制取技术“短板”制约氢能大发展

【专题 | 「氢能源」氢能产业链_中国氢能源行业发展现状与趋势】

我国在发展氢能方面的重要优势之一就是拥有丰富的氢源基础，但氢能制取技术这一世界性难题至今并未取得大的突破，氢能制取成本严重制约行业发展。

国内的氢能火到什么程度？“今年8月，中国工程院举行了一场氢能相关的项目咨询会，全国有39个省、市级政府报名参加，还有100多家企业到场，我怎么也没想到，开始准备的一个300多人的小会场，最后却来了将近700人。”11月13日，在2019中国电机工程学会年会院士专家论坛上，中国工程院院士、中国矿业大学教授彭苏萍用“非常大的热潮”形容目前国内氢能的火爆。

“上世纪90年代美国就提出发展氢能的概念，但一直没有推广起来，是什么原因？2011年日本福岛核事故后，日本对氢能也越来越重视，目前也在大力推广。”在彭苏萍看来，世界氢能的“风口”之上，中国应该真正找到自身发展氢能的优势。

须区分“原料氢气”和“能源氢气”

“现在主要的制氢路线有煤制氢、天然气制氢、工业副产品制氢和电解水制氢。由此可以看出，我国在发展氢能方面重要的优势之一就是拥有丰富的氢源基础。”彭苏萍逐一算起了账，“我国煤炭资源保有量约1.95万亿吨，假设用10%来制氢，按照制备一千克氢气消耗8千克煤计算，煤制氢的潜力就达到约243.8亿吨；同样，我国天然气可采资源量是50.1万亿立方米，假设用5%来制氢，制备1千克氢气约消耗5立方米天然气，天然气制氢潜力可以达到约5.01亿吨。”此外，据彭苏萍计算，利用焦炭生产过程产生的大量焦炉煤气，我国焦炉煤气制氢潜力约为566.4万吨/年；若利用弃风、弃光、弃水的电量进行电解水制氢，年产氢潜力也接近180万吨。

“这样测算下来，我国氢气的年产量可以达到约2000万吨。其中，煤制氢约占62%，天然气制氢约占19%，工业副产品等制氢约占18%，水电解制氢约占1%。”彭苏萍说。

另一方面，氢源基础虽丰富多样，但中国工程学院院士杨裕生强调，在用途上，必须区分“原料氢气”和“能源氢气”。“自然界没有单质氢气可以开采，必须从含氢物质中提取。提取氢气的目的原本是用作化工原料，而用作能源的历史则很短。原料氢气和能源氢气，虽然都是氢气，但是原料氢气只有在不影响其原来生产使用的前提下，才能拿出一小部分用作能源，其数量是十分有限的。”

“三弃”电量制氢成本高昂

资源有优势，又该如何充分发挥优势呢？

“为什么美国推了20多年的氢能却推不下去，实际上主要的原因之一就是氢能太贵，制氢成本太高。”彭苏萍指出，要想发挥在制氢层面的优势，在充足氢源的基础上，要尽可能降低制氢成本。“目前，煤制氢的技术成熟度是最高的，成本也相对低廉。煤制氢叠加碳捕捉与封存技术（CCS）的制氢路线成本与天然气制氢相当。传统的电解水制氢成本还是比较高的。”

对于电解水制氢，彭苏萍特别强调，要充分考虑弃风、弃光、弃水等弃电的综合成本。“有很多观点认为‘三弃’的电量可以用来制氢，好像这些电就是不要钱的，但实际上我国在可再生能源基础设施开发建设上的投资是很大的，这个成本不容忽视。”

不仅如此，通过“三弃”制备出的氢也同样存在消纳问题。“我国‘三北’地区的弃风、弃光电解出的氢，在‘三北’地区是消耗不了的，必须远距离输送到燃料电池车盛行的地区，这个输送过程中的耗能自不在话下，而且高压纯氢对管道钢的氢脆更是一个难关。”此外，杨裕生还指出，目前我国“三北”地区的弃风、弃光是不正常的短期现象，“一旦造成这种现象的人为和技术原因消除，也就无弃风、弃光可用了，因为输电相比于输氢，无论是设备的建设还是运行，都要合理得多。”

而且，就电解水制氢技术而言，彭苏萍指出，碱性水电解制氢相对成熟，固体氧化物水电解制氢和质子交换膜（PEM）电解水制氢等技术还处于可行性研究或示范论证阶段。

低成本供氢体系建设任重道远

基于目前的技术发展和相关产业推进情况，彭苏萍预测，未来五年，我国的氢气年需求量将达到约2200万吨。而且由于成本相对较低且接近主要的消费市场，工业副产品制氢将成为有效的制氢主体，同时，根据不同地区的具体情况，可在有条件的地区探索开展可再生能源电解水制氢的项目示范。

对于工业副产品制氢并应用于燃料电池的路线，杨裕生表示：“原则上我完全赞成，但账到底怎么算要商榷，因为不是所有副产氢都可用于燃料电池。以焦炉炼焦行业为例，要将焦炉煤气中的几项重要杂质降到国家标准GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》的要求，不仅要解决一系列技术难题，还要消耗大量的能量。”

随着技术的发展进步，彭苏萍表示，到2025-2030年，我国的氢气年需求量将上升至约3500万吨，煤制氢配合CCS技术、可再生能源电解水制氢将成为有效制氢主体。而放眼2030-2050年的远期发展，彭苏萍认为，我国氢能的年需求量将达到约6000万吨，可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体，煤制氢配合CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术将成为有效补充。届时，我国有望实现整体氢能供给充裕，建成低碳、低成本的供氢体系。“预计到2050年，我国氢气使用量将达到0.6亿-1亿吨，占我国终端能源结构的10%以上，产业链年产值约12万亿元。”

来源：中国能源报  记者： 姚金楠 刘澄谚