// 氢是什么？为什么要用新能源制氢？ //
氢（Hydrogen），元素符号H，位于元素周期表第一位。氢通常的单质形态是氢气，无色无味无臭，是最轻的气体。氢气易燃易爆，爆炸极限为4%-75.9%（体积分数），最低着火温度为400 ℃，低位热值为10.786 MJ/Nm3（120 MJ/kg），每标准立方米氢燃烧释放的热量只有天然气的1/3，而每千克氢燃烧释放的热量约为天然气的2.4倍、汽油的3倍、焦炭的4.5倍,因此氢能的特点是体积热值小而质量热值大。
应对气候变化的核心是从碳基燃料向可再生能源和氢气的过渡，再加上碳捕集、利用与封存技术，这一点在历史性的《联合国气候变化框架公约》缔约方会议第26次大会（COP26）上得到了强调。氢能是清洁的二次能源，其燃烧产物只有水，不会带来任何污染。氢能可以通过各种一次能源（如化石燃料、天然气、煤炭、煤层气）和可再生能源（如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能）转换而来，由于利用新能源等可再生能源制氢不会像一次能源那样产生污染物和增加CO2排放，因此，在未来社会中氢能将会成为绿色能源体系的重要组成部分，新能源制氢是重要的清洁用能手段。
// 制氢的方法 //
在欧盟，氢气分为灰氢、蓝氢和绿氢。“灰氢”是指利用化石燃料石油、天然气和煤制取氢气，制氢成本较低但碳排放量大；“蓝氢”是指使用化石燃料制氢的同时，配合碳捕捉和碳封存技术，碳排放强度相对较低但捕集成本较高；“绿氢”是利用风电、水电、太阳能、核电等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，但成本较高。
根据2020年中国氢能联盟组织编制的《低碳氢、清洁氢与可再生能源氢气标准及认定》征求意见稿，氢气分为3种类型，分别是低碳氢、清洁氢、可再生氢。在国家统计局2022年能源统计里，按来源不同将氢气具体细分为9种，分别为：煤制氢、天然气制氢、电解水制氢、混合气体分离制氢、石化原料制氢、工业副产氢、太阳能制氢、核能制氢、其他方式制氢。
未来主流的制氢方法将会是电解水制氢，在技术层面，电解水制氢主要分为碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM），阴离子交换膜电解（AEM）和固体氧化物电解（SOEC）这四类。
ALK采用氢氧化钾（KOH）水溶液为电解质，电极上可使用非贵金属电催化剂（如Ni、Co、Mn等），因而电解槽中的催化剂造价较低，但产生的氢气和氧气中含碱液、水蒸汽等，需经辅助设备分离。由于碱性溶液易与空气中的CO2反应生产K2CO3，产生高欧姆电阻损耗，导致ALK相对较低的电流密度；ALK难以快速启动或变载、无法快速调节制氢的速度，因而与可再生能源发电的适配性较差。
PEM电解水技术近年来产业化发展迅速,从技术角度看，PEM电解水技术的电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变负荷，与风电、光伏（发电的波动性和随机性较大）具有良好的匹配性。PEM电解槽以全氟磺酸质子膜为电解质，以纯水为反应物，加之PEM的氢气渗透率较低，产生的氢气纯度高，仅需脱除水蒸汽；电解槽采用零间距结构，欧姆电阻较低，显著提高电解过程的整体效率，且体积更为紧凑；压力调控范围大，氢气输出压力可达数兆帕，适应快速变化的可再生能源电力输入。因此，PEM电解水制氢是极具发展前景的绿色制氢技术路线。
