碳中和制氢关键技术进展及发展文档格式.docx

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2020年5月，中共中央颁布《2020年政府工作报告》，提出引导加大氢燃料电池基础科研投入，鼓励能源企业建立稳定、便利、低成本的氢能供应体系，制定国家顶层氢能规划。

2020年9月8日，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部4部委联合印发《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》，意见指出，加快新能源发展，加快制氢加氢设施建设。

随着氢能相关政策的颁布和完善，国家还鼓励支持了一大批氢能项目的建设发展，如表1所示。

随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地实施，氢能技术不断突破，产业体系逐步完善，我国氢能领域的发展已加速进入产业化阶段。

经过多年的工业积累，中国已经是世界最大的制氢国，氢能市场潜力巨大。

中国每年仅风力、光伏、水电等可再生能源弃电约1000亿kW·

h，可用于电解制氢约200万t，如果能将这些富余的被弃掉的能源用于电解制氢，将会大大减少能源浪费。

近年来，我国氢能产业发展速度快、覆盖广，截至2020年1月，我国已建成加氢站61座（图1），规划和在建的加氢站有84座，内蒙古、辽宁、山东、河南、湖北、广东、四川、安徽等地均有分布。

但是，我国氢能产业还存在诸多问题，如关键技术亟待突破，缺乏自主知识产权，基础设施仍有待加强等。

对此，本文从氢能产业链制氢环节关键技术切入，分析总结国内外制氢技术现状，并结合我国制氢领域亟待解决的问题，对3种主流制氢工艺进行分析，总结现有技术的优缺点，最后对氢能未来技术发展方向进行展望，对我国氢能产业发展提出建议，以期对我国氢能产业的发展提供指导。

2制氢关键技术

氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解制氢，其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。

化石能源制氢包括水煤气制氢、天然气重整制氢等，目前已经进行工业生产，技术相对成熟，但能量的产出大于投入，若用此法制氢发电，能量转换效率低，经济性差，因此传统能源制氢并非理想的制氢技术。

化工原料制氢主要有醇类裂解制氢、醇类重整制氢，如甲醇水蒸气重整制氢。

水电解制氢法即利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢，这种制氢方式近零碳排放，可充分利用“三弃”（弃风、弃光、弃水）能源水解制氢，还可以大大降低制氢成本，是实现“绿氢”生产的重要技术环节，也是氢能领域投资的重点领域。

表2列出了当前阶段不同制氢技术的对比，可以看出：

化石能源制氢技术虽然成熟度较高且经济性较好，但碳排放量较大，违背了氢能作为清洁能源的本质，不适合长期发展；

可再生能源电力电解水制氢技术成熟，且环保性好、碳排放少，但是其制氢成本较高，可以考虑采取“三弃”能源制氢，以大幅降低制氢成本。

不同制氢技术所使用的制氢原料及制氢工艺大有不同。

2.1制氢原料

图2给出了目前全球制氢原料占比和主流制氢方法的经济性对比。

由图2a）可以看出，在所有制氢原料中，天然气使用最为广泛，占比达到48%，其次是醇类（占比为30%），电解水使用较少，占比仅为4%。

目前，全球制氢技术的主流选择是化石能源制氢和化工原料制氢，这主要是由于化石能源制氢和化工原料制氢的成本较低（图2b））。

此外，由于清洁性好、效率高、成本低，采用天然气重整制氢具有较大利润空间。

采用电解水制氢是当前制氢环节的研究热点，技术也较为成熟，其他新型制氢法尚未应用于大规模制氢。

从制氢原料占比来看，近期我国仍将主要采用化石能源制氢和工业副产氢+碳捕集、利用与封存（carboncapture,utilizationandstorage，CCUS）技术（即“蓝氢”），助力化石能源制氢降低碳排放。

而随着我国可再生能源装机容量不断增大，在西北地区出现大量弃风弃光现象，如果能够将弃风弃光所发电力用于电解水制氢（“绿氢”，即采用风电、光伏等可再生能源电解水制氢），“绿氢”制取经济性也非常可观。

