文/邹才能 李建明 张茜 金旭 熊波 余晖迪 刘晓丹 王善宇 李轶衡 张琳 苗盛 郑德温 周红军 宋佳妮 潘松圻，中国石油勘探开拓研究院 中国石油大学（北京），《天然气工业》
近年来，环球各地极度景象频发，为了实现到21世纪末掌握环球升温在2 ℃以内的目标，天下各国正全方位努力推动能源体系向化石能源低碳化、无碳化发展。尤其是在当前环球地缘政治繁芜和局部地区爆发冲突的背景下，将重塑环球传统化石能源与新能源的生产与消费版图，传统煤炭与油气能源消费占比可能有所回升，新能源时期将提速加快到来。各国将重新认识能源安全的极度主要性，能源生产与消费的被重视程度将提升到前所未有的高度并重新布局，新能源技能革命与家当化将备受重视并进一步提速发展。
氢气能源（以下简称氢能）作为一种可再生的、清洁高效的二次能源，具有资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可作为储能介质及安全性好等诸多优点，是实现能源转型与碳中和的主要能源。氢能技能不断成熟，逐渐走向家当化，同时伴随着天下面对景象变革和自然磨难加剧的压力持续增大，氢能得到了天下各国的重点关注，已成为许多国家能源转型的计策选择。
据国际能源署（IEA）《Global Hydrogen Review 2021》报告和中国《氢能家当发展中长期方案（2021—2035 年）》的数据，环球年产氢气9 000万t旁边，个中我国氢气的年产量为3300万t（达到工业氢气质量标准的约1200万t）。据H2Stations对环球加氢站的统计报告，2021年环球新增加氢站142座，累计达到685座，个中亚洲保有量居第一，共有363座且集中在中日韩三国；欧洲共有228座且集中在德国、法国、英国、瑞士和荷兰。环球已经有超过20个国家或同盟发布或制订了《国家氢能计策》，美国很早就看好氢能在未来能源系统中所具有的得天独厚的地位和上风，积极抢占氢能家当链的市场空间和各技能环节的制高点。欧盟早期通过清洁能源立法，支持氢能发展与燃料电池。日本政府早在2017年就提出了“办法先环球，实现氢能社会”的计策，并出台了《氢能源基本计策》。
中国在2020年将氢能纳入“十四五”方案及2035愿景，助力我国“碳达峰、碳中和”计策目标（以下简称“双碳”目标）的实现。尤其是，我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源，已建成的可再生能源装机容量位居环球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有很大的潜力。在今年北京成功举办的第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称北京冬奥会）上，我国秉承绿色办奥理念，将绿色氢气作为火炬燃料，让天下看到了中国兑现减排承诺的诚意与努力。当前，我国已开启氢能家当顶层设计，地方政府与企业积极参与氢能布局，氢能技能链逐步完好完善，氢能家当链也正在逐渐形成，“氢能中国”计策已悄然浮现。
为了给氢能干系家当加快发展和能源公司加速转型供应理论支持，并为构建“氢能中国”供应依据和参考，阐述了氢家当链中制备、储运、运用等重点环节紧张关键技能进展，剖析了氢能工业化现状与发展趋势，磋商了氢工业发展所面临的寻衅，展望了氢能家当的发展与未来，以期加速未来环球碳中和目标的实现。
1 氢能制备
氢能家当链分为制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节。个中，制氢技能包括化石能源制氢、电解水制氢、工业副产氢和可再生能源制氢，以下分述之。
1.1 化石能源制氢
化石能源制氢是指利用煤炭、石油和天然气等化石燃料，通过化学热解或者气化天生氢气。化石能源制氢技能路线成熟，成本相对低廉，是目前氢气最紧张的来源办法，但在氢气生产过程中也会产生并排放大量的二氧化碳。因此所制得的氢气产品被称为“灰氢”。借助于碳捕集与封存技能（CCS），可以有效降落该制氢办法的碳排放量，将“灰氢”转变为“蓝氢”，以实现未来能源的可持续发展。估量在未来相称长一段韶光内，化石能源制氢仍旧将是氢气的最紧张来源办法。
1.1.1 甲烷制氢
甲烷（CH4）作为天然气的紧张身分，在所有碳氢化合物中具有最高的氢元素占比。因此以天然气为质料的甲烷制氢方法具有高制氢效率、最低的碳排放量、适用于大规模工业产氢等优点。甲烷制氢技能紧张包括蒸汽重整法（SRM）、部分氧化法（POM）、自热重整法（MATR）、催化裂解法（MCD）。
目前紧张的甲烷制氢技能路线及其优缺陷比拟如表1所示。从表1可以看出：①SRM是在750～920 ℃高温和3.5 MPa高压条件下，利用Ni/Al2O3催化剂，将甲烷和蒸汽催化转化为氢气和碳氧化物[2]，该工艺紧张包括重整气或合成气的天生，水煤气变换(WGS)和气体净化等紧张步骤，技能成熟；②POM是将蒸汽、氧气和甲烷转化为氢气和碳氧化物，根据与氧气或蒸汽的反应分为催化与非催化重整，在催化过程中，热量由受控燃烧供应，甲烷的热效率常日介于60%～75%；③MATR是将放热的POM 反应与吸热的SRM反应联用，通过反应体系自供热来增加氢气产量，降落本钱；④在MCD反应中，氢气的唯一来源便是甲烷本身，无需其余引入蒸汽和氧气，不会产生碳排放量且能耗更低。综上可知，以SRM为根本，协同发展POM、MATR和MCD，借助于高活性催化剂研发、反应装置改进等方面的技能打破，表示效率与经济性的综合上风，是甲烷制氢技能发展的趋势。
表1 紧张甲烷制氢技能路线及其优缺陷比拟表
1.1.2 煤制氢
煤制氢紧张工艺是将煤与氧气或蒸汽稠浊，在高温下转化为以H2和CO为主的稠浊气，后经水煤气变换（WGS）、脱除酸气、氢气提纯等流程，得到具有高纯度的氢气产品[6]。煤气化制氢过程中紧张发生的有效反应如下：
在煤气化制氢的WGS变换步骤中，不仅须要催化剂具有可靠的活性和寿命，而且由于煤中含有硫元素，对催化剂的抗硫能力亦提出了额外的哀求。采取Co-Mo催化剂体系的宽温耐硫变换工艺具有卓越的抗硫能力与宽适用温度范围（200～550 ℃），目前被广泛用于煤气化制氢系统中。经WGS 变换后，气体产物紧张通过低能耗的低温甲醇洗濯，同时实现对CO2和含硫气体的脱除。
煤制氢技能发展已经有200余年，技能已相称成熟，是目前最经济的大规模制氢技能之一，尤其适宜于诸如中国等化石能源构造分布不均、多煤炭而少油气的国家。煤炭资源的丰富储量和低本钱使得煤气化制氢工艺具有更好的经济上风，其产氢本钱仅为8.3～19.5元公民币（下同）/kg[7]。但该技能所需设备投资随着煤制氢规模的扩大而上升，这一点也不容忽略；此外，大量CO2与含硫污染物的排放也是一大困扰。为了降落能耗、提高煤制氢效率，煤超临界水气化将是煤制氢技能的关键攻关方向。
1.1.3 甲醇制氢
与天然气和煤炭比较，以甲醇为代表的二次石化能源产品来源丰富且更易储输。甲醇制氢具有反应温度低、氢气易分离等显著上风，近年来一贯备受关注。蒸汽重整法是目前利用最为广泛的甲醇制氢技能路线[9]，甲醇和蒸汽在高于200 ℃环境中通过催化剂床层，其紧张化学反应式如下：
反应热力学和反应机理的研究结果证明，该反应是通过甲醇裂解与WGS变换两步反应完成的：
