氢能发展：挑战、策略与未来展望
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毛宗强
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孟翔宇
前瞻科技
| 前瞻 2024,3(4): 4-8
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氢能发展：挑战、策略与未来展望
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毛宗强, 孟翔宇
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出版时间: 2024-12-20
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毛宗强, 孟翔宇.
氢能发展：挑战、策略与未来展望.
前瞻科技,
2024
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Science and Technology Foresight,
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在应对全球气候变化的战略背景下，中国提出了“碳达峰与碳中和”（简称“双碳”）目标，展现了其作为大国的责任感和引领全球生态文明建设的决心。这一目标的实现，不仅符合全球可持续发展的趋势，也对国家经济社会发展模式和能源结构产生了深远的影响。为达成这一目标，中国政府已经开始实施一系列政策规划并采取实际行动，以推动能源的绿色低碳转型。在强化能源结构调整的同时，持续提升能源利用效率和清洁能源的比重成为战略重点。其中，氢能作为一种清洁、高效的二次能源，其在能源系统中的地位和角色越发凸显，已成为实现“双碳”目标的关键性选项之一。2023年，中国氢气产量达到3 500万t。据估计，氢能在中国能源体系中占比将逐步提高。到2060年，氢能在终端能源消费占比将达到10%以上。不同于一次性能源，氢能可通过电解水、化石能源转化及生物质转化等多种方式获得，这使得氢能技术的发展和应用成为可再生能源利用和传统能源转型的重要路径。
1 绿氢是实现“双碳”目标的重要途径
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作为一种高效的洁净能源，绿氢正在受到越来越多的重视，特别是在解决气候变化和降低温室气体排放的挑战背景下。绿氢采用可再生能源，如风能、太阳能和水能等，通过电解水或热解水产生氢气，制氢过程不排放二氧化碳，具有零碳排放的特性。因此，绿氢成为未来能源转换和存储的关键环节，对于实现“双碳”目标起到重要作用。近年来，中国着眼于绿氢在推动碳减排方面的潜力，积极推进洁净制氢技术，促进氢能与可再生能源产业的紧密结合。氢能在交通运输和工业生产领域的广泛应用，有效地减少了对化石能源的依赖，并降低了碳排放。绿氢在电网调节、能量存储和高附加值化工产品中的应用，不仅能够提高可再生能源消纳能力，避免电力资源浪费，还可作为化石燃料的补充，用以提高能源系统的灵活性和可靠性。在国家一系列政策文件支持下，央企带头，民企积极参与氢能的发展，取得了巨大的成功。
根据高工氢电产业研究所（GGII）的统计，2023年中国建成的可再生能源制氢项目（绿氢项目）多达14个，制氢装机规模合计达到387 MW，同比2022年实现翻番增长。同时，公开规划在2024年建成的绿氢项目超过60个，其中已开工绿氢项目制氢装机规模高达2.8 GW。
据香橙会研究院统计，截至2023年，国内已规划绿色甲醇项目数量累计达到109个，累计规划产能（部分项目含远期产能）已超过5 037.4万t。2023年全年，中国氢燃料电池车的累计销量达到了7 760辆，同比2022年的5 009辆增长了55%，刷新了有史以来的年度销量记录。截至2023年，中国共建成加氢站407座，其中2023年共建成加氢站62座。
根据智研咨询的数据，截至2024年6月底，全球累计建成加氢站1 262座，其中中国456座，全球占比达到36.1%，成为全球最大的加氢站保有量国家。中国500 kW氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟1号”在湖北实现首航；全球最大功率氢能机车“宁东号”在山西下线。根据华经产业研究院的数据，2022年中国电解水制氢设备出货量为722 MW，同比提升106%。此外，国内电解槽单体规模加快向大标方迈进，单体5 000 Nm3碱性电解槽在双良集团有限公司下线，兆瓦级质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解槽成为主流。海上风电制氢也取得突破，海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术完成中试。
