寫稿
投稿
近年來，在“雙碳”目標(biāo)的引領(lǐng)下，人們的能源生產(chǎn)和消費(fèi)體系朝著綠色和低碳轉(zhuǎn)型的進(jìn)程日益提速。長(zhǎng)期以來氫氣作為化工原料在石油石化、鋼鐵冶煉、電力生產(chǎn)等行業(yè)中廣泛應(yīng)用；另一方面由于其具備來源豐富，在使用和能量轉(zhuǎn)化過程無碳排放的特點(diǎn)，在國(guó)家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035）》中明確定義了氫的能源屬性，將氫確定為交通和工業(yè)用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。
基于國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃，未勢(shì)能源相信，在交通和工業(yè)等終端用能領(lǐng)域在能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型的過程中，對(duì)氫能的需求會(huì)顯著增長(zhǎng)。
綠氫認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展必要性
為了解綠氫制備的必要性，首先介紹氫氣的分類以及綠氫的概念。國(guó)際上按照氫氣生產(chǎn)方法不同，把氫氣按照顏色區(qū)分為八大不同分類（含綠氫、藍(lán)氫、灰/黑氫、棕氫、藍(lán)綠氫、黃氫、紫/粉/紅氫和白氫，詳見下圖1）。目前在氫能行業(yè)廣泛應(yīng)用的為灰氫、藍(lán)氫和綠氫三種。灰氫是指通過化石燃料（天然氣，煤等）轉(zhuǎn)化反應(yīng)制取氫氣，因?yàn)樯a(chǎn)成本低，技術(shù)成熟，是目前最常見的制氫方式，由于在制氫過程中釋放一定量的二氧化碳，不能完全實(shí)現(xiàn)無碳綠色生產(chǎn)，故而被稱為灰氫；藍(lán)氫是在灰氫的基礎(chǔ)上應(yīng)用碳捕捉、碳封存等技術(shù)將碳保留下來，避免排放入大氣，作為過渡性技術(shù)手段，可以加快綠氫社會(huì)的發(fā)展；綠氫是指通過光電、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫，制氫過程不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，也被稱為“零碳?xì)怏w”。綠氫是氫能利用最理想的形態(tài)，是未來氫能發(fā)展的主要方向。
八大類氫氣顏色圖譜
除了按照顏色劃分氫氣種類之外，國(guó)內(nèi)氫能聯(lián)盟通過標(biāo)準(zhǔn)量化形式定義的低碳?xì)洹⑶鍧崥洹⒑涂稍偕鷼涞脑u(píng)價(jià)方法。標(biāo)準(zhǔn)T/CAB 0078-2020(低碳?xì)洹⑶鍧崥渑c可再生氫的標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià))從生產(chǎn)單位質(zhì)量氫氣產(chǎn)生的碳排放量和是否消耗可再生能源兩個(gè)指標(biāo)維度對(duì)氫氣進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。
除了上述國(guó)內(nèi)綠氫認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)外，國(guó)外也發(fā)展了類似的認(rèn)證評(píng)價(jià)體系。如歐盟于2021年1月頒布可再生能源指令（Renewable Energy Directive(RED)II），制定了歐盟可再生能源生產(chǎn)和推廣的總體政策。
國(guó)內(nèi)外制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綠氫認(rèn)證的目的是為了從政策層面鼓勵(lì)并促進(jìn)綠氫行業(yè)的發(fā)展，以滿足市場(chǎng)、交易的需求，從源頭出發(fā)推動(dòng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色發(fā)展。
基于對(duì)綠氫行業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)期關(guān)注，未勢(shì)能源認(rèn)為，在國(guó)內(nèi)大力發(fā)展綠氫的必要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：