甲醇蒸汽重整全流程须要接管大量的热量，必须担保外部热源平稳供热。适用于该技能的催化剂种类则较为丰富，紧张有镍系、钯系、铜系等几大类型，例如Cu-Zn-Al、Cu-Ni-Al体系等。对付氢气产物，可以通过变压吸附法、WGS变换反应、钯膜分离技能、CO甲烷化等办法撤除个中的CO进行纯化。
当前，甲醇制氢技能具有质料丰富且易储运、反应温度低、技能成熟、氢气产率高、分离大略等上风，已可知足氢气生产的技能需求，尤其适宜于中小规模的现场制氢。但其所需质料甲醇属于二次能源产品，较之于天然气和煤炭本钱较高，不具有经济上风，其余CO的充分打消也是一大寻衅。未来该技能的重点将集中在催化剂与反应器的开拓上。目前海内甲醇制氢技能领先的企业有四川亚联高科、天采科技等，可以实现10万m3/h的单装置制氢效率。
1.1.4 化石燃料结合CCS制氢
CCS 技能能够大幅度减少化石燃料利用过程中的CO2排放量。将CCS技能与化石能源制氢技能相结合，可以将“灰氢”转变为“蓝氢”，在知足低本钱、大规模制氢需求的同时大大减少碳排放量。
天然气制氢，如采取SRM路线并结合CCS技能，以日产氢气379 t的SRM工厂为例，产氢本钱将从2.08美元/kg上升至2.27美元/kg。而MATR路线与CCS技能的结合，则能使得蓝氢的本钱降至1.48美元/kg。在煤炭制氢领域，Burmistrz等研究了在不同煤炭种类、不同工艺路线的情形下，煤炭制氢技能与CCS耦合前后的制氢碳排放量情形，分别为19.42～25.28 kg(CO2)/kg(H2)和4.14～7.14 kg(CO2)/kg(H2)。另有研究表明，结合CCS 技能的煤炭制氢工艺将实现83%的温室气体减排率，而相应地制氢本钱则仅上升8%。
受限于CCS技能的发展现状，当前蓝氢项目极度依赖国家供应的巨额补贴，规模不大，紧张由德国、英国、美国、日本等发达国家主导。在雪佛龙、BP、道达尔等浩瀚跨国油气公司的氢能发展操持中，“蓝氢”都霸占一席之地。韩国SK E&S株式会社宣告，操持到2025年景为环球最大的蓝氢供应商，实现年产蓝氢25万t的目标。对付现阶段蓝氢的制备，应该积极开展与各种主流化石能源制氢技能相配套的CCS技能，大力开展根本研发与运用示范，促进蓝氢本钱的低落。如果为化石能源制氢所产生的大量碳找到运用市场，在碳捕集封存技能的根本上对其加以利用，蓝氢的价格还将进一步降落。
1.2 电解水制氢
电解水制氢是在直流电浸染下将水进行分解进而产生氢气和氧气的一项技能，个中阴极反应为析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction，缩写为HER），阳极反应为析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，缩写为OER）。该技能可以采取可再生能源电力，不会产生CO2和其他有毒有害物质的排放，从而得到真正意义上的“绿氢”。电解水理论转化效率高、得到的氢气纯度高，但目前在中国的氢能源构造中，电解水制氢仅占1%，紧张限定成分是高本钱，个中电价占总本钱的60%～70%。电解水制氢技能紧张分为碱性电解水、酸性子子交流膜电解水、高温固体氧化物电解水以及其他电解水技能，以下分述之。
1.2.1 碱性电解水
碱性电解水（Alkaline Water Electrolysis，ALK）制氢技能已有数十年的运用履历，单槽产氢量最高可达1 000 Nm3/h [Nm3是指在0摄氏度、1个标准大气压（atm）下的气体体积，1 atm=0.101 325 MPa，下同]。其事情温度介于70～90 ℃，事情压力介于1～3 MPa，能源效率介于59%～70%，电流密度常日小于0.4 A/cm2，制氢能耗介于4.5～5.5 kWh。在碱性电解槽中，由镍合金组成的正、负极浸没在浓度约为30%的氢氧化钾碱性电解质中，正、负电极间被石棉（或尼龙、涤纶布等多孔材料）隔膜分隔。电解槽通电后，水分子在阴极得电子产生氢气和氢氧根离子，隔膜只许可氢氧根离子穿过，随后氢氧根离子在阳极失落电子被还原天生氧气。较之于其他制氢技能，碱性电解水制氢可以采取非贵金属催化剂且电解槽具有15年旁边的长利用寿命，因此具有本钱上的上风和竞争力。但是，该技能利用的电解质是强碱，具有堕落性且石棉隔膜不环保，具有一定的危害性，加之其启动速率及调节制氢速率都较慢，因而与可再生能源发电的适配性还有待于进一步提升。
挪威Nel公司是碱性电解水制氢机的龙头制造商，该公司研发的A系列模块化碱性电解水制氢机，产氢量覆盖50～3 880 Nm3/h，最高日产氢量超过8 t，模块化的构造可以根据客户不同的运用需求供应有针对性的办理方案。始于2015年的沽源风电制氢综合利用示范项目是我国首个风电制氢工业运用项目，该项目与德国的McPhy、Encon公司进行技能互助，总投资20.3亿元，投建10 MW电解水制氢系统，合营200 MW风电场制氢，项目建成后，可以形成年制氢1752万Nm3的生产能力，成为迄今我国最大的风电制氢示范项目。
1.2.2 酸性子子交流膜电解水
酸性子子交流膜（Proton Exchange Membrane，PEM）技能近年来家当化发展迅速。其制氢事理与碱性电解水制氢事理相同，但利用固态聚合物阳离子交流膜代替石棉隔膜，通过此交流膜分隔阴阳两极并传导导电氢离子。质子交流膜内亲水相与疏水相的微相分离构造引起亲水团簇的聚拢，从而形成了质子传输通道。目前，PEM单槽产氢量最高可达400 Nm3/h。其事情温度介于50～80℃，制氢能耗介于4.4～5.0 kWh。质子交流膜制氢技能无污染、运行电流密度高、转换效率高、所产氢气压力高，便于氢的传输、可以毫秒级启动，适应可再生能源发电的颠簸性特色，易于与可再生能源消纳相结合，是目前电解水制氢的空想方案。但是PEM须要利用含贵金属（铂、铱）的电催化剂和分外膜材料，本钱较高，利用寿命也不如碱性电解水制氢技能。
质子交流膜作为PEM制氢技能的核心材料被国外企业霸占主导，环球市场霸占率超过90%。个中，商业化运用数量最多的是美国杜邦公司的Nafion系列全氟磺酸质子膜，Nafion 211在60 ℃电导率达140mS/cm。美国Proton Onsite公司是PEM制氢机的领师长西席产企业，该公司可量产单电堆2 MW的电解槽，其业务遍及环球72个国家，已交付电解水制氢装置超过2000套，拥有70%的PEM电解水制氢市场霸占率。我国的质子交流膜制造企业面临技能、市场、人才和资金的四大壁垒，目前山东东岳集团已研制出靠近杜邦Nafion性能的产品。在PEM电解槽制造方面，阳光电源成立了氢能奇迹部，与中国科学院大连化学物理研究所互助，于2021年4月推出SEP50 PEM电解槽，功率为250 kW，是目前海内具备量产能力的PEM电解槽。
1.2.3 高温固体氧化物电解水
高温固体氧化物（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）电解水制氢技能目前还处于前期研究阶段，包含质子—固体氧化物、氧离子—固体氧化物以及二氧化碳联合电解共计3种办法。他们都可以利用固态陶瓷作为电解质，须要在500～1 000 ℃的高温下反应。由于高温会使反应的吉布斯自由能变革量降落，电解须要的平衡电压也较低。例如，在800℃、0.1 MPa的条件下，电解水蒸气的平衡电压只需0.85 V，因而可以省电降本钱。此外，固体氧化物制氢技能的动力学性能精良，可以达到或靠近100%的转换效率，利用的催化剂不依赖于贵重金属。但目前该技能的毛病包括：①电极的机器性能在高温下不足稳定；②高温还会导致电解槽中玻璃—陶瓷密封材料寿命缩短；③在与颠簸性高、输出不稳定的可再生能源电力匹配方面，高温反应条件的升温速率也亟待打破。
