1012t，保守估算可氣化采出商品工業(yè)氫氣約10×1012 m3(相當(dāng)于9×108 t)。應(yīng)當(dāng)按照淺層(地層壓力低于10MPa)、中深層(地層壓力介于10 ～ 22 MPa)和超深層/ 超臨界水(地層壓力超過22 MPa)3 個(gè)層次來布局我國(guó)煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并優(yōu)選鄂爾多斯、二連、準(zhǔn)噶爾等盆地開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

2)中期(2035—2050 年)，氫能產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分;打造新材料、儲(chǔ)能和氫能產(chǎn)業(yè)鏈;加大石墨烯、納米等新材料的超前儲(chǔ)備。通過自主、合作、技術(shù)購買、優(yōu)質(zhì)企業(yè)并購等多種方式研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)、高性能車用、船用等電池，與主要汽車廠商合作或參股推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化電池在交通領(lǐng)域的規(guī)模利用。發(fā)揮企業(yè)加油站布局優(yōu)勢(shì)，建設(shè)大型倉儲(chǔ)式充電中心，快速建立新能源汽車高效率充電站網(wǎng)絡(luò)，搶占交通領(lǐng)域能源革命的先機(jī)。發(fā)揮石油管道布局優(yōu)勢(shì)，發(fā)展棄風(fēng)、棄光、棄水低成本電解制氫、天然氣管網(wǎng)輸氫、摻氫天然氣、液化氫、加氫站等業(yè)務(wù)。

3)遠(yuǎn)期(2050—2100 年)，氫能成為我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，依靠新能源等實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”。中國(guó)“能源自主”概念是指通過中國(guó)新能源生產(chǎn)革命，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)基本自給和消費(fèi)安全。2017 年，我國(guó)一次能源產(chǎn)量中，煤炭占70%、石油占8%、天然氣占5%、新能源占17%。中國(guó)煤炭資源豐富但油氣相對(duì)不足的先天稟賦條件，決定了能源生產(chǎn)和消費(fèi)必須具有中國(guó)特色，構(gòu)成“一大三小”(煤炭大，石油、天然氣、新能源小)的中國(guó)能源結(jié)構(gòu)。太陽能、風(fēng)能產(chǎn)量的增長(zhǎng)率最快，水電、核電產(chǎn)量的占比最高，氫能、儲(chǔ)能、新材料、新能源最具顛覆性，應(yīng)加快煤炭清潔化利用和新能源這“兩個(gè)規(guī)模”的提前到來，減少油氣在我國(guó)能源利用路徑中的時(shí)間跨度和安全壓力。中國(guó)“能源自主”可能要到新能源占主體地位才行。

我國(guó)需要謀劃加快實(shí)現(xiàn)常規(guī)—非常規(guī)油氣的“生產(chǎn)革命”、煤炭發(fā)展的“清潔革命”和新能源發(fā)展的“速度革命”，力爭(zhēng)2050 年前后實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從“一大三小”向煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，屆時(shí)煤炭約占一次能源消費(fèi)的比例40%、油氣占30%、新能源占30%[4]。

到2100 年前后，有可能依靠新能源實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”，化石能源占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例降至30%，非化石能源占到70%，實(shí)現(xiàn)二者的地位轉(zhuǎn)換(圖11)，力爭(zhēng)我國(guó)能源生產(chǎn)量與消費(fèi)量相當(dāng)，基本不依賴進(jìn)口。

4　結(jié)束語

氫能是最清潔的新能源，因此發(fā)展氫工業(yè)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“氫能中國(guó)”、實(shí)現(xiàn)國(guó)家“能源自主”、推動(dòng)能源消費(fèi)和供給革命、奉獻(xiàn)清潔高效能源、建設(shè)“美麗中國(guó)”、保障國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略選擇，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)“能源自主”戰(zhàn)略中占有重要的地位;全球氫工業(yè)發(fā)展已初具規(guī)模，煤炭地下氣化制氫符合我國(guó)的國(guó)情，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

  (本篇參考文獻(xiàn)不需要排進(jìn)去，作者簡(jiǎn)介紅字部分即可)

 

    基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2014CB239000)。

作者簡(jiǎn)介：鄒才能，1963 年生，中國(guó)科學(xué)院院士，教授級(jí)高級(jí)工程師，李四光地質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲得者，本刊編委;現(xiàn)任中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院副院長(zhǎng)、國(guó)家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心主任;主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)、常規(guī)巖性—地層油氣藏與大油氣區(qū)等理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐以及能源發(fā)展戰(zhàn)略研究工作。地址：(100083)北京市海淀區(qū)學(xué)院路20 號(hào)910 信箱院辦。ORCID: 0000-0001-5912-1729。

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