綠氫制備與氫儲能，是支撐燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵

2022年，隨著世界局勢變化，以及歐洲已經(jīng)開始突現(xiàn)出的能源安全問題，使越來越多的人意識到，能源安全問題是一個著力發(fā)展制造業(yè)的國家需要面對的核心問題。對中國的汽車產(chǎn)業(yè)來說，解決能源安全也是必修課——圍繞新能源發(fā)展，從光伏、風(fēng)電和新能源汽車（純電動和插電/增程）一路形成閉環(huán)，是否就完全能跑通呢？

對此我的理解是：中國領(lǐng)土廣袤，在電網(wǎng)建設(shè)方面的投入相當巨大；從長遠發(fā)展來看，解決中國能源安全，兼容化石能源和新能源，氫能經(jīng)濟將是未來發(fā)展的主題之一。事實上，在全球能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和過程中，氫能承擔(dān)著不可替代的重要角色。而中國具有良好制氫基礎(chǔ)和大規(guī)模應(yīng)用市場，氫能產(chǎn)業(yè)正在呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢。

目前光靠化學(xué)儲能系列來驅(qū)動中國能源是有短板的，我們看到鋰電池配合太陽能和風(fēng)電這系列組合，在鋰電池資源上游段，已經(jīng)出現(xiàn)了一定層面的資源問題。中國的能源安全問題，是需要靠幾條腿走路的。氫燃料電池技術(shù)，將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，也可以做成氫燃氣能機。而氫儲能具備幾個優(yōu)勢：大容量長時間的儲能可充分利用再生電力；儲能具有可觀的規(guī)模經(jīng)濟性；制儲運方式靈活（管道，可以拖車，高壓電、長途輸電、長途制氫等等）。如果能大規(guī)模應(yīng)用，可以成為未來解決能源危機的終極方案。

氫能的發(fā)展

氫能有儲量豐富、能量密度高、可循環(huán)利用的特點，且能達成溫室氣體零排放，是中國實現(xiàn)2060年碳中和目標不可忽視的能源構(gòu)成，也是未來國家能源體系的組成部分。 中國是目前全球第一產(chǎn)氫大國，統(tǒng)計顯示，目前國際制氫年產(chǎn)量6300萬噸左右，中國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，占世界氫產(chǎn)量的三分之一。

但這些產(chǎn)能中，煤制氫和天然氣制氫占比近八成，氯堿、焦爐煤氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約兩成，綠氫規(guī)模很小。綠氫是中國的氫能行業(yè)的發(fā)展發(fā)向，潛力巨大。

什么是綠氫？按制氫的來源來區(qū)分，氫能可以分為：藍氫和綠氫，還有灰氫。

●灰氫（Grey Hydrogen）：是通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，事實上這類氫氣約占當今全球氫氣產(chǎn)量的95％。氫原子并不存在于自然界中，向于依附在化學(xué)化合物、碳水化合物以及碳氫化合物等物質(zhì)中的氧和碳原子。使用的電力由化石燃料產(chǎn)生，那將其稱之為灰氫。生產(chǎn)灰氫的過程中會形成副產(chǎn)物，例如二氧化碳等溫室氣體。

●藍氫（Blue Hydrogen）：也由化石燃料產(chǎn)生而來，主要來源是天然氣。融入了碳捕獲與儲存技術(shù)，事實上全球范圍內(nèi)藍氫比綠氫更難獲取。

●綠氫（Green Hydrogen）：如果們使用清潔電力（零碳排），產(chǎn)生的氫就是綠色氫，綠氫是利用可再生能源、通過電解工序產(chǎn)生的，其碳排放可以達到凈零。

綠氫是我們能源戰(zhàn)略目標的重要發(fā)展方向，這從綠氫的獲得途徑可以看出。

由光伏和風(fēng)能構(gòu)成的綠電，是生產(chǎn)綠氫最理想的能量來源。“風(fēng)光”綠電+綠氫，是互相成就的雙環(huán)保路線。

◎太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為綠電，通過電解水設(shè)備產(chǎn)生綠氫，氫燃料電池的發(fā)電效率與綜合能效遠高于傳統(tǒng)化石能源（是石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍），還是零碳排放。

◎在風(fēng)電和光伏發(fā)電的聚集區(qū)建設(shè)制氫基地，能有效消納風(fēng)光電能。風(fēng)光發(fā)電有很強的波動性和隨機性，將風(fēng)光電用于電解水制氫，可提高能源儲存，拓展電能利用。