1）质子—固体氧化物技能利用质子导通型钙钛矿作为阳极、镍—陶瓷作为阴极，较之于氧离子—固体氧化物，前者产氢不须要额外的干燥过程。这可以简化系统的构造并节约本钱。此外，该技能可以在相对较低的温度中（500～700 ℃）保持高效电解。这可以使耐用性得以提高，弱化由堕落和污染引起的材料退化等不敷。
2）氧离子—固体氧化物技能常见的阳极材料有掺锶亚锰酸镧（LSM）、钇稳定氧化锆（YSZ）等；阴极可采取镍—钇稳定氧化锆（Ni-YSZ）。该技能存在的问题是长期稳定性差和层间扩散等。Kim等[24]引入了稠浊固体氧化物电解池的观点，以BZCYYb作为电解液，将质子SOEC和氧离子SOEC结合起来，实现了60 h的精良稳定性，同时也保持了超高的电化学产氢性能。
3）二氧化碳联合电解可将水蒸气和二氧化碳直接以电化学的办法转化为氢气、一氧化碳或氢气加一氧化碳的合成气。此项技能可以捕获水蒸气和二氧化碳，再循环合成人类必需的化工产品，如汽油、甲醇和氨。该技能在反应中有可能形成碳沉积，影响电极的微不雅观构造，使电解槽性能退化。Xing等已制备了铜浸渍的LSCM阴极，对蒸汽和二氧化碳的联合电解进行了评估，该电极可以承受在750℃下进行的超过50 h的联合电解耐久性测试。
1.2.4 其他电解水
其他的电解水技能例如碱性阴离子交流膜（Anion Exchange Membrane，AEM）电解水技能，其与PEM的根本差异在于将膜的交流离子由质子换为氢氧根离子。氢氧根离子的相对分子质量是质子的17倍，这使得其迁移速率比质子慢得多。该技能事情温度较低，介于40～60 ℃的范围内，事情压力低于3.5 MPa，能源效率介于60%～79%，电流密度介于1～2 A/cm2。AEM的上风是不存在金属阳离子，不会产生碳酸盐沉淀堵塞制氢系统。AEM中利用的电极和催化剂是镍、钴、铁等非贵金属材料且产氢纯度高、气密性好、系统相应快速，与目前可再生能源发电的特性十分匹配。不过AEM目前仍旧存在着以下不敷：① 膜的氢氧根离子导通率较低；②膜的机器稳定性不高；③AEM中电极构造和催化剂动力学须要优化。碱性阴离子交流膜制氢技能紧张处于实验室研发阶段，商品化的阴离子膜不多，基本上都来自外国厂商，例如日本Tokuyama公司的A201，膜厚28 μm，拉伸强度可达96 MPa，氢氧根离子传导率为42 mS/cm。此外，加拿大Ionomr公司AEMION系列中的部分型号的传导率更加突出，可以超过80 mS/cm。
1.3 工业副产氢
氯碱工业、煤焦化工业等生产过程中都会产生大量的副产氢气，但这类资源尚未被充分开拓利用，紧张缘故原由是副产氢气纯度不高、提纯工艺对设备与资金哀求高以及下贱市场对氢气的需求量目前还较少。随着氢能行业的发达发展和氢气提纯技能及干系工业技能的进步，工业副产氢将逐渐具备经济性上的竞争力。
1.3.1 焦炉气副产氢
焦炉气（COG）是炼焦工业中的副产品，紧张身分为氢气（含量介于55%～60%）、甲烷（含量介于23%～27%）和少量CO、CO2等。常日每吨干煤可生产300～350 m3焦炉气，是副产氢的主要来源之一。
在炼焦工业中湿法熄焦方法较为常用，即通过用水喷淋高温焦炭的办法对实在现降温，该过程会发生WGS变换天生大量的氢气。这部分氢气的产生不须要额外的生产流程，可以直接净化、分离和提纯。目前炼焦厂紧张采取变压吸附（PSA）技能从焦炉煤气等分离获取高纯度氢气。大规模的焦炉气制氢则一样平常采纳深冷分离与PSA相结合的方法来实现氢气分离。其余，金属膜分离技能的耗能更少且能够连续操作，也有望运用于大规模从焦炉气等分离氢气。此外，焦炉气分离出氢气后的紧张组分为甲烷，可以将其进行提纯，结合SRM技能可进一步实现焦炉气中氢能资源的最大化提取。
当前焦炉气制氢技能已具有相称的规模，可产氢1000 Nm3/h。我国副产煤气可供应811万t/a的氢产能，氢源占比为20.0%。焦炉气直接分离氢气成本相对较低，利用焦炉气转化的甲烷制氢亦能实现有效利用，焦炉气副产氢比天然气和煤炭制氢等办法更具经济上风。焦炉气制氢运用发展的关键在于氢气提纯技能的发展和炼焦行业下贱综合配套举动步伐的健全。
1.3.2 氯碱工业副产氢
氯碱工业是最基本的化学工业之一。在氯碱工业中，通过电解饱和NaCl溶液的方法制取烧碱(一样平常指氢氧化钠)和氯气，同时得到副产品氢气，可通过PSA技能进行纯化分离。每制取1 t烧碱便会产生大约280 Nm3（质量约为25 kg）的副产氢气。其反应式如下：
氯碱产氢反应的化学事理和生产过程与电解水制氢类似，氢气纯度可达98.5%，个中紧张杂质为反应过程中混入的氯气、氧气、氯化氢、氮气以及水蒸气等，一样平常通过PSA技能进行纯化分离得到高纯度氢气。大型前辈氯碱装置的产氢本钱可以掌握在1.3～1.5元/Nm3，本钱靠近于煤炭、天然气等化石能源制氢。但从CO2气体减排效果进行剖析，氯碱副产氢全生命周期CO2气体排放量为1.3～9.8 kg(CO2)/kg(H2)，比SRM制氢技能低了20%～90%，CO2减排上风显著[33]。氯碱副产氢具有产品纯度高、质料丰富、技能成熟、减排效益高以及开拓空间大等上风。大力发展对这类工业副产氢的纯化与利用，可以使氯碱企业加入到氢能行业的发展潮流中，走上从耗能到造能的转变之路。
1.3.3 石化副产氢
石化副产氢紧张包括炼油重整、丙烷脱氢、乙烯生产等副产氢。丙烷催化脱氢生产丙烯（PDH）技能是指在高温催化条件下，丙烷分子上相邻两个C原子的C—H键发生断裂，脱除一个氢气分子得到丙烯的过程（反应式8）。该过程质料来源广泛、反应选择性高、产物易分离，副产气体中的氢气占比高、杂质含量少，具有主要的网络利用代价，越来越受到人们的青睐。
丙烷脱氢工艺一样平常在循环流化床或固定床反应器中进行，只需配套相应的PSA或膜分离装置，即可得到高纯度氢气（含量大于即是99.999%）。以年产60万t规模的丙烷脱氢生产线为例，其副产粗氢量大约可达3.33亿Nm3。预期到2023年，海内的丙烷脱氢副产氢规模可达44.54万t/a。从丙烷脱氢工艺产出的氢气无需额外的制氢质料，并且氢气净化再投入也相对较少，因而具有较好的本钱上风，本钱可以掌握在0.89～1.43元/Nm3的水平。随着丙烷脱氢工艺的持续发展和本钱的逐步降落，该技能在丙烯合成工业上的占比也将日益加大。此外，随着例如乙烷高温裂解脱氢合成乙烯等石化副产氢工艺的逐渐发展，协同各种新型气体分离与纯化技能，这类工业副产氢的利用将愈发凸显代价。
1.4 可再生能源制氢
1.4.1 光催化制氢
光催化制氢技能旨在利用光合成技能驱动化学反应，从水或有机物中制取氢气，目前研究最为广泛亦最具前景的是光解水制氢技能。光解水制氢技能的本色是利用半导体材料作为催化剂驱动水的分解。根据固体材料的能带理论，当入射光子的能量大于半导体光催化剂的带隙时，电子可以从价带（VB）引发到导带（CB），并分别产生光生空穴和电子对，空穴将水中的OH－氧化得到O2，电子将水中的H+还原天生H2[35]。以范例的纳米TiO2催化剂为例[36] ，光解水制氢反应如下：
