（本文發(fā)表于2023年第4期）

第一作者簡介魏建設(shè)，正高級工程師，長期從事油氣及非常規(guī)能源地質(zhì)調(diào)查工作。在國內(nèi)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇（第一作者12篇），參與編寫專著2部。獲中國地質(zhì)調(diào)查成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國土資源科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

氫：

綠色能源 蓄勢待發(fā)

> 我國最大規(guī)模光伏綠氫示范

項(xiàng)目在新疆庫車全面投產(chǎn)

視覺中國 / 供

2023年8月30日，我國規(guī)模最大的光伏發(fā)電直接制綠氫項(xiàng)目——新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)。隨著配套光伏電站實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)，該項(xiàng)目可以滿負(fù)荷生產(chǎn)綠氫，每年生產(chǎn)的2萬噸綠氫全部就近供應(yīng)中國石化塔河煉化公司，用于替代煉油加工中使用的天然氣制氫。項(xiàng)目全面建成投產(chǎn)標(biāo)志著我國綠氫規(guī)?；I(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。該項(xiàng)目是國內(nèi)首次規(guī)?；霉夥l(fā)電直接制綠氫的項(xiàng)目，利用新疆地區(qū)豐富的太陽能資源發(fā)電直接制綠氫，電解水制氫能力2萬噸/年，儲(chǔ)氫能力21萬標(biāo)立方米、輸氫能力2.8萬標(biāo)立方米每小時(shí)。今年6月30日，項(xiàng)目已成功貫通綠氫生產(chǎn)、輸送、利用全流程，部分制氫車間順利投產(chǎn)產(chǎn)氫。綠氫煉化被視為化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要路徑。以庫車綠氫示范項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目生產(chǎn)的綠氫將替代塔河煉化的天然氣制氫，作為原料進(jìn)行加氫反應(yīng)，最終進(jìn)入油品中，實(shí)現(xiàn)煉油產(chǎn)品綠色化。項(xiàng)目每年可減少二氧化碳排放48.5萬噸，是綠氫煉化首次實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用，對煉化企業(yè)大規(guī)模利用綠氫實(shí)現(xiàn)碳減排具有重大示范效應(yīng)。

——《人民日報(bào)》

HYDROGENIUM

氫（hydrogenium）是一種化學(xué)元素，元素符號H，在元素周期表中位于第一位。氫通常的單質(zhì)形態(tài)是氫氣，無色無味，極易燃燒，由雙原子分子組成。氫氣是質(zhì)量最輕的氣體，氫能被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，與其他傳統(tǒng)能源相比，它具備更多優(yōu)勢：一是燃燒值高，除核燃料外，氫氣燃燒值是目前已知燃料中最高的，是汽油燃燒值的3倍；二是清潔無污染，產(chǎn)物只有水，水可以再次分解成氫氣，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)；三是安全性好，氫氣無毒，且由于其具有很高的擴(kuò)散系數(shù)和浮力，在泄露時(shí)可迅速降低濃度，因此，氫氣遠(yuǎn)比其他燃料安全；四是利用形式多樣，氫能能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)形式利用，能適應(yīng)不同要求的儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用環(huán)境；五是可儲(chǔ)能，氫氣可以多種形式儲(chǔ)存起來，便于儲(chǔ)存或供下游產(chǎn)業(yè)使用。氫能可以連接氣、電、熱等不同的能源形式，也可以應(yīng)用在能源、工業(yè)、交通、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，成為跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展的橋梁。

