在全球努力应对气候变化、寻求可持续能源解决方案的大背景下,氢能正逐渐崭露头角,成为备受瞩目的焦点。这种以氢元素为基础的能源形式,具备诸多令人瞩目的特性,有望在未来能源格局中占据关键地位,为人类社会的可持续发展注入强大动力。
氢,作为宇宙中最为丰富的元素,约占宇宙物质总量的 81.75% ,在地球上,它主要以化合态存在于水等化合物中。从能源角度来看,氢能具有众多显著优势。首先,氢气的燃烧热值极高,达到汽油的 3 倍、酒精的 3.9 倍、焦炭的 4.5 倍 ,这意味着单位质量的氢气能够释放出极为可观的能量,为高效能源供应提供了可能。其次,氢气燃烧的产物只有水,完全不产生诸如二氧化碳、氮氧化物、颗粒物等污染物,真正实现了清洁无污染排放,这对于缓解当前严峻的环境污染和气候变化问题具有深远意义。再者,随着技术的发展,获取氢气的途径日益多样化,使其来源具备一定的广泛性和可持续性。综合这些优势,氢能在当今倡导绿色发展的时代浪潮下,其开发与利用自然而然地受到了前所未有的重视,众多国家和地区纷纷将其纳入能源发展战略规划之中。
[此处插入一张展示氢气燃烧原理或氢能产业链的图片,例如氢气与氧气在燃料电池中反应产生电能和水的原理图,或者涵盖制氢、储氢、运氢、用氢环节的产业链流程图,图片来源需注明]
近年来,我国在氢能技术及产业发展方面取得了令人瞩目的成绩,呈现出蓬勃发展的态势。首列氢能源市域列车成功完成达速试跑,标志着氢能在轨道交通领域迈出了重要一步,为城市绿色交通发展提供了新的方向。海水直接制氢技术在福建海试成功,这一突破性进展拓宽了制氢的原料来源,对于充分利用海洋资源、降低制氢成本具有重要的示范意义。同时,国家层面也密集出台了一系列政策文件,如《氢能产业发展中长期规划(2021—2035 年)》《氢能产业标准体系建设指南(2023 版)》等 ,从宏观规划到标准体系建设,为氢能产业的有序、健康发展提供了坚实的政策保障和指引。这些政策的出台,犹如催化剂一般,激发了市场主体的积极性,吸引了大量资金、技术和人才涌入氢能领域,推动着我国氢能产业不断向前迈进。
氢能不仅是一种清洁能源,从其应用的多样性来看,也可称之为 “多彩” 能源,在众多领域展现出了巨大的应用潜力和独特优势。
在交通领域,氢燃料电池汽车以其零排放、零污染、无噪声的显著环保特性,成为解决当前交通领域碳排放和环境污染问题的理想方案之一。与传统燃油汽车相比,氢燃料电池汽车在运行过程中不会产生尾气排放,有效减少了对城市空气质量的负面影响。而且,在补充燃料方面,氢燃料电池汽车所需时间较短,一般几分钟即可完成加氢,这与电动汽车较长的充电时间相比,大大提高了出行的便利性。同时,其续航能力也较强,能够满足中长途出行的需求。随着技术的不断进步,氢能交通工具正在构建一种风、光、水到氢再到水的 “无碳物质闭环” ,实现了清洁能量的循环利用。例如,氢能源市域列车以每天 500 公里里程计算,每年大约可减少 10 余吨二氧化碳排放 ,这对于推动交通领域的低碳化转型具有重要的示范和带动作用。目前,我国在氢燃料电池汽车的推广应用方面已经取得了一定进展,车辆数量不断增加,加氢站等配套基础设施建设也在稳步推进。
工业领域是目前我国氢基能源最大的应用领域。氢气作为重要的工业原料,在多个工业细分领域发挥着不可或缺的作用。在化学工业中,氢气是合成氨、甲醇等重要化工产品的主要原料之一。在炼油工业中,氢气广泛应用于对石脑油、粗柴油、燃料油、重油的脱硫以及石油炼制、催化裂化等工艺过程,通过加氢精制能够有效提高油品的质量。在尼龙塑料、农药、油脂化学和精细化学品加工等行业,氢气同样是生产相应产品的关键原料。在电子工业中,氢气主要用作保护气体,在电子材料、半导体材料和器件、集成电路及电真空器件生产过程中,高纯氢作为还原气、携带气和保护气,对于保证产品质量和生产过程的稳定性起着至关重要的作用。在冶金工业中,对于有色金属如钨、钼、钛等的生产和加工,以及硅钢片、磁性材料和磁性合金的生产,氢气常被用作还原剂和保护气,有助于提高产品的磁性和稳定性。在粉末冶金生产以及薄板和带钢轧制过程中,氢 — 氮混合气常被用作保护气。在油脂工业中,氢气可将液态油氢化为固态或半固态的脂肪,用于生产人造奶油或肥皂工业用的硬化油,不仅可以稳定贮存,还能抵抗细菌生长,提高油的黏度。此外,氢气还可用于动植物油脂的硬化,如制造人造奶油、脆化奶油、润滑脂等。在轻工业中,如石英玻璃、人造宝石的制造和加工以及浮法玻璃生产中,氢气被用作燃烧气或保护气。同时,氢气还可作为汽轮发电机的冷却剂。随着全球对工业领域碳排放要求的日益严格,在双碳目标的约束下,预计氢基能源在工业领域的应用规模将迎来快速增长,通过采用绿氢等清洁氢源,将有效助力工业生产过程实现深度脱碳减排。