光解水制氢的关键在于光催化剂的开拓设计，其需同时兼具高光接管效率、快载流子分离、高表面催化活性及长效光化学稳定性。日本在光催化制氢技能研究领域中最为领先，东京大学Domen团队近期开展了一项100 m2规模的太阳能光催化水制氢示范研究，可在数月内安全运行。中国石油勘探开拓研究院与泊菲莱科技公司互助，开拓了一套可以稳定运行的5 m2级光解水反应系统，达到海内领先水平。而在根本研究方面，国内外差距不大。近年来研究者们已在光催化剂的根本研究方面取得了一些进展，例如，Liu等在TiO2上实现了铜单原子的大规模高分散负载（质量分数超过1%），其在光解水反应中具有101.7 mmol/(g· h)的H2天生速率，并在365 nm处表现出高达56%的表不雅观量子效率。Domen等[38] 设计并制备了一种改性铝掺杂钛酸锶 (SrTiO3:Al)催化剂，在350～360 nm波长光照下实现了具有高达96%量子产率的光解水反应。然而，目前最好的光催化制氢效率仅在4%旁边，离实际运用还存在着一定的间隔。
1.4.2 光电催化制氢
光电催化是指在光照射下，半导体光阳极接管光子产生电子—空穴对，个中空穴直接在光阳极将OH－氧化得到氧气，而光生电子则在外加偏压下流经导线到达金属对电极，并在对电极上还原H+产生氢气。该技能可以有效减少电子—空穴对的复合，从而提高产氢效率。早在1972年，日本东京大学的Fujishima和Honda利用TiO2半导体单晶薄膜作为电极，首次实现了光电催化水分解天生氢气。光电催化水分解反应过程如下：
光电催化制氢技能的关键在于寻求具有适宜禁带宽度、灵敏光相应、高表面活性的半导体光电极催化材料。其余，借助于对光电化学池构造的设计与改进、电解液配方的优化、助催化剂的引入等路子，也是提高光电催化制氢效率的紧张研究方向。同光催化制氢一样，光电催化制氢仍旧勾留在实验室根本研究阶段。日本在该领域研究韶光最长、技能最为领先。海内如中国科学院赵进才院士、李灿院士等团队在光电解水制氢研究方向上亦达到了天下前沿水平。例如，Li等利用梯度Mg掺杂来提高Ta3N5材料的电荷分离效率，实现了0.4 V的低起始电位与3.25±0.05%的高光电效率。李灿院士团队设计了一种Co4O4/pGO/BiVO4/SnOx复合股料作为光阳极，与有机聚合物PBDB-T:ITIC:PC71BM光阴极联用得到高达4.3%的产氢效率。只管光电催化制氢技能还未达到产氢效率10%的商业化运用哀求，但其仍旧是绿氢制备领域的一个主要前沿研究热点。
1.4.3 微生物制氢
微生物制氢工艺流程大略、质料丰富，是一种极具潜力的产氢技能。根据能量来源不同，微生物制氢方法可以分为光合法与发酵法两类。微生物光合法制氢的能量来源是太阳能，一些藻类以及光合菌类能够在厌氧条件下，利用光合浸染分解底物得到氢气；绿藻等微藻类与一些蓝细菌，可以发生由氢酶催化的光解水反应；而对付一些光合自养细菌，在厌氧有光状态下可发生光发酵反应，将有机酸分解为H2和CO2。微生物发酵制氢大多利用有机质的发酵分解来获取氢气，其能量来源是生物质能和化学能，如富含有机底物的工业废水或农业废物，常见的发酵产氢微生物紧张有各种产氢梭菌、嗜热细菌以及大肠杆菌等。
截至目前，环球共有 25 个国家进行了生物制氢方面的研究，中美两国处于绝对领先的位置。但关于生物制氢的研究基本上还处于实验室阶段，离大规模商业化运用还有较长的间隔。海内达到家当化规模并实现盈利的生物制氢系统尚未涌现，只有个别实验室进入到中试放大阶段。例如，哈尔滨工业大学的任南琪团队近期建成了海内首座100m3的有机废水暗发酵制氢的生产性示范工程，日产氢量高达 322 m3。在根本研究方面，Nissilä通过热处理纤维素植物和堆肥废物，得到富含Thermoanaerobacterceae类发酵产氢细菌的富集培养物，用于己糖发酵产氢，实现了1.4 mol(H2)/mol(底物)的产氢效率。Mann等[46]培养了一种细菌/藻类细胞群落聚拢体，将有氧呼吸和低氧光合浸染协同结合，实现了168 h的永劫光连续产氢。微生物制氢技能的发展有待于未来在造就筛选技能、制氢工艺改进及制氢机理研究等方面的持续打破。
1.5 各种制氢技能比拟
综上所述可得出以下认识：①化石燃料制氢技能成熟、本钱低廉，将在一定期间内霸占市场的紧张份额，其发展重点在于结合CCS/CCUS技能减少碳排放量，实现由灰氢向蓝氢的转变；②工业副产氢资源丰富，可发展空间大，核心在于气体分离纯化技能的发展与配套举动步伐的完善；③电解水与可再生能源发电耦合制氢技能，是未来绿氢大规模制取的紧张办法，重点在于降落可再生能源电价及提升电解水制氢效率、降落产氢本钱；④光催化、光电催化等新型制氢技能还未达到大规模工业化运用的需求，须要加强根本研究与示范运用推广。
氢气是氢能家当的根本，氢工业能否规模发展利用所取决的紧张成分之一便是制氢本钱。表2列举了紧张制氢技能的本钱打算结果。从表2可以看出：①当前，化石能源制氢依然在本钱上有着难以比拟的上风，结合CCS技能后本钱有所上升，但仍旧具有本钱上风；②工业副产氢与微生物发酵制氢的本钱与化石能源制氢大致持平，但规模有限；③电解水制氢本钱为化石能源制氢的2～3倍，差距较大，须要大幅度降落电力本钱、提升电解水容量和降落系统造价本钱。随着光伏电价的低落，估量到2035年和2050年，在碱性电解水制氢生产中，电费本钱将分别低落37%和50%，相应的氢气本钱则分别为18.7元/kg和14.8元/kg，可与化石能源制氢本钱持平。
表2 不同制氢技能的本钱打算结果表
针对各种制氢技能在氢能行业的发展布局与方案，应该综合考虑技能水平、碳排放量和产氢本钱这3个方面的成分，稳步推进从灰氢到蓝氢再到绿氢的转变，铸就低碳环保的氢能行业基石，支撑起氢能百口当链发展，助力构建“氢能中国”。
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2 氢能储运
氢的储运技能可分为物理储运氢和化学储运氢两大种别。个中前者包括高压气态、低温液化、管道、 物理吸附等。后者包括无机储氢材料和有机储氢材料，个中无机储氢材料包括金属氢化物、络合氢化物、复合氢化物和化学氢化物；有机储氢材料包括环烷烃、氮杂环、液氨、甲酸和甲醇等。以下分述之。
2.1 物理储运氢
2.1.1 高压气态储运氢高压
气态储氢是一种最大略直接的储存办法，是将氢气压缩储存在高压瓶当中，一样平常储存压力介于35～75 MPa。该办法具有充放氢速率快、技能相对成熟、常温操作以及本钱低等优点，但缺陷是能量密度低，常压下仅为0.003 kWh(LHVHydrogen)/L（LHVHydrogen表示氢的低位热值，Lower Heating Value of Hydrogen，1 LHVhydrogen = 33.3 kWh/kg），70 MPa压力下能量密度可增加至1.2 kWh(LHVHydrogen)/L，稍高于锂电池的均匀能量密度0.5 kWh(LHVHydrogen)/L。另一方面，由于氢气密度比较低，较之于储存相同重量的汽柴油，前者所占体积十分弘大。为了避免氢气泄露和容器分裂，高压储氢常日都须要耐压厚重的容器。车载储氢瓶紧张利用由碳纤维外层和铝/塑料内胆构成的新型轻质耐压储氢容器。