> 氫能優(yōu)勢

氫的發(fā)現(xiàn)與研究歷史

人類從對氫的發(fā)現(xiàn)到認(rèn)識(shí)、應(yīng)用已經(jīng)歷了500余年。1520年，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞爾蘇斯（Paracelsus）將金屬（鐵、鋅和錫）溶解在硫酸中首次發(fā)現(xiàn)了氫氣；17世紀(jì)，科學(xué)家開始逐步發(fā)現(xiàn)氫的基本性能，例如，氫氣是氣體，具有單位體積密度低、易燃、易爆等特點(diǎn)；1766年，英國化學(xué)家亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）發(fā)表了人類第一篇?dú)錃庀嚓P(guān)論文，開啟了氫氣研究；1783年，法國科學(xué)家雅克·查爾斯（Jacques Charles）和助手羅伯特兄弟實(shí)現(xiàn)了第一次無人氫氣球飛行；1784年，拉瓦錫·默斯尼埃（Lavoisier Meusnier）發(fā)明鐵—蒸氣工藝，通過使水蒸氣在600℃的熾熱鐵床上流過而產(chǎn)生氫氣，實(shí)現(xiàn)了人工首次制氫；1787年，法國化學(xué)家先驅(qū)、近代化學(xué)之父安東尼·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）確認(rèn)氫是一種元素，并將氫氣命名為“hydrogen”，意為“水的生成者”；1789年，簡·魯?shù)婪颉ご髀↗an Rudolph Deiman）和阿德里安·帕茨·范·特羅斯特（Adriaan Paets van Troost）使用靜電起電器產(chǎn)生的電通過萊頓罐實(shí)現(xiàn)了首次水電解制氫；19世紀(jì)，出現(xiàn)了以氫氣作為動(dòng)力的研究成果，包括燃料電池、內(nèi)燃機(jī)等，1839年，英國科學(xué)家威廉·羅伯特·格羅夫（William Robert Grove）開發(fā)并制作了首個(gè)燃料電池——格羅夫電池，1895年，第一架以氫氣為動(dòng)力的齊柏林飛艇在德國獲得專利；20世紀(jì)是氫氣產(chǎn)業(yè)化的前一階段，主要體現(xiàn)在化工領(lǐng)域和成本不敏銳的行業(yè)，水煤氣、氨、褐煤裂解、電解水等制氫方式變得成熟，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；進(jìn)入21世紀(jì)，由于人類對氫氣的認(rèn)識(shí)和掌控能力大幅提升，氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)以及應(yīng)用技術(shù)都有了巨大進(jìn)步，全球很多國家將發(fā)展氫能列為國家戰(zhàn)略。

我國最早對氫進(jìn)行研究的是清代化學(xué)家徐壽，他在19世紀(jì)60年代初翻譯《化學(xué)鑒原》，并創(chuàng)造出“氫”等化學(xué)元素漢語名稱，他把氫作為元素來研究，并認(rèn)識(shí)到它“與水之氧同為至輕之物”；1967年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開始研制航天氫氧燃料電池，并于1978年設(shè)計(jì)制造出我國第一臺(tái)堿性燃料電池，拉開了我國氫燃料電池研究的序幕；2003年，我國自主開發(fā)的第一輛氫燃料電池轎車“超越一號”在上海問世；2006年，我國首座加氫站在北京中關(guān)村永豐高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地新能源交通示范園落成；2021年，中國船級社向武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司頒發(fā)中國第一張船用燃料電池產(chǎn)品型式認(rèn)可證書，這標(biāo)志著我國船用氫燃料電池正式從科研階段轉(zhuǎn)入商用化軌道；2023年4月，我國首條“西氫東送”（內(nèi)蒙古烏蘭察布—北京）輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，標(biāo)志著我國氫氣長距離輸送管道進(jìn)入新發(fā)展階段。

> 氫氣充電站 視覺中國 / 供

氫的用途

氫用途廣泛，適用性較強(qiáng)。氫氣燃燒產(chǎn)物只有水，對環(huán)境無污染，具有絕對的能源應(yīng)用優(yōu)勢。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學(xué)能、熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的功能。氫能作為一種“電能替代”，其應(yīng)用范圍之廣，可用作燃料（交通運(yùn)輸、電力）、用于供熱（工業(yè)、建筑）及用作原料（化學(xué)品、產(chǎn)品），包括交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、能量傳輸、電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)配等領(lǐng)域，是未來能源轉(zhuǎn)型的重要支柱產(chǎn)業(yè)。

交通運(yùn)輸 氫氣可以通過燃料電池為交通運(yùn)輸工具提供動(dòng)力。氫氣作為原料可以合成綠色甲烷、綠色甲醇、綠色柴油汽油或綠色航空燃油等燃油產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在現(xiàn)有的交通設(shè)備中均能夠直接使用。近年來，氫能源汽車增勢迅猛，我國已建成加氫站超過250座，約占全球數(shù)量的40%，居世界第一。