氢能与建筑领域的融合,正逐渐成为一种引领绿色建筑发展的新理念。建筑领域作为我国三大 “耗能大户” 之一,对电能和热能的消耗巨大。传统的建筑供暖供热主要依赖煤炭和天然气等化石能源的燃烧,这种方式不仅能源利用效率较低,而且会产生大量的碳排放。而利用氢燃料电池,通过热电联产方式,综合效率可达 85% ,在为建筑发电的同时,余热可回收用于供暖和热水供应,大大提高了能源利用效率。在氢气运输至建筑终端方面,借助较为完善的家庭天然气管网,以小于 20% 的比例将氢气掺入天然气中,便可将其运输至千家万户 ,为建筑用能提供了一种新的清洁解决方案。据估计,到 2050 年,全球 10% 的建筑供热和 8% 的建筑供能将由氢气提供,每年可减排 7 亿吨二氧化碳 ,这充分显示了氢能在建筑领域的应用对于实现建筑行业低碳绿色发展的巨大潜力。目前,一些地区已经开始试点建设氢能示范社区,探索氢能在建筑领域的实际应用模式和运营机制,随着技术的成熟和成本的降低,氢能有望在未来建筑能源供应中占据重要地位。
在电力领域,由于可再生能源(如太阳能、风能等)具有间歇性和不稳定性的特点,其大规模并网发电面临着诸多挑战。而氢能通过电 — 氢 — 电的转化方式,可成为一种极具潜力的新型储能形式。在用电低谷期,利用富余的可再生能源电力电解水制取氢气,并以高压气态、低温液态、有机液态或固态材料等形式将其储存下来;在用电高峰期,再将储存的氢通过燃料电池或氢气透平装置进行发电,并入公共电网,从而实现电力的削峰填谷,提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统的安全性、灵活性。与其他储能方式相比,氢储能具有存储规模更大(可达百万千瓦级)、存储时间更长(可实现季节性存储)等优势,能够更好地适应太阳能、风能等可再生能源产出的时空差异。2019 年 8 月,我国首个兆瓦级氢储能项目在安徽六安落地,并于 2022 年成功实现并网发电 ,这一项目的实施为我国氢储能技术的发展和应用积累了宝贵经验,也为后续大规模推广氢储能项目奠定了基础。此外,电氢耦合技术的发展,将进一步促进电能和氢能之间的协同互补,在我国构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系中发挥重要作用。通过将可再生能源发电与制氢相结合,实现能源的跨领域优化配置,提高能源利用效率,降低能源供应的综合成本,增强能源系统的韧性和可靠性。
尽管氢能具有广阔的发展前景和诸多优势,但目前其大规模商业化应用仍面临一些挑战。
在制氢环节,低成本低排放绿氢制取是关键难题之一。从制取过程的碳排放强度来看,氢可分为 “灰氢”“蓝氢” 和 “绿氢”。灰氢是通过化石燃料燃烧产生的氢气,在生产过程中会伴随大量二氧化碳排放;蓝氢是在灰氢的基础上,应用碳捕集和封存技术,实现低碳制氢;绿氢则是通过太阳能、风力等可再生能源发电进行电解水制氢,整个过程几乎没有碳排放 。目前,我国氢气制取以煤制氢方式为主,占比约 80% ,这种方式虽然工艺成熟、成本相对较低,但面临着碳排放和化石能源储量有限的问题。而绿氢制取由于受到可再生能源发电成本、电解水制氢技术效率和设备成本等因素的制约,目前成本仍然较高,难以与传统制氢方式竞争。未来,随着可再生能源发电成本的持续降低,以及电解水制氢技术的不断创新和规模化应用,绿氢占比有望逐年上升,预计到 2050 年将达到 70% ,但要实现这一目标,仍需在技术研发和产业政策支持方面持续发力。
氢储运环节也存在着诸多挑战。氢气具有密度小、易泄漏、易燃易爆等特性,这对其储存和运输技术提出了很高的要求。目前,高压气态储运技术是最为广泛应用的氢能储运方式,长管拖车运输灵活性高,适用于短距离、小体量输氢,但运输效率相对较低,且随着运输距离的增加,成本会大幅上升。液氢存储和固态储氢虽然具有无需压力容器、运输便捷等优点,是未来实现大规模氢能储运的发展方向,但目前相关技术仍不够成熟,成本居高不下,限制了其大规模应用。此外,建设完善的氢储运基础设施网络需要巨大的资金投入和较长的建设周期,这也在一定程度上制约了氢能产业的快速发展。