70 MPa 碳纤维缠绕IV型瓶在国外已被广泛利用，如美国Impco公司采取的超轻型Trishield可进行70 MPa储氢，质量储氢密度为7.5%；加拿大Dynetek公司已投入工业化生产的70 MPa高压储氢瓶，采取铝合金内胆和碳纤维/树脂基体复合增强外包层；法国Faurecia公司的IV型储氢瓶采取优化的碳纤维构造设计可减重15%～20%等。海内由于高端碳纤维技能不足成熟，无法规模化生产且复合股料本钱较高，目前紧张以35 MPa III型瓶为主，以是低本钱高压临氢环境用新材料将是研发的重点。固定式高压气态储氢紧张利用的是大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐，石家庄安瑞科气体机器有限公司开拓的45 MPa储氢瓶组、浙江大学与巨化集团有限公司制造生产的2台98 MPa立式高压储罐均已运用于海内加氢站中[53]。高压气态储运氢的运用处景紧张是面对制氢厂、加氢站或化工厂等地，以及不超过500 km的短间隔用量不大、用户分散的氢气需求地。
2.1.2 低温液化储运氢
低温液化储氢是指将氢气在低温高压条件下，基于高压氢气绝热膨胀事理，液化后储存在容器中的储氢办法。低温液化储氢具有质量密度高、储存容器体积小等优点，适用于重型公路运输、海上运输和部分航空领域。目前其质量储氢密度和体积储氢密度可达到5.5%和71 kg/m3。由于氢气的相变焓为0.45 MJ/kg，将氢气从气相变为液相须要花费大量的冷却能量，理论上液化1 kg氢气须要耗费4～10 kWh的电，约占其储存能量的30%。其余，为了担保液氢湿度始终保持在20～30 K之间，防止储存过程中因温度升高导致的汽化征象，须要液氢储存容器必须达到苛刻的绝热条件，生产技能变得更加繁芜，储氢本钱增加。因此，如何降落液化与贮存本钱是低温液态储氢家当化的发展方向。目前，在欧、美、日等国家和地区液氢技能的发展已经相对成熟，液氢储运等环节已进入规模化运用阶段。我国液氢技能紧张运用在航天领域，民用领域尚处于起步阶段，氢液化系统的核心设备仍旧依赖于入口。
2.1.3 管道储运氢
管道储运氢气可以分为纯氢管道运输和利用现有天然气管道掺氢运输两种模式。低压纯氢管道适宜大规模、长间隔的运氢办法。由于氢气需在低压状态（事情压力介于1～4 MPa）下运输，因此较之于高压运氢，管道输氢的能耗更低，但管道培植的初始投资较大。环球管道输氢迄今已有80余年的历史，美国、欧洲已分别建成2 400 km、1500 km的氢管道，并且欧洲还开展了“欧洲氢能主体操持”项目，估量2040年落成近4×104 km的氢气管道。目前，我国已有多条输氢管道在运行，如济源—洛阳的氢气运送管道全长为25 km，年输宇量为10.04×104 t，设计压力为 4 MPa，管材为 L245 无缝钢管；巴陵—长岭输氢管道全长42 km，投资额1.9亿元，管材为裂化碳素无缝钢管；乌海—银川焦炉煤气输气管线管道全长为216.4 km，年输宇量达16.1×108 m3，设计压力为3 MPa，管材为L245直缝双面埋弧焊钢管；金陵—扬子氢气管道全长超过32 km，设计压力为 4 MPa，管材为20号钢。
基于现有根本举动步伐的上风，将氢气掺混入天然气管道网络也被视为可行的氢气运输办理方案。在氢的稠浊比例较低（体积分数介于5%～10％）情形下可以与现有管道大部分兼容，但更高的稠浊比例是否可行，在很大程度上取决于每条管道的详细情形，以及其终端运用设备应对气体特性变革的适应能力[57-58]。目前，德国天然气网络中的氢稠浊容量为10%，目标是到2025年将容量增加到20%，并将升级部分天然气管道，以知足未来100%氢气运送的需求。
2.2 化学储运氢
2.2.1 固态金属氢化物储运氢
固态金属氢化物储运氢是利用储氢合金在一定温度和压力条件下的可逆吸/放氢反应来实现氢气储运的。氢在储氢合金表面分解为氢原子，扩散进入合金内部与其发生反应天生金属氢化物，氢即以原子态储存在金属内的四面体与八面体间隙位置。金属氢化物具有储氢体积密度大、安全、氢气纯度高、操作随意马虎、运输方便、本钱较低等上风。固态金属储氢的商业运用紧张为潜艇、核电站、发电站、加氢站、便携式测试设备等（表3），如德国 GKN Hydrogen公司有10～265 kg不同型号的固态储氢系统，可低压运行并100%可回收，无容量丢失（材料花费）等上风；美国ECD Ovonic公司采取轻质碳纤维包卷形成的储氢罐，所含的金属氢化物可储存约3 kg的氢气；丰田公司的氢动力汽车均采取了ECD Ovonic公司的技能。目前，海内金属氢化物储氢运用还较少，正处于研发与示范阶段，提高金属氢化物的储氢量、降落材料本钱、提高金属氢化物的可循环性等将是未来的研究重点。
表3 固态金属储氢运用项目统计表
2.2.2 液态有机化合物储运氢
有机储氢材料常日为液态，因而也被称为液态有机储氢载体（Liquid Organic Hydrogen Carrier，LOHC）。LOHC是利用液态有机化合物可逆的加氢与脱氢反应来实现氢气的存储与开释，常日具有约50 g/L的体积储氢密度且储存、运输、掩护、保养安全方便，便于利用现有储油和运输设备，同时还具有多次循环利用等优点。代表性的物质有：甲苯、乙基咔唑、二苄基甲苯等。日本于2022年2月利用甲基环己烷（MCH）储运从文莱入口的氢气，通过海运办法运送到日本ENEOS炼油厂；德国Hydrogenious Technologies公司采取二苄基甲苯作为液态储氢载体，操持在Dormagen化学园区建成天下上最大的绿氢存储中试工厂，每年大约可以在LOHC中储存1 800 t氢气。这类储氢材料不仅可以用于氢燃料电池车，而且在大规模储能、长间隔氢运输方面也具有显著的上风，但目前还存在着脱氢能耗大、高效低本钱脱氢催化剂技能等瓶颈有待于打破。
2.2.3 液氨储运氢
氨作为富氢分子，用它作为能量载体，是氢气运输的另一种办法。哈伯—博施法是生产氨最常见的工艺，至今已有100多年的历史，现在仍紧张用于化肥生产。氨可以在－33℃的温度下进行液化。其余，氨也可以在20℃环境温度和约0.9 MPa的压力下液化。在常规的氨运输中，常日选择冷却和加压存储的组合。液氨的氢体积密度是液化氢本身的1.5倍。因此较之于液氢，同等体积的氨可以运送更多的氢。目前海上运输或管道进行工业级的氨运输已经发展得很成熟，在环球大约有120个港口设有氨进出口举动步伐，如美国的NuStar氨系统管道，全长约3 200 km；俄罗斯的Togliatti-Odessa氨管道，全长约2 000 km。但氨是有毒的化学物质，皮肤摄入、吸入或打仗后，纵然剂量很小，也具有毁坏性或致去世性。氨用作氢载体时，其总转化效率比其他技能路线要低，由于氢必须首先经化学转换为氨，并在利用地点重新转化为氢。两次转化过程的总体效率约为35%，与液化氢30%～33%的转化效率基本靠近。
2.3 氢能储运技能及家当发展趋势
物理运输气态氢是最大略的氢储运形式，将氢气混入现有的天然气管道中，或利用专用的氢气管道，或利用加压容器运输氢气是当前最为现实的氢储运技能路线。不过，由于气态氢的体积能量密度低，加上运输间隔有限，其他形式的氢运输需求不可避免地会相应增加。像所有其他气体一样，氢气也可以低温液化后，以冷液形式进走运输。此外，化学存储形式，例如转化为氨或利用液态有机氢载体（LOHC），也构成了其他具有高发展潜力的氢存储和氢物流技能。
