文：東灘智庫

氫能作為一種清潔高效的新能源，由于其靈活高效、清潔低碳、應(yīng)用廣泛，正在成為全球爭相發(fā)展的未來能源新星。日美歐多個國家制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，儲氫、運氫、加氫等氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加快，氫燃料電池在商用車等領(lǐng)域率先開展示范應(yīng)用。碳中和戰(zhàn)略是推動氫能發(fā)展的主要動力，隨著氫能技術(shù)突破和規(guī)模化應(yīng)用，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈將迎來發(fā)展爆發(fā)期。

一、氫能儲能

目前在儲能領(lǐng)域，抽水蓄能系統(tǒng)占據(jù)絕對主導，電化學儲能、氫能儲能、飛輪儲能等新的儲能技術(shù)也在不斷發(fā)展。氫能能量密度高，運行維護成本低，可同時適用于極短或極長時間供電的能量儲備，是少有的能夠儲存上百GWh以上的儲能形式，被認為是極具潛力的新型大規(guī)模儲能技術(shù)。相對而言，電池只是一個短周期、高頻率、分布式的儲能裝置。

根據(jù)國際氫能委員會預計，到2050年氫能將承擔全球18%的能源終端需求。《歐盟氫能戰(zhàn)略》提出，在2024年之前可再生能源綠色制造氫達到100萬噸，2030年達到1000萬噸。中國的氫能和燃料電池發(fā)展了20年，現(xiàn)在也正處于向規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的階段，未來5年應(yīng)該會有大規(guī)模的發(fā)展，而且國家的補貼政策也即將開始，這將給氫能發(fā)展帶來很大動力。

大規(guī)模利用可再生能源富余電力制氫，即電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)已為市場普遍看好。風電、光伏出力受限時，利用富余的可再生能源進行制氫，并作為備用能源儲存下來；在負荷高峰期發(fā)電并網(wǎng)，提高新能源的消納能力，減少棄風、棄光，增強電網(wǎng)可調(diào)度能力并確保電網(wǎng)安全。未來隨著規(guī)模化的氫儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，可利用儲氫實現(xiàn)跨季調(diào)峰等應(yīng)用。

二、集中發(fā)電/分布式發(fā)電

1、分布式發(fā)電

利用燃料電池開展分布式發(fā)電，被視為電網(wǎng)削峰填谷的一種解決方案，具備4大優(yōu)點：一是穩(wěn)定性好：不受天氣、時間和區(qū)域影響；二是發(fā)電效率高，理論成本低；三是天然氣屬于低碳清潔能源；四是與現(xiàn)有加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施相匹配。

目前，全球燃料電池分布式發(fā)電主要由美國、韓國和日本三個國家推動。其中，美國以Bloom Energy為代表，主要發(fā)展SOFC大型商用分布式發(fā)電；韓國以斗山集團為代表，主要發(fā)展PAFC大型商用分布式發(fā)電；日本以松下和東芝為代表，主要發(fā)展PEMFC小型家用分布式發(fā)電。

氫燃料電池在大型數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域輔助供能方面有較大的應(yīng)用前景。眾多知名數(shù)據(jù)中心開始追求100%可再生能源供電目標，光伏等新能源加上儲能系統(tǒng)供電成為數(shù)據(jù)中心的新型解決方案，氫燃料電池與UPS系統(tǒng)結(jié)合，可以幫助數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)節(jié)能管理。

2、冷熱電聯(lián)供

相比天然氣發(fā)電，利用氫燃料發(fā)電是替代火力發(fā)電的一種更佳的低碳化方案。在技術(shù)上，首先可以從氫燃料與天然氣混燃發(fā)電開始突破，開發(fā)利用余熱進行甲基環(huán)己烷（MCH）、氨等氫載體的脫氫反應(yīng)技術(shù)，高效脫氫工藝可進一步降低成本，與此同時加快脫硝燃燒器和非噴淋脫硝技術(shù)的開發(fā)。2020年小型純氫燃料熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)電效率已提高到27%，到2030年有望全面實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

利用氫燃料電池也可以實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供。近期，由東方氫能、東方鍋爐與華電集團四川分公司三方聯(lián)手打造的100kW級商用氫燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)已正式交付，它打通了制氫、氫氣發(fā)電、供熱制冷等環(huán)節(jié)，進一步拓寬氫能示范應(yīng)用領(lǐng)域，開辟可再生能源制氫及氫能綜合利用的新路徑。

