碳中和年代绿氢发展前景与应战
其间氢能因热值高、零排放、运用形式多样，作为化石动力代替品优势杰出而遭到遍及重视，有望为交通、工业、修建、电力等要点碳排放范畴的减排脱碳发挥效果。“绿氢”则是真实助力碳中和方针完成的要点，是未来制氢的展开方向。“绿氢”要在碳中和途径中充沛发挥效果，必需求完成大规划、经济地商业化运用。现在从技能视点还面对电解水制氢经济性瓶颈、储运难题等方面的应战。
二氧化碳等温室气体排放引发的全球气候改变是人类面对的最大应战之一。面对日益严峻的全球气候改变局势，推进绿色低碳展开已成为全人类一同。2015年《巴黎协议》设定了本世纪后半叶完成净零排放的方针，这是全球应对气候改变应战的重要举动，越来越多的国家正在将其转化为国家战略，提出了碳中和的方针并采纳活跃举动。
碳中和成为全球的一同方针与一同举动
现在全球已有超越130个国家和区域提出了“碳中和”或“零碳”方针且大部分方案在2050年完成，如欧盟、英国、加拿大、日本等。据相关计算，2国已完成碳中和，6国已立法，处于立法阶段的有欧盟区域和其他5国，还有20国(含欧盟国)发布了正式的方针宣示，提出方针但尚处于评论进程中的国家和区域近100个。中美这两个排放大国也都做出了碳中和许诺。美国重返《巴黎协议》并许诺在2050年完成碳中和;2020年9月习近平主席在第75届联合国大会上宣告，我国二氧化碳排放力求2030年前到达峰值，2060年前完成碳中和。
为完成碳中和方针，许多国家和区域拟定减排道路图，通过立法、出资及税收等方针办法推进减排举动。这些方针和办法依据实际状况各有偏重，首要包括六个方面：
一是支撑和鼓舞能效技能立异，进一步进步动力运用功率;二是建议进一步削减化石动力运用，不断下降对化石动力依靠;三是鼓舞大力展开可再生动力，进步可再生动力在动力结构中的比重;四是支撑和鼓舞清洁低碳、节能减排等相关工业展开;五是支撑展开生物经济和天然碳汇等循环经济;六是推进展开碳捕获和贮存技能，处理剩下排放问题。
我国是最大的展开我国家，也是碳排放大国，要完成在2060年前碳中和的方针负重致远。为了实行对国际的庄重许诺，我国迅速举动。在2020年12月的中心经济作业会议上，碳达峰和碳中和作业被确定为2021年八项要点使命之一;12月21日国务院新闻办公室发布《新时代的我国动力展开》白皮书，明晰描绘了我国2060年前完成碳中和的“道路图”;2021年全国两会，碳达峰和碳中和被初次写入政府作业陈述;2021 年10 月国务院印发《2030年前碳达峰举动方案》。一系列举动充沛标明我国推进低碳展开的坚决决计与活跃举动。
氢能将在碳中和途径中扮演重要人物
碳达峰与碳中和是一场广泛而深入的经济社会体系性改造，需求全人类、全社会、全职业一同努力，大力推进低碳展开。低碳展开的要点是动力结构转型，动力出产与运用加速向更清洁、低碳的方向改变。在各国和区域碳达峰、碳中和方针的引导推进下动力结构转型有望加速推进，化石动力出产与运用将面对更严厉的碳排放束缚，非化石动力逐渐成为动力增量主力军。
氢能资源丰富、热值高、运用无污染，被视为抱负的清洁动力，是完成碳中和的重要途径，将在全球动力新格局中扮演重要人物。氢能展开所带来的巨大市场潜力和科技立异是进步综合国力和新经济竞争力的有力支撑，因而其开发与运用遭到全球遍及重视。许多国家都在加速推进氢动力技能的研制和工业化布局，美国、欧盟、日本都出台相应的氢能战略规划，日本乃至提出了“氢能社会”的庞大设想。我国国内氢能展开也方兴未已，在交通、工业、修建、电力等要点用能职业有望迎来较大展开空间，为这些碳排放要点范畴减排脱碳发挥效果。