目前制约氢能储运家当发展的主要成分之一便是氢气的储运本钱，并且随着运输间隔的增加，本钱也一定随之增加。高压气态运输氢气是本钱最高的运输办法，而管道长间隔大输量运输氢气则是本钱最低的运输办法，如图1所示；虽然液态有机化合物储氢载体和管道（100 t/d）、液氨与液氢储氢本钱均相称，但液态有机储氢载体和液氨在终端转化为气态氢也还须要一定的本钱，如图2所示。未来随着氢气需求量的增加、技能的打破和根本举动步伐的完善，氢气的储运本钱才有可能进一步降落。
图1 几种储运技能本钱与运输间隔关系图
图2 液氨与LOHC终端氢气转化本钱图
目前氢气紧张是自产自用，如在靠近炼油厂、化肥厂等用氢地方生产氢气。未来以可再生能源为根本的氢能家当将依赖于大规模的氢能储运技能，由于制氢项目不一定在利用地点，办理氢储运的问题将会变得更加主要，氢气的高效运送和储存难度较大，低本钱、高密度、安全的储运技能将是助推氢能家当化的关键。
油气行业拥有成熟的能源安全管理履历、完善的网络站点体系，拥有资源方案、炼化生产、油气储运及零售终端培植、运维等多方面的技能根本与整合能力，可以利用已有的履历和根本举动步伐等上风，快速进入并规模化发展氢能储运家当。在长间隔运输方面，可以利用已有管道运输及掩护履历，进行不同比例的掺氢运送示范与评估，并随着氢气需求量的增加动手培植纯氢管道；陆地中短间隔方面，利用已有的CNG、LNG储运履历，根据详细的间隔、经济性、氢气纯度等需求来决定不同的储运办法，如液氢、液氨、有机化合物储氢载体、固态储氢、高压气态氢等；在沿海城市可以考虑利用液氨、液氢、液态有机化合物储氢等办法进行国际船运。
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3 氢能运用
氢能的开拓利用是更快实现碳中和目标、保障国家能源安全、实现低碳转型的主要路子之一。氢能目前紧张运用在能源、钢铁冶金、石油化工等领域，随着顶层政策设计和氢能家当技能的快速发展，氢能的运用领域将呈现多元化拓展，在储能、燃料、化工、钢铁冶金等领域运用必将越来越广泛。
3.1 氢储能
我国可再生能源资源丰富，应大力开拓风能、太阳能光伏发电，实现可再生能源到氢能的转化。但风电和光伏发电的间歇性和随机性，影响了其并网供电的连续性和稳定性，同时也削弱了电力系统的调峰力度。随着氢能技能及家当链的发展和完善，氢储能系统的加入可以提高可再生能源发电的安全性和稳定性。利用风电和光伏发电制取绿氢，不仅可以有效利用弃风、弃光，而且还可以降落制氢本钱；既提高了电网灵巧性，又促进了可再生能源消纳。此外，氢能亦可作为能源互联网的枢纽，将可再生能源与电网、气网、热网、交通网连为一体，加速能源转型进程。
3.2 氢燃料
氢能可以作为终端能源运用于电力行业，通过氢燃料电池（FC）将化学能转化成电能，或者通过燃气轮机将化学能转化为动能。氢燃料电池具有能量密度高、能量转化效率高、零碳排放等优点，紧张包括质子交流膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）两大类。
3.2.1 质子交流膜燃料电池
PEMFC紧张由膜电极、双极板、电解质和外部电路等组成，具有事情温度低、启动快、功率范围宽、稳定性强等上风，在汽车动力电源领域发展迅速。作为燃料电池和电解槽的关键组件，质子交流膜须要具备质子传导电阻小、电流密度大、机器强度高档特点，其决定了PEMFC的效率和品质。目前，商业化运用最广泛的是美国杜邦公司的Nafion系列膜以及Ballard公司的BAM型膜等。此类膜的局限性在于其易发生化学降解，温度升高使质子传导性能变差，本钱也较高。
针对此问题，我国东岳集团有限公司、科润新材料株式会社等经由10余年研发攻关，不仅提高了膜材料的性能，还实现了国产质子交流膜的工业化生产，降落了本钱。此外，在政策方面，我国高度重视PEMFC技能的研发，《能源技能革命创新行动操持（2016—2030年）》哀求，到2030年实现额定输出功率达50～100 kW、系统比功率大于即是300Wh/kg、电堆比功率达到3000 W/L以上，PEMFC分布式发电系统利用寿命超过1万h；同时通过建立分布式发电家当化平台，实现千瓦至百千瓦级PEMFC系统在分布式电站等领域的运用。
PEMFC用场广泛且多元化。日本和韩国拥有相对成熟的氢燃料电池汽车技能，已运用于乘用车、商业车、叉车、列车等。例如，丰田在2020年底发布了第二代Mirai氢能燃料汽车，通过增加氢负载将续航里程提高了30%。东日本铁路公司发布了以氢燃料电池和蓄电池为稠浊动力的试验列车“云雀”，加氢一次即可行驶140 km。海内以捷氢科技、新源动力、潍柴动力为主的大型电堆供应商在自主研发方面也取得了较大进展。2021年，捷氢科技自主研发的大功率氢燃料电池额定功率达到了117 kW，同时系统及电堆一级零部件实现了100%国产化。潍柴动力发布了新一代120 kW、寿命超3万 h的燃料电池发动机，助力行业零碳发展。2022年北京冬奥会期间，张家口赛区投运的氢燃料电池汽车达710辆，个中，氢燃料电池公交车续航里程可达406 km。
3.2.2 固体氧化物燃料电池
SOFC是全固态发电装置，由阳极、阴极、电解质、密封材料以及贯串衔接材料等组成。个中，电解质决定了SOFC的事情温度和功率，是SOFC的核心部件。虽受限于600～1 000 ℃的高事情温度和低启动速率，SOFC因其燃料选择范围广、能量转化效率高、无需催化剂等优点拥有广阔的发展前景。当前，欧美日等发达国家和地区SOFC技能成熟，处于商业化推广前期。个中美国和日本分别发展了百千瓦级大型固定式电站和千瓦级家用热电联供系统，均实现了大规模的商业化运行。个中的领军企业包括美国Bloom Energy公司（常压平板式）以及日本三菱重工（加压管式）等。较之于国外，海内SOFC发展差距较大，还处于实验室研究与样机研制阶段，尚未形成商业化的SOFC系统，企业参与度不足，并且SOFC的家当链不完全，所需核心产品均属于定制产品，暂无专业厂家可以供应核心零部件。
SOFC适用于大型商用分布式、固定式发电和热电联产等领域。例如，将SOFC作为通信基站的备用电源乃至是主电源，可以知足5G基站的高能耗并办理环境和噪音污染等问题。2022年2月，为了给离网基站供应持续电力保障，由福大紫金开拓的3 kW级氨—氢燃料电池发电站实现成功发电并稳定运行，为氢燃料电池在大规模通信基站备用电源领域的推广奠定了根本。
3.2.3 氢燃气轮机
燃气轮机是将燃料的化学能转化为动能的内燃式动力机器，是发电和船舰领域的核心装备。较之于燃煤发电机组，燃气轮机具有发电效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面积小、耗水量少和运行调节灵巧等优点[83]。目前，燃气轮机电站发电量约占环球总发电量的23.1%。燃气轮机的常用燃料是天然气，会造成大量的碳排放且个中的杂质易积聚，乃至对机器造成堕落，致使能量转化效率和利用寿命降落。而氢气的火焰传播速率约为天然气的9倍，15min旁边便可以将负荷从零拉升至全满[85]，用氢气替代天然气，除了可以提高热值和降落碳排放量外，还可以使燃气轮机具有更高的负荷调节能力。