AEM运行于无腐蚀、弱碱性的环境中，水在阴极被电解生成氢气，无需贵金属即可获得较长的使用寿命。AEM工艺在某种程度上是PEM和传统的隔膜基碱性水电解的混合，集合了PEM简单和易操作性，以及碱性水电解可以使用低成本材料等优点。AEM的主要挑战在于要开发一种能耐碱性环境、性能稳定的聚合物膜材料。除了耐碱性环境外，这种聚合物材料还必须具有较高的离子导电率，以及电解槽加压后的抗压稳定性。AEM电解槽在碱性溶液下实现了高效的产氢性能，但仍需要进一步研发降低成本，因为目前大多数AEM电解槽都使用了与PEM电解槽相同的贵金属催化剂。
SOEC中间是致密的陶瓷电解质层(YSZ氧离子导体)，两边为多孔的氢电极和氧电极。电解质的主要作用是隔开氧气和燃料气体，并且传导氧离子或质子。较高温度下(600-1000 ℃)，在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，水蒸汽就会在阴极被分解产生H2和O2-,O2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达阳极,在那里失去电子得到纯O2。从热力学和动力学的角度考虑,高温电解水制氢可以得到更高的能量转化效率。SOEC主要由陶瓷材料组成,不需要贵金属,材料成本较低,也不存在常规碱性电解的腐蚀问题。虽然理论上SOEC具有更高的效率,但相对于碱性电解和聚合物电解方法,SOEC电解制氢的研究尚未成熟,要实现商业化的高效SOEC制氢还有许多问题需要解决。
// 氢能的用途//
氢能是全球能源技术革命的重要发展方向，也是未来可持续和安全能源的重要组成部分。加快发展氢能产业，不仅可以应对全球环境危机，还可以保障能源供给，实现国家能源的可持续性发展。根据IEA公布的《Global Hydrogen Review 2021》，预计到2050年，氢气的消耗量将会是目前消耗量的6倍。基于氢能的绿色属性，在全球能源低碳转型进程中，氢能可以在很多行业扮演减碳角色。以下简要介绍几个氢气在不同行业的潜在应用方向。
钢铁产业是化石能源消耗密集型行业，相关温室气体排放约占世界总排放量的7%；全球近75%的钢铁生产采用高炉（炼铁）、转炉（炼钢）工艺，生产过程会向环境排放大量的CO2、硫化物、氮氧化物和污水等。直接还原铁（DRI）工艺具有低硫、低磷、密度大、热能高、尺寸规则等特点，生产环境友好，符合清洁化生产的需要；与高炉–转炉工艺相比，采用气基DRI–电炉炼钢工艺后，生产每吨钢可减排CO2约0.83吨。DRI一般以精铁矿为原料，采用富氢还原性气体作为还原剂进行生产。根据还原剂的不同，DRI工艺分为气基DRI、煤基（固–固）DRI两大类，气基DRI相较煤基DRI，在能耗、单套设备产量、碳排放等方面优势更为明显。
对先进的炼油厂来说，氢气是不可或缺的重要原料。在油品提炼过程中，氢气被广泛用于油品的精处理（例如脱硫、脱氮、脱氧、脱金属杂质）和碳氢比调节等。炼油厂的加氢催化裂化、汽柴油加氢、航空煤油加氢、润滑油加氢、蜡油加氢、渣油加氢和延迟焦化等油品生产、渣油处理和精制装置等许多工艺环节均需消耗氢气。通常炼油厂都要配套独立制氢装置，制氢原料主要有炼厂干气、天然气、煤、轻石脑油和重油等，未来可以利用可再生能源制的绿氢对炼厂的这类灰氢进行替代。
合成氨由氮和氢在高温高压和催化剂作用下直接合成，通常主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原材料，未来也会作为零碳燃料使用。合成氨行业也是消耗能源的大户，世界上约有10%的能源用于生产合成氨。氢气是合成氨的主要原料，2019年全球合成氨工业消耗氢气达3100万吨，占氢总消费量的26.5%。合成氨工业发展的一百多年以来，都是以各种化石能源制取氢气和氮气，氢气通常来自于天然气、油田气和渣油的重整或是来自于煤气化，因而这部分的碳排放也可以利用可再生能源制氢来进行替代而消除。