在应用环节,虽然氢能在各个领域都展现出了良好的应用前景,但目前仍面临着一些具体问题。例如,在氢燃料电池汽车领域,燃料电池的关键材料和零部件(如质子交换膜、气体扩散层、车用压力氢气传感器等)部分依赖进口,核心技术自主可控水平有待提高,这不仅增加了车辆的生产成本,也限制了产业的规模化发展。同时,加氢站等配套基础设施建设严重滞后,数量不足且分布不均,导致氢燃料电池汽车的使用便利性大打折扣,“加氢难” 成为制约其推广的重要因素之一。在工业领域,虽然氢气作为工业原料的应用较为广泛,但将传统工业生产流程切换为以绿氢为原料的新工艺,需要对现有设备进行大规模改造,涉及大量的资金投入和技术难题,企业的积极性受到一定影响。在建筑和电力领域,氢能应用的相关标准和规范尚不完善,市场接受度还需要进一步培育和提高。
为了推动氢能产业的健康、快速发展,突破上述面临的各种挑战,需要政府、企业、科研机构等各方协同合作,采取一系列针对性的措施。
在政策层面,政府应继续加大对氢能产业的支持力度,完善相关政策法规体系。一方面,通过财政补贴、税收优惠、产业基金等方式,鼓励企业加大在绿氢制取、氢储运技术研发和基础设施建设等方面的投入,降低企业的运营成本和投资风险。另一方面,加快制定和完善氢能全产业链的标准规范,包括制氢、储氢、运氢、用氢等各个环节的技术标准、安全标准和质量标准等,为产业的规范化发展提供依据。同时,加强对氢能产业的规划引导,合理布局产业项目,避免盲目投资和重复建设,促进产业资源的优化配置。
在技术研发方面,科研机构和企业应加强产学研合作,集中力量攻克关键技术难题。在制氢技术方面,加大对可再生能源电解水制氢技术的研发投入,提高电解槽的效率和稳定性,降低设备成本,同时探索新的制氢工艺和催化剂材料,进一步提高制氢效率和降低能耗。在氢储运技术方面,加快推进液氢存储、固态储氢等先进储运技术的研发和产业化进程,降低储运成本,提高储运安全性。在应用技术方面,加强对氢燃料电池关键材料和零部件的国产化研发,提高燃料电池的性能和可靠性,降低成本。同时,针对不同应用领域的特点,开发适配的氢能应用技术和产品,提高氢能在各个领域的应用可行性和经济性。
在产业培育方面,企业应积极拓展市场应用场景,加强产业链上下游的协同合作。通过示范项目建设,展示氢能在交通、工业、建筑、电力等领域的应用优势和实际效果,提高市场对氢能的认知度和接受度。同时,加强企业间的合作与交流,建立产业联盟或合作平台,共同推动氢能产业链的完善和发展。例如,制氢企业与用氢企业可以通过签订长期合作协议等方式,建立稳定的供需关系,降低市场交易成本。此外,积极培育和发展氢能相关的服务产业,如加氢站运营管理、氢能设备维护保养、氢能技术咨询等,为氢能产业的可持续发展提供全方位的支持。
随着全球对可持续能源需求的不断增长以及对环境保护重视程度的日益提高,氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源形式,其未来发展前景十分广阔。虽然目前面临着诸多挑战,但通过各方的共同努力,在政策支持、技术创新和产业培育等方面持续发力,氢能有望在未来能源体系中扮演越来越重要的角色,为实现全球碳中和目标、推动人类社会的可持续发展发挥关键作用。让我们拭目以待,共同见证氢能时代的到来。
以下是关于氢能的 5 个常见问答:
- 问:氢能与传统化石能源相比,最大的优势是什么?
答:氢能最大的优势在于清洁无污染,燃烧产物只有水,不像化石能源燃烧会产生二氧化碳、氮氧化物等污染物,对环境十分友好;且氢气燃烧热值高,是汽油的 3 倍等,能量密度大。
- 问:目前制约氢能大规模应用的主要因素有哪些?
答:主要因素包括制氢成本较高,尤其是绿氢制取受可再生能源发电成本和技术效率影响;氢储运困难,其特性导致安全、高效、低成本储运技术有待突破;应用环节也面临如燃料电池关键材料依赖进口、加氢站等基础设施不足等问题。
- 问:绿氢、蓝氢和灰氢有什么区别?
答:灰氢是通过化石燃料燃烧产生,伴有大量碳排放;蓝氢是在灰氢基础上应用碳捕集和封存技术,实现低碳制氢;绿氢则是利用可再生能源发电电解水制取,几乎无碳排放,是最清洁的制氢方式。
- 问:氢能在交通领域的应用前景如何?
答:前景广阔。氢燃料电池汽车具有零排放、加氢快、续航长等优点,适合中长距离和重载运输,未来有望在商用车(如客车、重卡)以及部分乘用车领域逐步推广,随着技术进步和基础设施完善,市场份额将不断扩大。
- 问:我国在氢能产业发展方面有哪些政策支持?
答:我国出台了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035 年)》《氢能产业标准体系建设指南(2023 版)》等政策文件,明确了氢能的战略地位,从规划引导、标准制定、财政补贴、税收优惠等多方面支持产业发展,各地也纷纷出台专项政策推动氢能产业落地。
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