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從2020年9月22日起，碳達峰、碳中和成了國內的熱門話題；氫能產業(yè)、氫經(jīng)濟等概念、報告、研討會、報告會等概念，讓人應接不暇。為什么碳中和能帶動氫能產業(yè)熱，為什么提氫占燃料比例而不是能源結構中的比例，現(xiàn)有的制氫技術路線有哪些特點，未來的發(fā)展方向是什么？
一般來說，氫和柴油、汽油等能源類型的性質相似，主要有兩個原因。第一，它們都屬于二次能源。二次能源是從一次能源轉化而來的，如柴油、汽油都是用石油煉出來的，而煤、薪柴等初級能源無需加工即可直接使用。氫氣可由煤、天然氣等傳統(tǒng)能源轉化而來，或由工業(yè)副產品，如生物質，以及電解水制取。其次，柴油、汽油和氫氣都是“能量”物質，有些人稱其為“含能體”能源；這類能源品種的最大特性，既可用作燃料，又可與汽車、輪船、飛機等移動性很強的現(xiàn)代交通工具直接使用。
盡管氫和電力都是二次能源，但其性質卻有所不同。盡管城市有軌電車，但在現(xiàn)有技術經(jīng)濟條件下，電力并不能直接用于移動的現(xiàn)代交通工具，因此又稱“過程性能源”，交通工具如高鐵、地鐵可直接使用，即使電池功率不大，還可通過蓄電池等電源與人或車輛一起移動。電力可直接由煤、油、氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱、核燃料等一次能源生產，其主要特點是，生產與消費基本同步。這就是說，發(fā)出的電就要用電，不用的話就會浪費，所以才有棄風(電)與棄光(電)一說。
氫氣經(jīng)濟并非新話題，早在70年代就被提出。由于油價上漲，各個國家開始考慮開源節(jié)流的能源問題，氫能就是開放源代碼的產物，節(jié)能也是發(fā)端于那個時候。
隨著化石燃料消費的不斷增長，資源儲量也在不斷減少，不少學者認為，「終將耗盡」，因此，尋求一種不依賴礦物燃料、儲量豐富的新型「含能」物質成為當務之急。因此氫能源應運而生。這就是說，氫氣產生于常規(guī)能源危機之后，人們對其有了期望。由于全球氣候變化的影響，氫氣在能源轉換中的潛力再次引起人們的重視。利用可再生能源制取氫氣、以儲氫物質存儲、與氫燃料電池共同產生“凈零排放”氫能系統(tǒng)；氫氣不僅具有可持續(xù)性，而且成為除可再生能源外“深度脫碳”的重要路徑。
制氫方式，目前主要有四種類型，即化石燃料制氫、工業(yè)副產品制氫、電解水制氫、生物質和其它制氫方法。天然氣制氫應用廣泛，但原料利用率低、工藝復雜、難度較大，且產生二氧化碳等溫室氣體排放，是一大制約因素。使用工業(yè)副產品制氫，不但可以“變廢為寶”，而且成本也比較低廉。在焦爐氣制氫生產中，施工地點離焦化企業(yè)較近，不僅受原料供應的制約，供應鏈的安全也存在隱患。電解水制備氫氣產品，產品純度高、無污染，但價格昂貴，限制了其推廣應用。光解水和生物質制氫的技術還沒有成熟，要使其商品化還有一段時間。綜上所述，煤和天然氣制氫成本低，又以天然氣制氫的經(jīng)濟性最佳。
氫能源的優(yōu)點主要如下。首先，燃燒時熱值較高，每公斤氫氣燃燒3倍左右、酒精3.9倍、焦炭4.5倍左右。第二，氫氣燃燒后僅剩水，因此成為一種清潔能源。第三，氫資源豐富，可以用水來制取，而水是地球上最豐富的資源。第四，氫氣燃料電池的效率高于內燃機。發(fā)動機的最大效率值是20%–30%；如果考慮到電機和控制器的損耗，內燃機的輸出能量只有24%或更少；燃料電池最小效率可達35%–45%(通常要高很多)。
氫氣有很多用途。氫氣可廣泛用于能源、交通、工業(yè)、建筑等領域，可直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料，利用燃料電池技術，還可以應用于汽車、軌道交通、船舶等領域，減少長距離、高負荷交通對油氣的依賴性，并可用于分布式發(fā)電，用電取暖，商業(yè)建筑等。
世界上生產氫氣的主要原料是礦物能源。世界氫的年產量大約是7000萬噸，其中76%是由天然氣來生產的，其余部分(23%)主要是由煤和電解法生產的。用氫能源的天然氣每年大約有2050億立方米(占全球天然氣總消耗量的6%)和1.07億噸煤炭(占全球總消費量的2%)。雖然礦物能源的制氫技術已經(jīng)比較成熟，但是需要安裝一個碳捕獲封存設備來解決碳排放問題。
IEA認為，氫能發(fā)展面臨史無前例的機遇，世界各國從政策到項目數(shù)量都在快速增長，正是氫能不斷擴大，降本增效、降本增效的重要時期，提出七條建議：一是制定氫能發(fā)展的長遠戰(zhàn)略；二是鼓勵清潔氫能發(fā)展的市場需求；三是解決先行者的投資風險；四是支持研發(fā)降低成本；五是統(tǒng)一標準；六是全面加強國際合作；七是抓住未來十年氫能發(fā)展的關鍵機遇。今后可從四個方面著手：把沿?；S建設成擴大清潔用氫能源利用的樞紐；充分利用現(xiàn)有天然氣基礎設施；擴大公共交通用氫領域；開展國際氫貿易，建立第一批航運線。
有關氫能開發(fā)的問題也不容忽視。第一，隨著化石能源制氫和氫氣產業(yè)的發(fā)展，建立法規(guī)標準已迫在眉睫。第二，如果使用了電制氫，轉化效率是個大問題：通常發(fā)電效率低于35%，再用電解水制氫，此時的氫能效率又一次下降，此時的氫能效率將重新計算。第三，燃料電池車所用氫氣與普通工業(yè)氫氣不同，對純度和雜質要求較高。但是，產氫成本高、基礎設施建設滯后等制約著燃料電池的發(fā)展。第四，安全是個非常重要的課題。實際上，電解水制氫技術經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已經(jīng)在系統(tǒng)安全、電氣安全、設備安全等方面形成了較為完善的設計標準和管理規(guī)范，涵蓋了氫氣站、系統(tǒng)技術、供配電系統(tǒng)規(guī)范等。
總而言之，作為碳減排的重要措施，棄風、棄光的電用來電解水制氫，是變廢為寶，不僅能提高能源效率，而且是碳中和的重要方向。在沒有棄電條件的情況下，谷電制氫，能量利用率是一個大問題。對于煤、天然氣等傳統(tǒng)能源制氫，需要解決二氧化碳排放問題。
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