2 氢能发展的主要矛盾探讨
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在深入推进氢能技术与应用的过程中，氢能发展面临的矛盾日益凸显。当前氢能发展的主要矛盾是用氢成本过高。因此必须将用户的用氢总成本（即用户的氢气到手价）降下来。用户的用氢总成本包括制氢成本、储氢成本、运氢成本和加氢成本。
灰氢主导当前氢源。目前全球氢气产量中超95%为灰氢，即通过化石能源或工业副产制备的氢气，成本较低，煤制氢或天然气制氢成本为10~15元/kg。工业副产氢的成本为9.29~22.40元/kg，具有一定的成本优势和规模优势。受限于电价水平和初始固定投资成本较高，现阶段电解水制氢的成本较高。工业用电价格为0.4元/kWh时，碱性电解水制氢成本为29.9元/kg，PEM电解水制氢成本为39.87元/kg。绿氢项目成本：内蒙古绿氢项目成本最低，为21.06元/kg，而重庆则高达46.28元/kg。
氢气的运输成本高昂。在50~500 km范围内，长管拖车的氢气运输价格为5.43~20.18元/kg；在25~500 km范围内，管道的氢气运输价格为0.86~3.02元/kg；在50~500 km范围内，液氢槽车的运输价格在13.51~14.01元/kg范围内小幅提升。液氨运输方式按采用“槽车+铁路”运输，运输成本为0.2~0.3元/kg。根据中国汽车百人会低碳院的测算，当运输距离达到400 km时，甲醇的管道运输成本为0.15元/km。
通常，运输同样质量的物品，其运输成本排序是气体运输成本>液体运输成本>固体运输成本。因此，可以生产绿色合成氨、绿色合成甲醇、绿色人工天然气等，用储运液体氢基化合物代替氢气的储运，进而改善氢能产业链的成本。2024年7月，笔者团队提出利用可再生能源直接制造绿色金属，储运固体金属，就地构建金属水蒸气热化学制氢的氢产业链。通过输送产氢金属固体，极大地降低了输氢费用，从而达到降低用户用氢总成本的目的。一些工业示范项目的成功运行，揭示了新的氢产业链的可行性，值得关注。
此外，氢产业链各环节协同性不足成为制约氢能规模化应用的重要因素。在制氢、储氢、运氢、加氢等关键环节，技术标准不统一且尚无成熟的商业模式形成，导致氢能应用的成本效益难以最大化。
还有氢能行业内卷已经显露，其明显表现就是电解槽价格战。国内1 000 Nm3 H2/h碱性电解槽的最新报价折合单台电解槽价格为436.77万元，创下了国内电解槽价格的新低。而中国能源建设股份有限公司在2024年度制氢设备集中采购项目中，涉及125套电解槽成套装备，其中110套为1 000 Nm³/h碱性电解水制氢成套装备。本次招标的最低入围价格为521万/台（套），最高入围价格687万/台（套）。
电解槽行业内竞争导致企业之间为了争夺市场份额而进行激烈的价格战，压缩企业的利润空间，影响企业的可持续发展。过度的价格竞争可能会导致企业减少在研发和技术创新上的投入，从而影响整个行业的技术进步和产品升级。不良竞争可能导致低端产能过剩，而高质量的产品和服务供应不足，这不利于行业的健康发展。价格战可能会打击一些小而精的初创公司的积极性，存在一定“劣币驱逐良币”的现象，影响行业的整体竞争力。
综上所述，氢能产业发展的主要矛盾表现为综合成本过高、产业链协同性不足及市场与政策支持之间不匹配等。为解决这些问题，需要集中优势力量，扩大氢能应用市场规模，加强氢能技术研发，完善相关标准制定，同时制定有效的政策措施以引导各环节协调发展，构建健全的氢能产业体系。
3 氢能产业发展建议
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绿氢产业在发展过程中面临着一系列挑战。绿氢的生产成本相对较高，大规模商业化应用仍需时日。降低绿氢成本是氢能产业的首要任务，其主要途径如下：①大批量生产。通过规模化生产可以降低单位成本，实现规模经济。随着电解槽出货量的增加，设备成本正在逐年下降。有数据显示，电解槽或者电解制氢的装备成本从2020年前后至今已经下降了至少30%。②技术进步。技术进步可以降低电解槽的能耗和初始投资成本。例如，通过优化电解槽设计、提高电解效率、提升耐久性以及提高电流密度等手段，可以减少关键材料的使用，尤其是成本较高的贵金属材料，或用非贵金属材料取代贵金属材料，从而降低设备成本。③统筹规划。综合规划整个氢能产业链，包括制氢、储运、加注等环节，可以有效降低成本。例如，通过建立优化的绿氢产业链，孵化与扶持相关产业，助力关键技术突破，形成绿氢供给体系，可以加速产业链成熟，实现规模经济，从而大大降低绿氢的成本。④通过国家层面的政策支持和市场机制激励，扩大绿氢经济收益，降低用氢成本，刺激市场需求。⑤提高氢能利用效率。通过提高氢能在各个领域的应用效率，如化工、电力、交通等领域的应用，可以提高绿氢的经济性。将绿氢在化工领域中作为原料生产能源产品，可以大幅度减少能源产品在生产过程中的二氧化碳排放和煤炭用量。⑥加强氢能行业管理，防止行业不正当竞争，避免同质化和低价竞争。⑦加强标准建设，提高中国的氢能话语权。完善中国氢能全产业链标准体系；推动氢能国际标准化工作；加强与国际组织的合作；扩大与共建“一带一路”倡议的国家和地区的区域合作；在可再生能源制氢基地、加氢站、输氢管道等领域开展合作，提升技术发展水平，建立氢能同盟关系；立足国际视角，加强技术研究和专利技术保护；密切跟踪国内外氢能技术专利的发展动态，挖掘氢能领域潜在应用技术和专利空白技术，与氢能技术水平发达国家开展国际合作，集聚全球氢能技术、资本、人才和创新主体。⑧加强国际合作，共建一批经济效益好、示范效应强、辐射范围广的氢能合作项目，应对美国的地缘政治封锁。与此同时，氢气的运输和储存技术亟待提升，以降低输送成本。