因此，长远来看，随着碳达峰、碳中和工作的推进，“绿氢”将成为氢能应用的主流选择。

2.2制氢工艺

现有主要制氢方式如图3所示，其中：

较为成熟的技术路线有3种，即使用煤炭、天然气等化石能源重整制氢，以醇类裂解制氢技术为代表的化工原料高温分解重整制氢，以及电解水制氢；

光解水和生物质气化制氢等技术路线仍处于实验和开发阶段，相关技术难以突破，尚未达到规模化制氢的需求。

表3给出了典型制氢工艺中各类能源的能量转换效率与碳排放量。

由表3可以看出：

虽然化石能源制氢工艺成熟且原料价格低廉，但是会排放大量的温室气体，对环境造成污染，因此环境成本极高；

而电解水制氢工艺几乎无碳排放，符合绿色发展及可持续发展的环保理念。

2.2.1化石能源重整制氢

天然气制氢技术中，蒸汽重整制氢较为成熟，是国外主流制氢方式。

其原理是：

先对天然气进行预处理，甲烷和水蒸汽在转化炉中反应生成一氧化碳和氢气等；

经余热回收后，在变换塔中，一氧化碳和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气。

该技术是在天然气蒸汽转化技术的基础上实现的。

在变换塔中，在催化剂存在的条件下，控制反应温度，转化气中的一氧化碳和水反应，生成氢气和二氧化碳。

主要反应式为

目前，国内天然气重整制氢、高温裂解制氢主要应用于大型制氢工业。

天然气制氢过程的原料气也是燃料气，无需运输，但天然气制氢投资比较高，适合大规模工业化生产。

一般制氢规模在5000m3/h以上时选择天然气制氢工艺更经济。

此外，天然气原料占制氢成本的70%以上，天然气价格是决定氢价格的重要因素，而我国富煤、缺油、少气的能源特点，制约着天然气制氢在我国的实施。

煤气化制氢是工业大规模制氢的首选，也是我国主流的化石能源制氢方法。

该制氢工艺通过气化技术将煤炭转化为合成气（CO、CH4、H2、CO2、N2等），再经水煤气变换分离处理以提取高纯度的氢气，是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气等多种产品的原料，广泛应用于石化、钢铁等领域。

煤制氢技术路线成熟高效，可大规模稳定制备，是当前成本最低的制氢方式。

2.2.1甲醇水蒸气重整制氢

甲醇水蒸气重整制氢，即甲醇和水在一定温度、压力和催化剂作用下转化生成氢气、二氧化碳以及少量一氧化碳和甲烷的混合气体，该方法产物中氢气体积分数是甲醇制氢法中最高的。

甲醇水蒸气重整制氢具有反应温度低、产物氢气体积分数高、一氧化碳体积分数（＜2%）较甲醇分解制氢法低等优点。

因此，目前开发的甲醇制氢技术主要采用甲醇水蒸气重整制氢工艺，其反应机理见式（3），工艺流程如图4所示。

甲醇水蒸汽重整制氢装置已经广泛用于航空航天、精细化工、制药、小型石化、特种玻璃、特种钢铁等行业。

2.2.3电解水制氢

化石能源重整制氢、甲醇水蒸气重整制氢过程均有含碳化合物的排出，不符合可持续发展和绿色发展的环保理念，而电解水制氢过程为水电解生成氢气和氧气，无含碳化合物的排出，绿色环保。

目前，我国正处于能源转型的关键阶段，将可再生能源（太阳能、风能等）转化为氢气或者含氢燃料的能源载体，有助于推进我国能源转型进程，促进我国能源多元化发展。

可再生能源电解水制氢技术路线如图5所示。

图5中，根据电解质种类，电解槽可分为碱性电解槽、质子交换膜（protonexchangemembrane，PEM）电解槽、固体氧化电解槽（solidoxideelectrolyzecells，SOEC）3种。