1、中國(guó)政府在簽署《巴黎協(xié)定》時(shí)承諾的“雙碳”目標(biāo)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)和能源使用效率提出了更嚴(yán)苛的要求；
2、從成本層面，隨著行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)迭代，并且得益于規(guī)模化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)綠氫生產(chǎn)成本持續(xù)降低；
3、作為儲(chǔ)能手段，氫能在太陽能和風(fēng)能電力消納和“削峰填谷“具備大規(guī)模，長(zhǎng)周期和低成本優(yōu)勢(shì)。
綠氫制備技術(shù)路線及應(yīng)用場(chǎng)景分析
實(shí)際來看，綠氫制備的技術(shù)綠線有多種，包括堿性水電解技術(shù)（ALK）、陽離子交換膜水電解技術(shù)(PEM)、固體氧化物水電解技術(shù)(SOEC)、陰離子交換膜電解水技術(shù)（AEM），以及光化學(xué)水解、熱化學(xué)水解、生物質(zhì)重整、微生物電解槽在內(nèi)的一系列制氫技術(shù)。針對(duì)ALK、PEM、SOEC、AEM具體介紹如下：
01、堿性水電解技術(shù)（ALK）
堿性水電解（ALK）技術(shù)是最為成熟的電解水技術(shù)，目前在市場(chǎng)商業(yè)化運(yùn)行裝置中占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是單槽容量5MW~7MW級(jí)別的項(xiàng)目。ALK采用KOH水溶液作為電解質(zhì)，石棉作為隔膜。在堿性環(huán)境下電解可以適用非貴金屬催化劑（如Ni,Co,Mn）。由于避免了貴重催化劑的使用，具有成本低、容易商業(yè)化推廣等優(yōu)勢(shì)。但是ALK本身具有啟動(dòng)速度慢、無法快速變載等原因，與上游可再生能源發(fā)電的適配性受到制約。
02、陽離子交換膜水電解技術(shù)(PEM)
PEM水電解槽采用陽離子（質(zhì)子）交換膜Proton Exchange Membrane作為電解質(zhì)，隔絕陰極和陽極的氣體滲透，并且以純水為反應(yīng)物，生產(chǎn)的H2純度較高（>99.99%）。電解槽采用零間距結(jié)構(gòu)，減少了電解損失，提高電解槽的整體效率。同時(shí)PEM電解槽具有比ALK更高的電流密度，簡(jiǎn)化的BOP系統(tǒng)，而使同等制氫產(chǎn)量條件下電解槽系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，占地面積小。PEM電解槽更為顯著的特點(diǎn)是能夠適應(yīng)快速變化的電源輸入波動(dòng)，因而被視為未來耦合綠電最有發(fā)展前景的電解水制氫技術(shù)。但是由于PEM電解槽的雙極板需要采用能夠耐受腐蝕酸性環(huán)境的Ti,Pt金屬制造、催化劑采用Pt、Ir-Ru等貴重金屬導(dǎo)致PEM電解槽的成本較高。隨著未來規(guī)模化的應(yīng)用，成本的問題有望得到解決。
03、固體氧化物水電解技術(shù)(SOEC)
固體氧化物（SOEC）電解槽在高溫（700~850degC）條件下運(yùn)行，適合于工業(yè)生產(chǎn)中高品質(zhì)余熱的條件下使用，電解槽進(jìn)料為高溫水蒸氣。如果添加CO2后，可以生產(chǎn)合成氣（CO,H2混合物）。SOEC在高溫條件下優(yōu)良的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)使其可以使用廉價(jià)的Ni電極從而降低成本。SOEC另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是水電解和燃料電池發(fā)電過程可逆。因此SOEC被歐美列為重點(diǎn)發(fā)展的電解水制氫技術(shù)之一。其中固體氧化物的性能提升，耐久性改進(jìn)，和降低操作溫度是該技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)方向。
04、陰離子交換膜電解水技術(shù)（AEM）
AEM是較為新興的電解水制氫技術(shù)，尚處于研發(fā)階段。備受關(guān)注的原因是其采用陰離子交換膜作為電解質(zhì)，將ALK的低成本和PEM的簡(jiǎn)單，高效優(yōu)點(diǎn)相融合。現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)陰離子交換膜材料開發(fā)和機(jī)理研究，主要以國(guó)外大學(xué)，國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)（如Northeastern University,Los Alamos,University Oregon,Georgia Tech等）。