为了推进绿色氢能发展，需加大政策支持、科技资金投入和市场机制创新，这对降低氢气生产设备和运营成本、提高绿色氢能的市场竞争力至关重要。同时，发展绿色氢能产业需注重清洁度与能效兼顾，严格控制碳排放，确保氢能的减排效果更为显著。
4 与AI结合是氢能产业发展的必然方向
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2024年诺贝尔化学奖得主德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）是一位人工智能（AI）专家，是到目前为止诺贝尔奖最令人惊叹的跨学科典型。这也说明AI的无比强悍的作用力。氢能产业与AI的结合是一个多方面的跨学科领域，涉及能源的生成、分配、储存和使用等多个环节。
氢能产业与AI结合主要有以下方式。①能源管理系统。智慧氢能系统实验室是国内首个氢能与能源互联网耦合的实验室，专注氢电系统的数字化和智能化，包括电解制氢和燃料电池核心装备开发、绿氢系统集成与调控等关键核心技术研究和服务。②能源预测与调度。AI可以处理和分析海量的能源数据，实现对能源需求的精准预测，优化发电计划和电力调度，减少能源浪费。在智能电网中，AI技术能够实时监测电网状态，预测潜在故障，优化电网运行策略。③新能源发电与储能优化。AI技术能够精准预测天气变化对太阳能、风能等可再生能源发电量的影响，优化发电计划，确保能源供应的稳定性与可靠性。同时，AI在储能系统中的应用也取得了显著成效，通过智能储能调度与电解槽管理，提升新能源的利用率与经济效益。④氢能物流智能化。深兰科技发布了中国首个外部环境感知整车集成优化控制的人工智能系统，为氢能物流车提供了更节能＋更长途的解决方案。该系统能使燃料电池发动机氢耗降低25%，最大功率提升20%，在物流工况下使燃料电池发动机寿命提高15%，续航里程增加20%。⑤氢能安全监管。数字化技术可以加强氢能安全监管，通过在工艺设备上设置智能传感器、探测器、巡检机器人等，及时将运行工况上传到数字化信息管理平台，提高安全监测精准性和效率。⑥燃料电池设计优化。AI技术可以帮助优化燃料电池的设计和操作条件，提高其性能和效率。例如，南京大学刘建国团队首次将AI引入基于非贵金属电催化剂的质子交换膜燃料电池研究领域，辅助优化性能测试参数，减少电池开发过程中的实验工作量。⑦燃料电池和电解槽用催化剂开发。AI技术可以加速绿色氢气生产催化剂的发现和优化。例如，多伦多大学的研究团队利用AI技术在几天内筛选出了一种性能优异的绿色氢气生产催化剂，这种催化剂在稳定性和耐用性方面表现出色，为实现绿色氢气的低成本生产提供了可能。
以上这些结合方式展示了AI技术在氢能领域的广泛应用潜力，有助于推动氢能产业的快速发展，实现能源转型和可持续发展目标。中国刚开始氢能与AI结合的探索，假以时日，一定会有更多的成功案例。AI助力中国氢能成功是必然的事情。
《前瞻科技》2024年第4期出版氢能技术与发展战略专刊，特别约请了国内氢能领域的多位著名专家和工程负责人，讨论氢能发展的全产业链，分析了氢能产业领域面临的问题，并提出了相应的对策，期望能够为相关科技工作者的研究和有关部门的科学决策提供借鉴，共同促进氢能全产业链的良性循环与创新发展，助力实现中国“双碳”目标。
客座主编
清华大学核能与新能源技术研究院教授
国际氢能协会副主席
广东清大创新研究院碳中和研究室副主任
文献
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引证文献
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2024年第3卷第4期
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- 出版时间：2024-12-20
- 发布时间：2024-12-24
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表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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