1. 氢能加速推进交通运送范畴的清洁化转型
交通运送是社会经济展开的重要组成部分，也是动力消耗和温室气体排放大户，占碳排放比重十分高。欧盟委员会称运送业对欧盟GDP贡献率仅约5%，但其二氧化碳排放量约占欧盟温室气体排放总量的四分之一。IEA陈述指出，2020年一季度全球石油需求下降5%，对应碳排放量下降4.5%;
其间公路运送和航空活动的削减贡献了石油需求下降量的近 85%。2020 年下半年跟着交通运送逐渐康复，碳排放量也随之开端反弹。近年来氢燃料电池商用车展开较快，我国、日本、德国、韩国、美国等国家加速燃料电池轿车加氢站的布局建造，有力推进氢燃料电池工业化。除了商用车，航空和海运也在活跃探究氢能运用。氢能在交通运送范畴的运用展开无疑将极大推进该范畴的广泛、深度脱碳。
2. 氢能促进工业范畴的脱碳减排
氢在工业上首要用于炼油、化工和钢铁职业。在炼油和化工职业氢气除了作为燃料仍是重要质料，首要用于加氢处理、加氢裂化和脱硫。假如炼油和化工业很多选用乃至悉数运用绿氢，关于工艺进程脱碳有明显影响。我国石化第一个绿氢炼化项目——鄂尔多斯1万t/a绿电制氢项目方案2022年建成投产，项目运用可再生电力电解制氢，所制氢气供中天合创煤化工项目。该项目关于绿氢炼化有演示含义，大大有利煤化工降碳减排。
钢铁是工业碳排放大户，当时炼钢多选用焦炭作为铁矿石还原剂。为了处理碳排放问题，钢铁职业开端探究氢冶金技能，用氢代替焦炭和天然气作为还原剂可根本消除炼铁和炼钢进程中的绝大部分碳排放。假如跟着可再生动力本钱下降，在轧铸环节运用可再生动力发电，最终根本可完成钢铁出产的近零排放。
3. 氢能助益修建范畴的节能碳排
修建职业完成碳中和的首要途径便是打造绿色修建，探究燃料电池热电联产，选用燃料电池发电技能，以氢能彻底或部分代替市政电网、天然气等传统动力，满意修建对冷、热、电、日子热水等各种动力的需求。这种燃料电池在修建范畴的运用不只进步动力运用功率，并且能起到修建用能和采暖降碳的效果，效果明显。
早在2009年在东京燃气公司与松下集团一同研制的家庭热电联供体系项目就已正式投入商业运用，这些燃料电池被安装在公寓以及普通住宅内，可以不依靠电网独立运转。2020年欧委会发布了“改造浪潮”建议，提出2030年一切修建完成近零能耗;国内近年来也鼓起这种绿色修建理念，并有演示项目的报导。
4. 氢能助力电力职业的绿色转型
电力职业是用能大户也是碳排放大户，碳排放约55%来自电力职业，而电力职业碳排放80%来自燃煤发电。为完成碳中和方针，全球多个国家均已采纳办法下降煤电比重，要点展开可再生动力发电。近年来以光伏发电为代表的可再生动力发电本钱明显下降，规划经济将发挥效果，本钱有望进一步下降，然后推进该范畴可持续展开。
但是，可再生动力中风电、光伏具有明显的间接性和波动性特色，大规划并网之后会对电力体系和电网稳定性产生冲击。可再生电力制氢可完成清洁电力到氢能的大规划贮存，是处理可再生动力消纳、平抑波动性和间歇性的重要手法。可再生动力与储能体系的结合不只可以有用进步可再生动力发电可靠性和稳定性，一同可以明显下降电力体系的碳排放，助力碳中和方针的完成。
展开绿氢是完成碳中和的抱负途径
依据制备进程中的二氧化碳排放状况，氢被分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。有很多二氧化碳排放的氢气被称为“灰氢”;将二氧化碳通过捕集、运用和封存(CCUS或CCS)，大幅削减工艺进程碳排放的氢气被称为“蓝氢”;简直不产生碳排放的氢气即“绿氢”。氢气制取工艺按质料道路来分有化石燃料制氢(天然气制氢、煤炭制氢等)、富氢气体系氢(组成氨出产尾气制氢、炼油厂收回富氢气体系氢、焦炉煤气中氢的收回运用等)、甲醇制氢、水电解制氢、生物制氢等。