三、氫動力汽車

1、氫燃料電池汽車

氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑，當前全球多個國家都在積極布局氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈。截至2020年底，我國累計接入燃料電池車超6000量，TOP10企業(yè)累計接入5300輛，占比達88.3%。從技術(shù)發(fā)展看，近年來氫燃料電池汽車功率逐年提升，2018年大多為30KW，2019年集中在40KW-50KW，2020年大多為60-80KW，2021年將以80KW為主。

氫燃料電池整車市場，以客車、重卡為主的商用車成主流市場。在氫能客車滲透率不斷提高的同時，重卡成為新的市場重點。一方面，在當前補貼條件下，燃料電池重卡已經(jīng)進入平價區(qū)域，另一方面，燃料電池因高能量密度、長續(xù)航歷程，運營階段零排放的特點，成重載領(lǐng)域電動化的最優(yōu)方案。

國內(nèi)氫燃料電池汽車市場需求旺盛，預計未來主體需求逐步從商用車向乘用車轉(zhuǎn)化。由于不同地區(qū)能源結(jié)構(gòu)差異和氫能特性，燃料電池和純電動車將進入長期共存、互為補充的應(yīng)用局面。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，2050年中國氫燃料電池產(chǎn)量達到520萬輛/年。

2、氫燃料發(fā)動機

近期，中國工信部研究推動將氫氣內(nèi)燃機納入氫能發(fā)展戰(zhàn)略，氫氣內(nèi)燃機有望成為新賽道。氫燃料發(fā)動機通過使用從汽油發(fā)動機使用的燃料供應(yīng)和噴射系統(tǒng)改進而來的氫氣噴射系統(tǒng)產(chǎn)生動力。氫燃料內(nèi)燃機可以在傳統(tǒng)發(fā)動機的基礎(chǔ)上進行改造，適應(yīng)性強，更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車。

上世紀70年代后，德國、日本、美國、中國都有氫內(nèi)燃機的技術(shù)投入。2007年，寶馬推出迄今為止氫內(nèi)燃機汽車最接近量產(chǎn)的產(chǎn)品Hydrogen 7。近年來，福特、豐田等汽車公司也積極推動氫燃料發(fā)動機研發(fā)。英國工程機械制造巨頭JCB發(fā)布了一款氫燃料活塞發(fā)動機，在成本、重量上都比傳動的電機、電池或燃料電池更有優(yōu)勢。

四、氫動力船舶

1、氫燃料電池船舶

從技術(shù)層面看，氫燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用具有三大優(yōu)勢，相較傳統(tǒng)燃油船舶與動力電池船舶均有占優(yōu)。氫燃料電池船舶基礎(chǔ)技術(shù)成熟但成本高昂，船舶用氫燃料電池模組實現(xiàn)從200kw擴展至兆瓦級，電能效率突破55%。

目前氫能船舶領(lǐng)域還沒有成熟的商用船只，技術(shù)研發(fā)正積極實現(xiàn)降低成本和全環(huán)節(jié)技術(shù)鏈條整合，推動形成圍繞氫燃料電池船舶的完整產(chǎn)業(yè)鏈。自2018年以來，中國相繼出臺多項政策，從技術(shù)研發(fā)、落地推廣等角度推動氫燃料電池船舶發(fā)展，預計2025年氫燃料電池系統(tǒng)改造船數(shù)量和新建氫燃料電池船舶數(shù)量將分別達到400艘和200艘。

2、氫燃料發(fā)動機船舶

日本《綠色增長戰(zhàn)略》提出，到2050年將現(xiàn)有傳統(tǒng)燃料船舶全部轉(zhuǎn)化為氫、氨、液化天然氣（LNG）等低碳燃料動力船舶，促進面向近距離、小型船只使用的氫燃料電池系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)的研發(fā)和普及；推進面向遠距離、大型船只使用的氫、氨燃料發(fā)動機以及附帶的燃料罐、燃料供給系統(tǒng)的開發(fā)和實用化進程。

全球船用發(fā)動機領(lǐng)導者瓦錫蘭預計，將在2021年內(nèi)推出氨混合燃料發(fā)動機，于2023年推出純氨燃料發(fā)動機，并將于2025年推出純氫燃料發(fā)動機。中國船舶等企業(yè)也在積極研發(fā)氫氨發(fā)動機、氫燃料燃氣輪機。