目前，多个电力巨子已经开展了氢能燃气轮机的干系研究事情。如通用电气（GE）的首台稠浊氢燃气轮机已落地广东，混氢比例为10%的燃气轮机将供应1.34 GW的电力。此外，GE还将建造美国第一座燃氢发电厂，争取10年内实现100%燃氢。日本三菱重工已经成功研制30%混氢比例的燃气轮机，西门子能源在德国开展了100%氢能燃气轮机原型机的试验，日本和欧盟EU Turbines已经承诺在2030年前推出100%燃氢重型燃气轮机。然而，目前市场上还没有可以处理纯氢燃料的、长期可运行的燃气轮机。大力发展氢能燃气轮机，须要办理燃氢过程中产生的回火和温度过高档问题。在这方面我国与国外差距较大，须要加强政策扶持力度、深化科研攻关，尽早为氢能燃气轮机国产化进程铺平道路。
3.3 氢化工质料
目前环球约55%的氢需求用于氨合成，25%用于炼油厂加氢生产，10%用于甲醇生产，10%用于其他行业。随着我国科技、工业水平的不断发展，在石油炼制等石化领域将会越来越多地用到加氢技能。
3.3.1 石油化工加氢
加氢技能是生产清洁油品、提高产品品质的紧张手段，是炼油化工一体化的核心。石油化工中用到的加氢技能紧张包括重油加氢裂化生产芳烃及乙烯、渣油加氢脱硫生产超低硫燃料、劣质催化柴油及汽油加氢转化生产高辛烷值汽油、C3馏分加氢脱丙炔与丙二烯、重质芳烃加氢脱烷基、苯加氢制环己烷等。加氢技能目前仍旧存在着投资和操作本钱高、能耗高档问题。开拓新的活性组分体系、新的载体以及新型纳米催化剂，提高加氢催化剂的活性与选择性，降落工艺工程中的氢耗和本钱，是石油化工加氢领域研究的重点。
3.3.2 合成化工产品
氢用作质料合成化工产品，例如氨、尿素等。氨紧张是通过哈伯—博施法合成得到，具有比氢更高的能量密度，可用于储存能量和发电，并且完备不会排放二氧化碳。氨可以在室温和10 atm下作为液体储存，适宜于运输。此外，还有完善的运输和处理液氨的根本举动步伐，便于氨的规模利用。氨还可以与CO2结合得到尿素，既是一种主要的氮肥也是一种可持续的氢载体，它稳定、无毒、对环境无害且更易于储存。哈伯—博施法合成氨自100年前发明以来，工艺已经发展得相称成熟，目前仍旧是环球合成氨的最主流方法，但一贯以光降盆氨所需的氢气紧张源于化石燃料制氢所得到，碳排放量大。目前合成氨家当在考试测验开拓新的制备工艺，如固氮酶合成氨、光催化合成氨、电催化合成氨、循环工艺法合成氨以及超临界合成氨等。这些新生的合成氨工艺尚不成熟，存在着效率不高、反应过程不稳定、经济性较低等问题，仍须要进一步验证与完善。未来的发展方向将利用可再生资源生产的氢气，并由此可以显著地改进现有工艺并降落温室气体排放量。
3.3.3 合成燃料
氢气同样可以通过与二氧化碳反应合成大略的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。这些化合物液化后易存储、方便运输、能量密度高、不易爆炸，并且作为液态燃料本色上可以达成零碳排放，是一种适宜于除输电之外的可再生能源储存和运输模式。
甲醇是主要的化工质料，用于生产甲醛、二甲醚、丙烯、乙烯和汽油等，市场需求量大。甲醇具有12.6%（质量分数）的高氢含量和5.53 kWh/kg的高能量密度，是主要的液态燃料和氢能载体，既可以转化回氢气和一氧化碳用于质子交流膜燃料电池，也可以直接用于甲醇燃料电池，还可直接用作内燃机、涡轮机和燃料电池的燃料。目前工业上二氧化碳加氢制甲醇技能正在从工业示范走向大规模商业化运用，日本、冰岛、美国等均已建成中试装置，冰岛的碳循环利用公司（CRI）采取的ETL专有绿色甲醇合成工艺，能够利用可再生能源制氢，并且每年制取约4000 t甲醇，是目前能用于商业运行的相对较为前辈技能。我国河南顺成集团已与冰岛碳循环利用公司签署互助协议，引进CRI技能培植10万吨级二氧化碳加氢制甲醇项目。采取氢气合成甲醇、甲烷或碳氢化合物，可以有效地存储和输运可再生能源制备得到的氢气，破解氢能家当“制、储、运”过程中的安全性和本钱难题，有助于更加便利地利用清洁能源，为绿色能源转型供应理解决方案。
3.4 氢还原剂
钢铁冶炼过程中，采取焦炭作为铁矿的还原剂，会产生大量的碳排放及多种有害气体。钢铁冶金作为我国第二大碳排放来源，亟待发展深度脱碳工艺。用氢气代替焦炭作为还原剂，反应产物为水，可以大幅度降落碳排放量，促进清洁型冶金转型。目前环球已有少数国家发布了氢冶金技能案例，例如瑞典HYBRIT项目、萨尔茨吉特SALCOS项目、奥钢联H2FUTURE项目以及德国Carbon2Chem项目等。海内部分钢铁企业也发布了氢冶金方案，培植示范工程并投产，但有关示范工程尚处于工业性试验阶段，根本举动步伐不完善、干系标准空缺、本钱较高、安全用氢等问题依然存在。当前，制约氢能炼钢的紧张成分是制氢本钱，根据瑞典钢铁公司HYBRIT项目的履历，氢能炼钢会使本钱提高20%～30%[91]，导致其在市场上没有任何竞争上风。但在“双碳”目标的背景下，发展氢能炼钢已迫不及待。在实际生产中，最适宜炼钢的是绿氢，若绿氢生产本钱得以降落，则可加快绿色冶金的推进，终极所得到的环保效益会覆盖其额外本钱。利用氢能进行钢铁冶金是钢铁行业实现深度脱碳目标的必行之路。
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4 寻衅与展望
在“双碳”目标的背景下，须要磋商氢气能源计策意义，剖析氢能制备、储运和运用中的技能进展以及存在的寻衅与机遇，积极推动“氢能中国”计策的实现。
4.1 紧张寻衅
目前环球氢能行业总体处于发展初期，在终端能源消费量中占比仍旧很低。只管目前开展氢能行业布局国家的合计经济总量已霸占环球的75%，但受限于多方面的制约成分，氢能行业尚未形玉成家当链与协力，未能全面推动生产生活进步，其缘故原由紧张如下：
1）氢能关键材料及设备零部件哀求苛刻、工艺繁芜、本钱高昂，并且不同国家、不同部门之间的技能差距明显。尤其对付我国来说，一些关键技能仍旧被国外所垄断。如PEM制氢技能中的核心部件质子交流膜，目前美国杜邦公司的Nafion全氟磺酸膜在环球市场具有超过90%霸占率，技能打破难度大。
2）电解水制氢技能是实现绿氢大规模生产的最有希望的路子，但其本钱过高，紧张由电价导致，短期仍无法完备替代碳排放量较高的化石燃料制氢。目前电解水制氢在我国氢能源构造中占比不到2%，短期内仍需依赖煤制氢来保障氢能行业的供给。
3）受限于我国可再生能源资源的分布状况，制氢端与用氢端每每存在着较大的韶光和空间错位性，尚未形成完善的氢气存储和输运网络渠道。我国西北地区拥有丰富的风、光资源，而具有大规模用氢需求的则紧张是经济发达及人口密集的东南地区。
4）较之于石化能源家当，氢能属于新兴能源，目前缺少相应根本举动步伐整体布局。例如城市加氢站、输氢管道、工业副产氢纯化系统等支撑举动步伐严重不敷。因此，目前氢能百口当链体系高下游难以形成有效联动，尚未健全。
5）当前用氢端需求关注方向过于单一，紧张集中在氢燃料电池及其交通载具方面，目前成熟度偏低、规模不大。而氢能作为能源载体，在传统能源密集型家当及新型氢能运用处景中，需求尚未得到全面开拓。
6）氢能技能标准不完善，涉及氢品质、储运、加氢站和安全等内容的技能标准较少。例如在可再生能源制氢、液态储氢、工业用绿氢等新型氢能领域的技能工艺、装置设备及生产运营环节，急需一套健全的国际、国家或行业标准，以此来规范氢能行业市场康健发展。
4.2 未来展望
4.2.1 氢能家当链发展展望