不同电解水制氢技术参数及特点对比见表4。

由表4可以看出：

碱性电解水制氢技术是目前市场化最成熟、制氢成本最低的技术；

质子交换膜电解水制氢技术较为成熟，具有宽范围的运行电流密度，可以更好地适应可再生能源的波动性，是国外发展的重要方向，我国应加大质子交换膜电解水制氢技术的研发力度，加强与国外领先单位的合作研发；

固体氧化物电解水制氢技术是能耗最低、能量转换效率最高的电解水制氢技术，国外学者在Science上发表的文章指出，固体氧化物电解槽可在动态电力输出下工作，并不会有明显衰减。

因此，固体氧化物电解水制氢技术有望实现大规模、低成本的氢气供应，应重点关注并提前进行技术和专利布局。

以PEM电解槽为例，其工作原理如图6所示。

PEM电解槽由膜电极组件（MEA）、气体扩散层（GDL）及带有流道的隔板（双极板）组成。

电解槽中，水经过电解在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，因此在产生的气体出口设置了流量计。

典型的碱性电解槽考虑温度影响的U-I特性曲线模型及电解槽制氢量相关模型可以用式（4）表示。

通过利用可再生能源发电的弃水、弃光、弃风电力，电解水制氢可平抑风力、光伏等发电输出的波动性，并减少能源浪费，解决弃电问题。

另一方面，可以通过远距离输运氢燃料，将可再生能源从资源丰富的地区高效转移到用能负荷中心，利用氢气发电增强电网的协调性和可靠性，有效解决可再生能源供需存在的区域错配问题。

上述整个过程清洁环保，几乎不产生二氧化碳。

但是，可再生能源电解制氢成本较高，因此，“绿氢”的制取亟需可再生能源电解水制氢技术的进一步攻关，降低制氢成本，助力碳达峰、碳中和任务的推进。

综合对比以上3种制氢技术：

煤、天然气制氢技术最为成熟，尤其煤制氢在我国具有较大成本优势，但此法制得的“灰氢”不符合能源向低碳转型的绿色发展需求；

电解水制氢技术可以制得“绿氢”，能源效率高，但是成本较高，经济性较差。

3种制氢工艺的技术水平及经济性对比见表5。

煤或天然气制得的“灰氢”通过CCUS技术可转化为“蓝氢”，该技术也是我国实现碳中和目标技术组合的重要一环。

随着碳达峰、碳中和工作的深入进行，制氢领域面临的挑战将是实现无碳或碳中性（“绿氢”或“蓝氢”）的技术（目前通过电解水制取“绿氢”来替代），并将这些技术以更大规模推广应用，进而降低生产成本，产生经济效益。

3结语

氢能是一种理想的新型能源，通过风光等新能源电力制氢，并将氢与燃料电池结合发电，以此形成氢能产业生态圈有助于保障我国能源安全，加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系，对我国可持续发展战略具有重大意义。

氢储能可以作为储能系统新思路，解决可再生能源消纳能力不足及新能源并网问题。

氢结合燃料电池发电是氢能全生命周期应用的关键技术环节，氢气发电可以产出多种有直接经济效益的产品（如纯氧），达到大量减少二氧化碳排放的目的，具有很好的经济效益和环保效益。

氢能应用前景广阔，但有部分难题亟待解决。

氢气扩散能力强，易燃易爆，与金属接触容易导致氢脆，不好储存，因此妥善解决氢能的储运问题是氢能安全高效使用的关键。

此外，电解水制氢成本较高。

基于上述问题，提出以下建议：

1）今后应紧紧围绕氢能的制、储、运、用4个环节，着力建设完善氢能体系，加大氢能源与电网的互动性，促进我国能源转型；

2）明确氢能发展定位，给予氢能产业完善的政策支持；

3）大力发展电解水制氢技术，利用弃风、弃光、弃水资源制取“绿氢”，解决电解水制氢经济性难题及能源浪费问题；

4）大力发展可再生能源（如风电与太阳能）与氢气储能结合，促进氢能在储能领域的发展，加速推进我国碳达峰、碳中和工作。