針對(duì)前面四種應(yīng)用廣泛的電解水制氫技術(shù)路線的技術(shù)成熟度，技術(shù)難點(diǎn)及未來突破的方向、適用的場(chǎng)景，制造和運(yùn)行的成本，未勢(shì)能源逐一詳細(xì)分析對(duì)比了個(gè)技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，總結(jié)如下：
四種廣泛應(yīng)用的電解水制氫技術(shù)對(duì)比
同時(shí)，未勢(shì)能源針對(duì)四種電解水制氫技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合市場(chǎng)的需求，對(duì)綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景也進(jìn)行了探索分析：
1、在電解水制氫配合儲(chǔ)氫和燃料電池發(fā)電在儲(chǔ)能（P2X）場(chǎng)景中，通過太陽能和光伏發(fā)電耦合PEM制氫，為電網(wǎng)未覆蓋的特定偏遠(yuǎn)的特定地區(qū)（如邊疆，島嶼、沿海，偏遠(yuǎn)試驗(yàn)基地，海上平臺(tái)，電信基站）提供連續(xù)、穩(wěn)定、安全電力供應(yīng)；
2、采用SOEC制氫技術(shù)，在工業(yè)余熱或地?zé)崮苜Y源豐富的場(chǎng)景下結(jié)合儲(chǔ)氫和燃電技術(shù)，為生活和工業(yè)用電保供；
3、在西部風(fēng)光資源和沿海風(fēng)力資源豐富地區(qū)，采用ALK或者PEM制氫，為礦山開采，物流集散中心，碼頭和港口等場(chǎng)景提供制-加一體解決方案。
多維聚焦、探究綠氫制備和發(fā)展
2021年來各地方政府針對(duì)綠氫制備和制加一體站建設(shè)出臺(tái)的鼓勵(lì)性法規(guī)和政策表2所示：
氫氣制加一體站建設(shè)地方鼓勵(lì)性法規(guī)
未勢(shì)能源聚焦行業(yè)、技術(shù)、應(yīng)用、政策等角度、層面，進(jìn)行了多維度探索研究，對(duì)綠氫制備和發(fā)展做了綜合性分析和對(duì)比，認(rèn)為：
從行業(yè)的角度，國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和中長(zhǎng)期規(guī)劃賦予氫能的能源屬性，為氫能產(chǎn)業(yè)未來在大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能，以及交通運(yùn)輸和工業(yè)等領(lǐng)域的戰(zhàn)略定位明確了方向，同時(shí)規(guī)劃也明確了可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)的占比顯著提升為目標(biāo)，綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來了新一輪的“熱潮”。
從技術(shù)的層面，通過可再生能源發(fā)電，采用電解水制氫的方式生產(chǎn)綠氫，將可再生電力的生產(chǎn)與用能終端的脫碳需求聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)綠電和綠氫的靈活高效轉(zhuǎn)化。本文所介紹的四種電解水制氫技術(shù)路線各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，從技術(shù)和成本的層面ALK更適合于大規(guī)模制氫應(yīng)用場(chǎng)所，應(yīng)用需要配合網(wǎng)電或者其他儲(chǔ)能手段以獲取穩(wěn)定的電力供應(yīng)，ALK技術(shù)在近期解決可再生能源的消納占主力地位。考慮未來綠氫的發(fā)展需求，PEM由于占地小，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景便于方案集成、與風(fēng)電和光伏發(fā)電匹性好等特點(diǎn)，是未來5~10年綠氫制備的重要方向。歐盟和美國(guó)均將PEM電解槽技術(shù)的開發(fā)列為重點(diǎn)研發(fā)方向。伴隨著該技術(shù)的推廣，其成本高的問題有望獲得解決。SOEC作為利用熱量從水蒸氣中制氫的重要技術(shù)手段，具有電耗低，效率高的特點(diǎn)：由于采用了高品質(zhì)的熱能作為部分水電解的能耗（約占25%），降低了單位制氫量的電力消耗，SOEC整機(jī)的系統(tǒng)效率可高達(dá)85%。基于該特點(diǎn)，SOEC也被認(rèn)為是有重要發(fā)展?jié)摿Φ木G氫制備方式。AEM由于尚處于研發(fā)階段，因此實(shí)際工業(yè)化，商業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)日。