与当前构建天然气工业一样，我国正在构建制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等氢气能源工业体系（图3）。针对氢能行业在技能、经济性及布局方案上的寻衅，结合家当链各个环节，对氢能未来发展进行如下展望。
图3 以绿氢为核心的氢能百口当链示意图
1）在制取氢方面，氢能作为二次能源，要实现真正意义上的零碳排放，它的发展不可避免地将依赖于太阳能、风能等可再生能源技能的打破。通过电力本钱与设备本钱的协同降落，方可表示绿氢的经济上风。较之于日本、韩国等国家，我国幅员辽阔，具有广阔的沙漠、戈壁、荒原、草原及海疆资源，可以供应丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源，在发展绿氢方面具有先天上风，可以加快实现“氢能中国”计策。
2）在储运氢方面，氢的长间隔储运将以天然气管道掺氢或新建纯氢管道输氢为主，中短间隔要以如氨等多种储运技能结合，并因时制宜地发展。随着制氢真个技能打破，通过输氢网络交联，在氢能的下贱如工业、交通和建筑等领域大规模遍及，绿色“氢经济”的观点将转变为现实。
3）在运用氢方面，随着行业聚焦与技能发展，期待很高的是氢燃料电池，带动交通领域运用的变革。在各种须要用氢的化工领域，如炼油、合成氨、甲醇生产以及炼钢行业，绿氢将逐步取代灰氢。在其他诸多传统能源密集型家当，氢能也将代替化石能源作为能量载体进行供能。在建筑领域，采取绿色氢能的分布式冷热电联供系统，也是节能减排的主要办法。同时，更多的氢能运用处景将得以逐渐开拓。
4.2.2 “氢能中国”计策的履行路径
根据能源转型委员会（Energy Transitions Commission, ETC）预测，环球在2050年，仅工业及氢燃料电池领域将有3.6亿t的氢能需求量。目前氢能已成为欧盟、美国、日本、韩国等发达经济体能源转型的计策方向。环球氢能家当链正逐渐形成，对氢能的高效利用已然成为环球的共识。
我国正在积极跟进氢能行业发展大势，加大氢能制备与运用领域技能与干系设备自主研发，加快履行“氢能中国”计策。
1）加大可再生能源制氢领域技能攻关，积极推动试点示范，在玉门、新疆、青海、大庆、吉林等风、光资源丰富地区，推进清洁、低碳、低本钱氢能制备家当体系培植，形成绿氢制备大规模发展，并持续开展电解海水制氢、光催化制氢、微生物制氢等技能研究，逐步提升“绿氢”在终端能源消费中的比重。
详细做法包括：
①加大可再生能源电解水制氢、光解水制氢等科学机理及氢脆失落效、低温吸附、泄露/扩散/燃爆等氢能安全根本规律研究，储备自主研发核心技能；
②重点开展低本钱、高效率、龟龄命的质子交流膜电解水制氢、固体氧化物电解水制氢成套工艺、大功率碱水电解制氢等关键技能开拓；
③在我国西北地区风、光资源丰富地区打造“零碳”家当园，开展清洁、低碳、低本钱氢能制备家当体系培植与试点示范；
④探索利用氢能实现时令性储能，提高弃风、弃光利用率，增强电网系统调峰力度，将可再生能源与电网、气网、热网和交通网连为一体，办理可再生能源生产与消纳错位的问题。
2）依托能源行业丰富的根本培植与储运履历，探索固态、深冷高压、有机液体等氢储运办法运用，统筹推进氢能根本举动步伐培植，布局中长间隔输氢管网培植，在重型卡车多的码头与运输高速路线上构建加氢站网络，加快构建安全、稳定、高效的全国氢能供应体系，逐步构建便捷和低本钱的氢气运输网络。
详细做法包括：
①加大固态、深冷高压、有机液体等关键技能攻关，开展天然气管道掺氢、纯氢管道运送液氨等试点示范，利用管道或车载实现氢气安全高效输运；
②统筹布局培植加氢站，有序推进加氢网络体系培植，利用现有加油加气站园地举动步伐改扩建加氢站，探索站内制氢、储氢和加氢一体化加氢站新模式；
③发挥氢燃料电池汽车加氢韶光短、续航里程长、低碳无污染等上风，推动氢燃料电池汽车在重载及长途交通运输等领域先行示范。
3）合营我国的东北、华北北部和西北地区（简称“三北”地区）绿氢规模发展与东部沿海“海氢上岸”布局，积极勾引氢能在化工、炼钢、交通、储能、发电等高能耗高排放行业替代，加大氢能运用领域技能与干系设备自主研发，结合工业领域替代化石燃料运用，构建以绿氢为核心的“氢工业”百口当链体系。
详细做法包括：
①开展以氢作为还原剂的氢冶金技能研发与运用，探索氢能在工业生产中作为高品质热源的运用；
②扩大氢能替代化石能源运用规模，积极勾引合成氨、合成甲醇、炼化、煤制油气等行业，由高碳工艺向低碳工艺转变；
③推动氢作为二次能源介质，在大规模储能及分布式发电、备用电源、移动式电源、家用热电联供系统等领域取得规模运用打破。
4.2.3 油气公司在“氢能中国”计策履行过程中的浸染
谋划“氢能中国”计策对付实现“双碳”目标具有重大意义。油气公司将在“氢能中国”计策的履行过程中将发挥举足轻重的浸染。
1）各油气公司可利用油气田地区丰富的风、光等资源，大力发展可再生能源制氢，保供绿氢市场。结合电解水制氢技能的打破开拓离网光伏制氢、压差发电制氢等运用处景，油气公司可大规模开展可再生能源制氢试点示范，支撑示范油气田清洁用能替代和绿色转型发展。东部海上油田丰富的潮汐能、波浪能、海上太阳能和风能等可再生能源，也将助力“海氢上岸”，拓展氢能百口当链布局。
2）油气公司炼厂副产氢则可在绿氢市场成熟之前参与氢能供应。中国石油天然气株式会社（以下简称中国石油）华北石化分公司已建成500 Nm3/h副产氢提纯装置，每天满负荷生产可产出纯度靠近100%的氢气4 750～5 500 kg，可以为近千辆氢燃料电池车供应做事。
3）油气公司在氢能根本举动步伐培植，具备先天后发上风。通过研究我国天然气管道掺加氢气先例与根本，油气公司将连续培植天然气管道掺氢、纯氢管道等试点示范，利用管道实现氢气的安全高效输运。
4）油气公司具备培植健全氢能供应体系的坚实根本。油气公司将利用加油气站网络上风，统筹布局已有加油气站的改造与新加氢站的培植，有序推进加氢网络体系培植。通过探索站内制氢、储氢和加氢一体化的加氢站等新模式，可进行“油、气、氢、电”四站合建。在此根本上，将加速形成多元互补领悟的当代能源供应体系。
我国紧张油气公司正在积极全链条布局氢能主业。中国石油按照“清洁替代、计策接替、绿色转型”三步走总体支配，协同发展氢能家当链、风能、太阳能、地热能等可再生新能源。未来，中国石油还将在全国范围大力发展氢能工业，布局绿氢生产、储运、加注与利用等，走出一条“绿色低碳”高质量超过式发展的“石油路径”。通过油气公司在氢能百口当链示范与区域方案及布局，实现“油、气、氢、热、电、储”的领悟发展，助力“氢能中国”计策实现。
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5 结束语
总之，在“双碳”目标下，氢能行业将迎来大发展是一定趋势。我国具有发展氢能的先天上风，正在构建成熟的氢能技能链与家当链，并加快履行“氢能中国”计策。油气公司是实现“氢能中国”的主要力量，正在支撑当前、引领未来，带动海内氢能行业发展。随着技能的进步与行业布局的完善，氢能作为一种有着诸多无可比拟上风的能源，将在我国以及环球实现能源转型与碳中和目标中承担主要的计策地位。
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