電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)配 現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)可以使用氫氣和天然氣的混合氣運(yùn)行，氫氣份額為5%到100%。同時(shí)，氫氣可以在燃?xì)饩W(wǎng)中進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)輸，并在燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)或燃料電池發(fā)電廠中再發(fā)電。

工業(yè)和建筑物供熱 氫氣可以用于加熱食品和水等，也可以用于制備熱水器、熱風(fēng)爐和干衣機(jī)等產(chǎn)品。

工業(yè)生產(chǎn) 氫氣是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要原料，可以直接用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，如作為國防工業(yè)的重要原料、制造電子器件的原料，等等。氫氣是一種輕而高活性的氣體，在很多石油精煉廠用于生產(chǎn)石油產(chǎn)品，如柴油和汽油，它有助于大大降低煉油廠最終產(chǎn)品中的雜質(zhì)，如硫磺；有些化學(xué)工業(yè)需要?dú)錃鈦砩a(chǎn)重要的氫基化合物，如合成氨和甲醇；化肥和其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的制造需要?dú)錃猓驗(yàn)榘笔谴蠖鄶?shù)化肥的重要組成部分，而氫氣是合成氨的重要原料；金屬產(chǎn)品的制造需要?dú)錃庥糜谠託浜附?，這是一種重要的電弧焊接設(shè)備；電子產(chǎn)品，如半導(dǎo)體、顯示屏幕和LED燈，需要?dú)錃膺M(jìn)行還原程序；玻璃工業(yè)需要?dú)錃鈦矸乐共Ａе械碾s質(zhì)氧化，等等。

> 氫的應(yīng)用領(lǐng)域

氫的生產(chǎn)消費(fèi)現(xiàn)狀

從全球來看，目前制氫的主要來源是天然氣，全球每年產(chǎn)純氫約7 000萬噸，1/4為天然氣制氫。全球制氫結(jié)構(gòu)以化石能源為主，天然氣制氫占比62%，煤制氫占比19%，低碳排放制氫占比僅0.7%，其中電解水制氫僅占0.04%（國際能源署，2022）。

目前我國氫主要作為工業(yè)原料，占比約84%，利用形式以分散制取、就地利用為主。根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2021年，我國氫氣產(chǎn)量3 300萬噸，產(chǎn)量同比增長32%，達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約1 200萬噸，我國已經(jīng)成為世界第一產(chǎn)氫大國。由于煤炭在中國能源中占主導(dǎo)地位，目前，我國主要以煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫為主，煤制氫技術(shù)成熟，制氫工藝體系和產(chǎn)業(yè)鏈條相對完整，煤制氫在氫氣產(chǎn)能結(jié)構(gòu)中占比62%，工業(yè)副產(chǎn)制氫占比19%，天然氣制氫占18.1%，電解水制氫因技術(shù)難度大和成本高，占比僅0.9% 。

目前，我國是世界上最大的氫能生產(chǎn)國和消費(fèi)國，每年氫產(chǎn)能約4 000萬噸。全球投入運(yùn)營的煤氣化廠為130座，其中我國占80%。國家能源集團(tuán)擁有煤氣化爐80座，年產(chǎn)氫氣總量可達(dá)800萬噸，約占全球總產(chǎn)氫量的12%。由于我國有近2/3的氫為煤制氫，污染最為嚴(yán)重，對我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)影響較大。

> 全球與中國制氫結(jié)構(gòu)

氫的分類

根據(jù)氫能的生產(chǎn)來源和生產(chǎn)過程中碳排放情況，一般將氫分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫和金氫。

灰氫是通過石油、天然氣、煤炭等化石燃料燃燒制取的氫氣，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，碳排放量較大?；覛涞膬?yōu)勢是生產(chǎn)成本較低，制氫技術(shù)較為簡單。

藍(lán)氫是將天然氣通過蒸氣甲烷重整或自熱蒸氣重整制取的氫氣。在此過程中使用了碳捕捉、利用與儲(chǔ)存等先進(jìn)技術(shù)，對溫室氣體進(jìn)行捕獲，實(shí)現(xiàn)了低碳排放制氫。

綠氫是利用太陽能、風(fēng)電、水電、核電等再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制取的氫氣，制氫過程中碳排放為零。