從應(yīng)用的層面，在考慮電解水制氫技術(shù)方案時(shí)需綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、制氫規(guī)模、電力及場(chǎng)地條件。另一方面深刻理解各種電解水制氫技術(shù)的特點(diǎn)，有助于氫能使用生態(tài)系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)，譬如不同的P2X場(chǎng)景，適合于采用PEM電解槽的做儲(chǔ)能/供電方案。
從政策的層面，為了鼓勵(lì)氫能發(fā)展，國(guó)家層面和地方政府層面關(guān)于氫能的政策紛紛出臺(tái)。國(guó)家層面的政策包括《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021~2025）》，《“十四五”新型儲(chǔ)能實(shí)施方案》，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國(guó)長(zhǎng)期規(guī)劃（2021~2035）》等均對(duì)可再生能源制氫的研究，產(chǎn)業(yè)布局提供政策性指導(dǎo)意見。除此之外地方政府也在具體項(xiàng)目和應(yīng)用場(chǎng)景方面出臺(tái)相關(guān)政策，如海南省因地制宜，針對(duì)“清潔能源島”建設(shè)出臺(tái)《海南省建立健全生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制實(shí)施方案》，廣東省針對(duì)制加氫一體站發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)《制氫加氫一體站安全技術(shù)規(guī)范》探索在非化工園區(qū)現(xiàn)場(chǎng)制氫。
可以看到，綠氫在整個(gè)氫能發(fā)展中具有重要位置，并且正在迎來關(guān)鍵的發(fā)展機(jī)遇。
未勢(shì)能源以綠氫賦能深度脫碳
基于在氫能制-儲(chǔ)-運(yùn)-加產(chǎn)業(yè)鏈上下游各環(huán)節(jié)多年的技術(shù)積累和沉淀，未勢(shì)能源充分發(fā)揮在PEM電解槽核心零部件（膜電極和雙極板）設(shè)計(jì)研發(fā)的優(yōu)勢(shì)、工程設(shè)計(jì)和設(shè)備集成方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，以及光伏設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的能力，提出了以PEM電解水制氫裝置開發(fā)為核心技術(shù)路線，聯(lián)合光伏發(fā)電、PEM電解水制氫、PEM燃料電池發(fā)電以及儲(chǔ)氫等板塊，打造適用于礦山開采、物流集散中心、碼頭港口等場(chǎng)景的“制-加一體”加氫站，并為特定地區(qū)（邊疆，島嶼、沿海，偏遠(yuǎn)試驗(yàn)基地，海上平臺(tái)，電信基站）打造制氫-儲(chǔ)氫-供電/供熱的P2X應(yīng)用場(chǎng)景。
接下來，未勢(shì)能源將持續(xù)關(guān)注并攻堅(jiān)綠氫發(fā)展，通過進(jìn)一步發(fā)揮綠電制氫在分布式儲(chǔ)能和供能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，賦能氫能產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善發(fā)展，助力中國(guó)深度脫碳和能源轉(zhuǎn)型。
更多未勢(shì)能源相關(guān)內(nèi)容推薦：
助力氫能船舶應(yīng)用！未勢(shì)能源受邀參加2023年中國(guó)航海日論壇
擴(kuò)大氫能國(guó)際合作！未勢(shì)能源與意大利國(guó)家研究委員會(huì)（CNR）簽署氫能戰(zhàn)略合作