现在国际上商业用氢绝大部分是从煤、石油和天然气等化石燃料制取，进程中有很多碳排放，制得的氢气为“灰氢”或“蓝氢”;只要水电解制氢可以制得“绿氢”，详细进程是以水为质料，在催化剂效果下通过电能使水分解成氢气和氧气，制氢进程具有明显的低碳环保特色。假如运用的电能是由可再生动力(例如太阳能或风电)产生，整个制氢环节彻底零排放，制得氢气便是“绿氢”。
绿氢才干真实助力碳中和方针完成。氢能展开的驱动力是氢能运用终端零排放能助力交通运送、工业、动力燃料和修建等碳排放大户完成大规划脱碳。已然氢能作为完成碳中和的重要抓手，那么氢气全生命周期的碳排放，尤其是制取进程的碳排放应遭到重视。在绿氢、蓝氢和灰氢中，灰氢制取进程碳排放十分严峻;蓝氢是灰氢通过CCUS处理后的氢，尽管二氧化碳排放大幅下降但其前身是灰氢，制取进程中产生的二氧化碳并没有消失，仅仅通过CCUS封存;只要绿氢简直无碳排放，所以真实能高效助推碳中和的是绿氢。
2020年5月，欧洲10家职业抢先公司与职业协会一同一同推出了“挑选可再生氢”建议，呼吁欧盟为动力体系集成和氢战略做出正确挑选，充沛发掘可再生电力潜力，使欧洲彻底脱碳。
在推进绿氢展开、助力碳中和实践中，许多国家已迈出活跃脚步。2020年10月8日，全球首个千吨级液态太阳燃料组成演示工程项目在兰州新区绿色化工园区顺畅通过接连72小时现场查核。该项目也是我国第一个太阳能燃料出产演示工程，由我国科学院李灿院士团队主导，兰州新区石化工业出资公司、姑苏高迈新动力科技、中科院大连化物所三方协作开发建造。项目方案年产1400吨甲醇，由太阳能光伏发电、电解水制氢及二氧化碳加氢组成甲醇三大体系单元组成，通过装机规划为10MW的光伏发电单元向2台1000m3/h的电解槽供电完成电解水制氢，所制取的氢气与汽化后的二氧化碳在催化剂效果下反响组成甲醇。
瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)近年来一直在进行太阳能组成燃料和太阳能热存储的研制。继2019年成功开发运用太阳能和空气组成液态燃料后，近来成功开发高温储能技能，这种技能将初次完成1000℃以上的高温太阳能热量的经济高效和可扩展存储。旗下Synhelion公司正与伍德(Wood)公司协作开发绿氢出产，运用Synhelion公司的太阳热储能技能和伍德公司甲烷蒸汽转化制氢工艺优势，选用太阳热供给热量，以甲烷为质料出产氢气。当质料运用生物来历的甲烷时，整个工艺进程彻底无碳排放。假如协作研制成功，将完成太阳能氢气工业化，为经济地制取绿氢创出一条新路。
绿氢大规划展开面对的首要应战
绿氢要在碳中和途径中充沛发挥效果，必需求完成大规划、经济地商业化运用。现在，绿氢的大规划展开有许多影响要素，如各国经济展开不均衡、动力资源禀赋差异、方针鼓舞力度纷歧等，从技能视点首要面对以下三方面应战：
一是电解水制氢经济性不高。绿氢运用在技能上可行仅仅必要条件，在经济上可行才是氢能大规划运用的充沛条件，而电解水制氢本钱较高是限制瓶颈。现在电解水制氢技能首要有碱性水电解、质子交流膜水电解(PEM)、固体氧化物水电解(SOE)和碱性阴离子交流膜电解(AEM)等，其间碱性电解槽技能现已完成工业规划化产氢，是技能最为老练出产本钱相对较低的道路。碱性水电解也是国内商业化电解水制氢首要技能，欧美则对PEM技能工业化推进较快。PEM制得的氢气纯度高流程简略，能效高于碱性水电解，设备运转灵活性更高，并且对电力改变反响更快，更合适与可再生动力发电合作，但因运用贵金属催化剂等资料本钱较高。总体上电解水制氢由于电解功率不高耗电量大等原因，与其他制氢办法比较本钱较高，在工业运用中占比较小。