◎中國規(guī)模化的風(fēng)電和光伏基地都在欠發(fā)達地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等，當?shù)貙︼L(fēng)光電的消耗十分有限。氫氣需求被打開，不僅為光伏風(fēng)電網(wǎng)找到了規(guī)模化的大市場，也將進一步促進綠電產(chǎn)能的優(yōu)化。

配合特高壓進行傳輸，以及部分電能的儲存需求，綠氫產(chǎn)業(yè)有著極大的市場前景，單在中國便有著萬億的產(chǎn)業(yè)潛能，綠氫將是中國通往2030和2050年重要的能源介質(zhì)。

在中國，蓬勃發(fā)展的氫能燃料電池汽車就是綠氫的先導(dǎo)和突破口。伴隨著中國的新能源汽車革命，越來越多的可再生能源被利用發(fā)電，電可以制備氫能——氫和電作為可再生能源革命的兩個主要的能源載體，可以實現(xiàn)互換。

▲圖2.綠氫的制備

綠氫的制備

綠氫制備方式中主流的是通過可再生能源發(fā)電所得電力接入電解槽電解水制氫，電解水制氫技術(shù)主要有堿水電解（AWE）制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）純水電解制氫和固體氧化物電解（SOE）制氫技術(shù)三種。

事實上，要發(fā)展綠色制氫產(chǎn)業(yè)，主要是依靠電解水制氫。面向近中遠期，中國也在開展三種電解水制氫技術(shù)的研發(fā)。

●堿水電解制氫：目前在市場化中最成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，堿性電解液通常采用氫氧化鉀水溶液，在電解水制氫過程中輸送離子。通過多孔石棉來分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣。

●質(zhì)子交換膜純水電解制氫：PEM電解槽由2個電極和1個膜組成，不需要電解液，只需要純水，使用膜電極組件，電極材料為多孔鉑，催化劑附著在交換膜表面。

●固體氧化物電解制氫：水蒸氣進入管狀電解槽后，在陰極分解成H＋和O2－，H＋獲得電子生成氫氣。

▲表2.電解氫主要方法對比

未來綠氫的制取成本還將持續(xù)下降——伴隨著可再生能源發(fā)電成本的持續(xù)下降、規(guī)模經(jīng)濟、現(xiàn)有項目的經(jīng)驗積累以及技術(shù)進步，都將使綠氫成為更具經(jīng)濟性的能源。從目前來看，2050年，綠氫發(fā)電潛在總市場將達到1萬億美元。綠氫產(chǎn)業(yè)路線剛剛起步。

電解水的瓶頸和解決方案

但是，目前采用電解水制備氫能主要有幾個問題：

●安全：首先面臨的難點是，現(xiàn)有制氫裝備多來自主流技術(shù)路線，生產(chǎn)過程中各種問題比較多。

氫比其他礦物然料更具有易燃易爆性，氫氣無色無味，易泄漏擴散；氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4%～75%（體積分數(shù)），可燃范圍寬；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%～59%（體積分數(shù)），爆轟速度為1480m/s～2150m/s。當氫氣泄漏與空氣或其他氧化劑結(jié)合時很容易著火，并會釋放出很大的能量爆轟的特點是突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超聲速的沖擊波。氫氣的易燃易爆特性與石油天然氣有很大區(qū)別，其威力和破壞性極強，其后果也要嚴重得多。

這對制氫設(shè)備的嚴密性提出了極高的要求。

●成本

電解制氫所需消耗的電量十分龐大，約占總生產(chǎn)成本的75％，這個成本之高，令人望而卻步。囿于成本難題，目前綠氫制氫成本達到17.7元/kg，是灰氫制造成本的3倍。 可見平價制氫將是綠氫得以普及的關(guān)鍵。當前制約電解水制氫的主要為電力成本，這個環(huán)節(jié)需要解決效率和成本的問題。

由于電解水制氫的瓶頸，再加上能源需求上還有低廉的替代方案，長時間以來，技術(shù)層面沒有大的突破。目前行業(yè)對人員和技術(shù)創(chuàng)新很有要求。但隨著能源安全的議題被提上日程綠氫的戰(zhàn)略前景，這個前瞻性的領(lǐng)域里面，有不少在默默努力的公司，也有越來越多的有識之士加入這個產(chǎn)業(yè)鏈。