金氫是天然氫，是由地殼中某些區(qū)域天然存在的氫分子匯集而成的。金氫的利用方式更為安全、清潔、低成本，這種氫可能比其他類型的氫更可持續(xù)，更能被環(huán)境所接受。馬里共和國、美國、澳大利亞、巴西、法國和西班牙等國已啟動(dòng)金氫項(xiàng)目，以提取地下的天然氫。美國地質(zhì)調(diào)查局于2022年10月在美國地質(zhì)學(xué)會(huì)上提出的一個(gè)模型估計(jì)，地下金氫的儲(chǔ)量可能足夠滿足全球數(shù)千年的需求。

> 綠氫的制備過程

趨勢與展望

氫能是一種來源廣泛、綠色低碳、應(yīng)用范圍廣的二次能源，對減少二氧化碳等溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)具有重要意義。中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，可再生能源制氫占比不斷攀升，預(yù)計(jì)2030年、2050年的占比分別為15%、70%。世界能源理事會(huì)預(yù)測，到2050年氫能將占全球能源消耗的25%。

國家能源局、國家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布我國首個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)中長期規(guī)劃——《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位和目標(biāo)并作出部署，首次明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。到2025年，將形成較為完善的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度政策環(huán)境，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力將顯著提高，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，初步建立較為完整的供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)體系；到2030年，有望形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，產(chǎn)業(yè)布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應(yīng)用，有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)；到2035年，基本形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。

氫能作為二次能源，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放，制氫技術(shù)的發(fā)展將不可避免地依賴于太陽能、風(fēng)能等可再生能源技術(shù)的突破。通過電力與設(shè)備成本的協(xié)同降低，方可體現(xiàn)綠氫的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與日本、韓國等國相比，我國幅員遼闊，具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源，可以提供豐富的太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源資源，在發(fā)展綠氫方面具有先天優(yōu)勢，可以加快實(shí)現(xiàn)“氫能中國”戰(zhàn)略。

在儲(chǔ)運(yùn)氫方面，氫的長距離儲(chǔ)運(yùn)將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，中短距離要與氨等多種儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)相結(jié)合，并因地制宜發(fā)展。隨著制氫端技術(shù)的突破，通過輸氫管網(wǎng)交聯(lián)，在氫能下游（如工業(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域）大規(guī)模普及，綠色“氫經(jīng)濟(jì)”概念將轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

在應(yīng)用氫方面，隨著行業(yè)聚焦與技術(shù)發(fā)展，快速升級的氫燃料電池，帶動(dòng)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用變革。隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，氫能源汽車將逐漸成為燃料電池最為關(guān)鍵的應(yīng)用方向之一，未來也將保持高速增長趨勢。氫能燃料汽車?yán)m(xù)航能力較電動(dòng)汽車強(qiáng)，更適合大功率貨運(yùn)汽車應(yīng)用，又能夠?qū)崿F(xiàn)與純電動(dòng)汽車相近的環(huán)境效應(yīng)，是未來比較理想的車用能源技術(shù)選擇。因此，國際能源署對氫能燃料汽車市場占比有較高預(yù)期，有機(jī)會(huì)與純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)三分天下。在煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)以及煉鋼等化工領(lǐng)域，灰氫將逐步被綠氫所取代。在其他諸多傳統(tǒng)能源密集型產(chǎn)業(yè)，氫能也將代替化石能源作為能量載體進(jìn)行供能。在建筑領(lǐng)域，采用綠色氫能的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，也是節(jié)能減排重要方式。同時(shí)，更多的氫能應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩介_發(fā)。

未來，實(shí)行綠氫與金氫并行發(fā)展戰(zhàn)略，更有利于我國早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，且松遼盆地和柴達(dá)木盆地個(gè)別井發(fā)現(xiàn)了金氫，證明我國具備金氫的資源潛力。因此，在我國尋找地下金氫，發(fā)展金氫產(chǎn)業(yè)，尤其是首先開展金氫勘探刻不容緩?！熬G氫+金氫”將成為全球?qū)崿F(xiàn)碳中和的長遠(yuǎn)發(fā)展方向。

> 可持續(xù)能源循環(huán)示意圖

視覺中國 / 供

作者： 魏建設(shè) 周俊林 李玉宏 張?jiān)迄i

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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