近年来，环绕进步电解功率和下降本钱方针，国内外电解水制氢技能在工艺、设备、催化剂、电能等方面展开了许多研讨并获得了行之有效的开展。未来只要技能不断进步并获得打破性开展，大幅下降电解水制氢本钱，才干进步其经济性，然后进步绿氢大规划运用的可能性。
二是氢气存储难度大。氢气由于重量轻、原子半径小、功能生动、稳定性差(走漏后易产生焚烧和爆破)，存储和运送难度较大。按氢气状况可以分为气态、液态和固体三种贮存办法;现在工业上最可行的规划化贮存和运送办法只要高压气态储氢和低温液态储氢。高压气态储氢技能老练，设备结构简略，本钱相对较低;但单位质量储氢密度低，运送本钱高，有走漏和爆破的安全隐患。低温液态储氢具有储氢密度高、贮存容积小等优势;但液化进程耗能大且贮存容器需绝热功能杰出，本钱昂扬。
近年来固态合金储氢和有机液态储氢相关技能的开发也备受重视，其间固态储氢技能被认为是最有展开前景的一种氢气贮存办法。固态储氢是通过化学反响或物理吸附将氢气贮存于固态资猜中，长处杰出：储氢作业压力不高安全性强运用寿命长;放氢纯度高有利于进步燃料电池的作业功率和运用寿命;体系体积小储氢密度大，结构紧凑;再充氢压力低充氢便利。现在固态合金储氢现已有演示报导，但也存在着贮存资料价格昂扬、贮存开释条件严苛的问题。
三是氢能运送限制。运送是氢气从制氢厂到终端运用的重要环节，也是本钱的重要组成部分。氢气可以以气态、液态和固态三种形状进行运送。我国首要以气态运送为主，可挑选长管拖车和管道运送两种办法。其间长管拖运技能老练，通常在近间隔时选用;管道运送则合适大规划、长间隔运送，运送功率高，能耗较小，但一次性建造投入较高，国内现在输氢管道较少。液态选用槽车运送，合适中远间隔和较很多运送，该运送办法在液化进程中能耗较大，设备要求也较高，国内首要用于航天及军事，在日、美等国运用较为广泛。
固态氢气通过轻质储氢资料可以完成高密度高安全运送，进步单车运送量和运送安全性，现在仍处于实验开发阶段。经测算，在0~1000km规模管道运送的本钱最低;运送间隔在250km内，长管拖车运送本钱低于液氢槽车;超越250km则后者更具本钱优势。要下降氢的运送本钱、进步氢能经济性，还有待相关科技立异和技能攻关进一步打破。
定论
日益严峻的气候改变问题是国际各国一同面对的应战，推进绿色低碳展开已成为应对气候改变问题的重要举动。越来越多的国家提出碳中和方针并研讨拟定碳中和布景下的工业方针，支撑减排方针。鉴于全球温室气体排放量的73%源于动力消耗，在各国家和区域采纳的减排办法中，鼓舞可再生动力展开成为遍及挑选。氢能以其共同的长处遭到遍及重视并成为展开要点，有望在碳中和途径中发挥重要效果，助力电力、交通、工业、修建等用能大户减排脱碳。
氢能要在碳中和中发挥效果要要点展开绿氢，而绿氢要真实充沛发挥效果必需求完成大规划、经济地运用。现在，从技能层面还面对一些应战，首先是电解水制氢技能要完成打破，要大幅下降制氢本钱;其次是氢气贮存、运送技能还要进一步展开，要进步氢能响应速度、安全性及电—氢—电动力转化功率;别的还要大力下降储运本钱，由于即便制氢本钱可以大幅下降，在通过贮存、运送多个环节层层叠加后会大大举高终端氢气本钱。只要当技能进一步打破，以绿氢为代表的氢能才干够真实在碳中和途径中大显身手。