比如海德氫能，作為一家綠氫制取、氫儲能及氫安全解決方案提供商，這家企業(yè)致力于引領(lǐng)綠氫行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。今年8月，海德氫能在鄂爾多斯發(fā)布了自研電解水制氫系統(tǒng)“氫舟”，集成三大綠氫科技：氫安全技術(shù)海德SENSOR 2.0、云帆電解制氫單片、制氫數(shù)字化平臺COMPASS，針對目前困擾綠氫制造行業(yè)痛點，提供安全、高效、智能的先進綠氫制備解決方案。

●安全

前面提過，因為氫一旦泄露很難及時發(fā)現(xiàn)，容易造成嚴重后果。因此對氫氣的監(jiān)測提出要求。

海德SENSOR 2.0無線氫安全傳感器可以實現(xiàn)對氫氣泄露實時監(jiān)測，將爆炸風(fēng)險降到極低。這個傳感器的前身，曾亮相冬奧會主火炬臺的上，為奧運圣火保駕護航。在第一代的基礎(chǔ)上，海德氫能推出了無線的2.0版本，不僅在使用上更方便，更是在安全系數(shù)上進行了提升換擋，具備更多測點，反應(yīng)更精準。

●效率

制氫的成本，是阻礙氫能推廣普及的關(guān)鍵。在電解水制氫行業(yè)一直在提升設(shè)備效率方面進行技術(shù)創(chuàng)新。

海德氫能推出的標準化方形制氫單片“云帆”，這是一種可以動態(tài)擴展的標準化制氫單元，大幅提升制氫整體運行效能，為綠氫低成本、大規(guī)模落地提供了技術(shù)上的可能性。相比傳統(tǒng)的圓形電解單元，云帆的薄片方形結(jié)構(gòu)有更均勻的流場分部，對隔膜沖擊更小，讓電極反應(yīng)更充分，從而提升電流密度。利用云帆拓展性，氫舟可實現(xiàn)50標方/小時到單一預(yù)制艙500標方/小時的產(chǎn)量拓展。對于制氫廠房內(nèi)方案，云帆可單槽拓展至1000標方/小時。基于標準化制氫單元“云帆”，“氫舟”系統(tǒng)得以滿足不同規(guī)模、不同環(huán)境客戶的綠氫制備需求。

●數(shù)字化管理

云帆除了具備靈活行，還在單片上集成了追蹤系統(tǒng)，通過智能檢測CVM技術(shù)，能實時巡檢采集每一單片的信息，即時跟蹤設(shè)備運行情況；具有數(shù)字孿生、安全預(yù)警、智能運維、能量管理四大功能，實現(xiàn)在云平臺上“所見即所得”。

硬件層面的智能性、靈活性、便利性，可以支持打造了制氫數(shù)字化云平臺，可以實現(xiàn)全國部署全天候監(jiān)控。出現(xiàn)故障后維修只需要更換報錯單片，無需整機運輸返場維修，整個設(shè)備的維修時間由過去的數(shù)周縮短至數(shù)小時。“云帆”讓制氫走向數(shù)字化、精準化管理新階段。

這些技術(shù)整合在一起構(gòu)成的“氫舟”，能夠讓技術(shù)具有很好的落地特性。目前，海德氫能已經(jīng)落地內(nèi)蒙古首個零碳智慧制氫示范項目，還將與碳中和研究院共建1MW光伏示范區(qū)，實現(xiàn)院內(nèi)氫能源應(yīng)用閉環(huán)。

小結(jié)：未來中國要實現(xiàn)碳中和，綠氫要達到8000萬噸以上的目標。國際氫能委員會預(yù)測到2050年全球氫能利用的二氧化碳排放情況累計減少800億噸，2050年當年減少70億噸。在這個過程中，綠氫是整個可再生能源的重要一步，海德氫能提供的“氫舟”技術(shù)，為電解水制備過程中提供了重要一環(huán)。

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈很長，氫能燃料電池汽車是一個先導(dǎo)的突破口；氫電的互換技術(shù)、氫儲能、氫動力，運輸和應(yīng)用，我們正在一步一步地改進技術(shù)路線。而綠氨應(yīng)用范圍也極具發(fā)展空間，未來的遠洋貨輪、長途飛機，都可以用用燃氣輪機作為備選方案。整個產(chǎn)業(yè)鏈需要更多的“海德氫能”這樣的行業(yè)先驅(qū)，通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)實踐，帶動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。