五、氫動力航空

航空業(yè)每年排放9億噸以上的二氧化碳，氫能是發(fā)展低碳航空的主要途徑。氫能在飛機上的應(yīng)用有以下四種途徑：直接在燃氣輪機中燃燒，通過燃料電池用于推進或非推進能源系統(tǒng)，燃料電池和燃氣輪機的混合動力組合，氫基合成燃料。

氫氣可以與二氧化碳結(jié)合，產(chǎn)生一種不需要改變現(xiàn)有飛機基礎(chǔ)設(shè)施的“過渡”燃料。考慮到航空部門的低資產(chǎn)周轉(zhuǎn)率，氫基燃料是航空業(yè)在2050年前實現(xiàn)有意義脫碳的主要途徑。目前，全球排名前10大的機場都在探索或已經(jīng)部署了加氫基礎(chǔ)設(shè)施，用于輔助交通和物流。對于通勤類客機和支線客機，燃料電池推進是最節(jié)能、最環(huán)保、最經(jīng)濟的選擇。針對短程客機，混合動力（氫氣燃燒和燃料電池)可能為最佳方案。歐美中短途的小型氫動力飛機項目正在興起。針對遠程客機，合成燃料可能是更具成本效益的脫碳效益的解決方案。

空客已制定氫能源飛機技術(shù)路線圖：2021年進行地面演示；2023年氫燃料技術(shù)驗證機首飛；2024年確定氫燃料飛機選型；2025年氫燃料驗證機首飛；2035年氫燃料飛機交付；將氫燃料推廣應(yīng)用到空客全系產(chǎn)品，包括直升機產(chǎn)品；在大型客機上采用氫能源。

六、氫能冶金

氫能冶金是金屬冶煉行業(yè)碳減排的一種重要途徑，目前的研發(fā)應(yīng)用主要集中在鋼鐵領(lǐng)域。短期內(nèi)以高爐富氫為主，未來逐步推進氣基豎爐富氫。國內(nèi)鋼鐵行業(yè)未來一段時間仍以長流程為主，現(xiàn)階段應(yīng)推廣灰氫+高爐富氫的氫能煉鋼工藝，隨著未來條件成熟，更適宜氫氣煉鋼的富氫氣基豎爐直接還原工藝在國內(nèi)占比將逐步提升。

目前，國內(nèi)多個大型鋼企在推進氫煉鋼生產(chǎn)線改造和建設(shè)，就已有高爐富氫工藝對現(xiàn)有高爐進行改造，或者建設(shè)氣基還原工廠，進行氫能煉鋼，在為下游提供鋼鐵產(chǎn)品的同時實現(xiàn)碳減排。預計2060年，氫冶金粗鋼產(chǎn)量將達4.36億噸，其中采用富氫高爐工藝粗鋼產(chǎn)量為2.26億噸，氣基豎爐工藝粗鋼產(chǎn)量為2.1億噸；生鐵產(chǎn)量將達3.44億噸，其中富氫高爐生鐵產(chǎn)量為1.97億噸，氣基豎爐工藝生鐵產(chǎn)量為1.47億噸。

七、建筑供熱

與天然氣相比，氫氣密度較低，單位質(zhì)量的燃燒熱遠大于天然氣；氫更容易點燃且其火焰速率要遠快于天然氣；氫氣在空氣中擴散系數(shù)高，不易造成擴散后的聚集進而危險性降低。

在現(xiàn)有天然氣管道中摻雜氫氣，滿足建筑領(lǐng)域供熱需求，同時減少碳排放量。近中期實施中低比例摻氫，在氫氣濃度（體積最高為10-20%）相對較低的情況下，無需對基礎(chǔ)設(shè)施和終端應(yīng)用進行重大改變，投資成本較低。若混合比例為5%，每年將減少約20萬噸二氧化碳排放。

我國天然氣摻氫尚處于研發(fā)試驗階段，主要由資金實力雄厚的國有企業(yè)開展實施，實際投產(chǎn)運行天然氣摻氫示范項目的企業(yè)很少，部分企業(yè)發(fā)明了相關(guān)的研究專利，但未落實到具體的項目實踐中。