大连化物所二氧化碳加氢制甲醇装置
甲醇是基本有机原料之一，甲醇的传统下游包括甲醛、醋酸、二甲醚和甲基叔丁基醚（MTBE）等。除此之外，甲醇自2010年以来也出现了一些新兴下游消费，例如甲醇制烯烃（MTO）、甲醇锅炉燃料、甲醇汽油等，它们在甲醇的消费占比逐年提升，目前国内仅MTO的消费占比就已超过50%。甲醇的生产原料主要有煤、天然气和焦炉气，很显然使用这些原料生产的甲醇碳排放强度很大，如果在制备甲醇的合成气中加入绿氢以调节碳氢比，那也能降低单位产能的碳排放。
日本从文莱进口氢气用于Mizue80MW燃气发电站
在发电领域，煤炭一直是发电的主要燃料，而燃气发电的CO2排放强度只有煤电的1/3，因此燃气发电替代煤电能够在能源转型过渡期内显著降低碳排放。但是，燃气发电始终还有不小的碳排放（0.35kg/kWh），这并不能帮助我们实现最终的碳中和目标，所以燃气发电也需进行低碳升级和变革。当前主流的几大燃气轮机制造商都在尝试对燃料进行升级，向天然气中掺加部分无碳燃料氢气或氨气，最终目标是100%燃烧氢或氨，实现零碳排放。目前燃氢是一个很大的挑战，氢不仅热值高，燃烧速度也非常快，燃烧过程容易出现回火；其次，氢燃烧的温度高，非纯氧燃烧时会产生大量的热力型NOx。对于燃氢燃气轮机来说，它要解决的技术问题主要就是氢燃烧产生的NOx排放、燃氢过程中的燃烧振荡以及回火风险控制，此外还需设计制造出氢燃料高温燃烧所需的燃烧室和叶片材料。将氨作为燃机燃料直接燃烧可以减少裂解为氢过程中的能量损耗，但氨直接燃烧存在层流火焰速度低、NOx排放高的挑战。
成都郫都区2020年投运100辆氢燃料电池公交
交通领域的碳排放占全球总碳排放的比例为23%，未来交通工具的电动化趋势已初见雏形，而氢燃料电池将会是零碳电动化的核心。燃料电池汽车（FCV）是指以氢气（或甲醇）等为燃料，通过车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。燃料电池汽车可以像传统燃油车一样在五分钟内给电池灌满燃料，而不是等上几个小时才能充满电。目前国内外已有多家车企推出了燃料电池货车、客车和乘用车产品，但存在的问题是燃料电池车的售价较昂贵且配套的加氢设施还不够完善。
韩国仁川Bitdream78.96MW燃料电池发电站
在储能领域，机械、电池、热和化学等方法均被提出来存储电能，但在大规模、跨空间、跨季节储能方面，氢储能无疑是最值得青睐的。在高比例可再生能源的新型电力系统中，随着风电、光伏装机容量的不断增加，新能源电力消纳和负荷波动让电力系统面临着更大的挑战，其随机波动出力会对电网造成一定的冲击。氢储能系统可利用新能源的富余电力进行制氢，储存起来或供下游产业使用；当电力系统负荷增大时，储存起来的氢能可利用燃料电池或氢燃气轮机进行发电回馈电网，此过程清洁高效、生产灵活。
// 展 望 //
全球氢能产业正处于快速发展的初期，随着技术研发和产业资本的持续投入，预计未来5-10年全球氢能产业将迎来快速发展的重大机遇期。为应对全球气候变化，在CO2排放强度较大的能源、工业、交通和建筑等领域，氢能利用是实现“深度脱碳”的重要路径。当前限制氢能广泛应用的主要障碍是低碳氢的价格较贵；各种能源和工业过程过渡转换到利用氢能的改造和生产成本较高；大规模、远距离的氢储运技术仍不成熟经济；下游的用氢基础设施有待完善。目前，已有众多发达国家和主要经济体制定了氢能路线图和氢能战略规划，正在加速推进氢能技术研发应用和产业化。我们有理由相信，在全球低碳发展和能源转型的背景下，氢能将会像过去的风电和光伏一样迅猛发展，为全球的社会和经济发展注入绿色动力，引领能源革命时代新浪潮。
