氫能的利用是未來大方向

一、氫能在維護能源安全上被寄予厚望 

    德國《商報》報導，在地緣政治的不確定時期，中國正在關注新能源的使用已達成碳中和目標。作為世界第二大經濟體，加強能源安全是北京面臨的一個主要問題。俄烏戰爭爆發後，歐洲國家的能源缺乏讓中國更加認識到維護能源安全的緊迫性。中國希望減少對進口能源的依賴，在《“十四五”現代能源體系規劃》明確了通過建設新能源系統來保障“國家能源安全”的目標。價格急劇下降的新存儲能源解決方案和綠色氫等技術在其中發揮了核心作用，中國目前已是最大的氫氣生產國和消費國。中國規劃了到2025年，每年需生產10萬噸綠色氫燃料的目標。目前維持人類文明所消耗的能源是以碳循環的方式進行，綠色植物藉光合作用將太陽能轉換成含有機碳的葡萄糖供其他動植物賴以維生，而同時空氣中的二氧化碳也轉換成碳氫化合物將太陽能轉換成化學能，動植物經由呼吸作用又產生二氧化碳回到大氣中，此謂之碳循環，但工業革命後人類大量使用煤、石油而產生過多的二氧化碳因而造成溫室效應的環保問題。隨著化石燃料的日漸枯竭，氫能的使用應運而生，氫能不只是替代石油能源的明日之星，其燃燒及產生過程均與二氧化碳無關自成一循環稱之為氫循環。隨著氫能逐漸成為“清潔、低碳、安全、高效”能源體系的重要一環。目前，全球製氫的主要原料是化石燃料，未來隨著可再生能源發電成本的下降，可再生能源製成的綠氫將是未來重要的發展方向。氫能與電能類似，是常見的二次能源，需要通過一次能源轉化獲得；不同處在於，氫能的能量密度高、儲存方式簡單，是大規模、長周期儲能的理想選擇，為可再生能源規模化消納提供了解決方案。隨著燃料電池等氫能利用技術逐漸成熟，氫能-熱能-電能將實現靈活轉化、耦合發展。作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，氫能正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。此次《規劃》明確，氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。 

   隨著可再生能源佔比的不斷提升，電解水製氫可使用離峰電價降低制氫成本。氫能將在能源生產和消費革命中發揮重要作用，制氫方面包括可再生能源電解制氫、氯鹼副產氫、焦爐副產氫、丙烷脫氫副產氫等；氫能利用方面主要側重於氫能的工業應用，包括氫氣作為未來綠色化工的核心原料、氫氣煉鐵、高溫燃料電池分佈式發電、天然氣混氫燃氣發電等。在各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）仍然佔據主導。國際氫能領域快速發展，美、日、韓及歐盟都有規劃，估計未來氫在中國終端能源體係中2050年佔10%，氫能將成為中國能源戰略的重要組成部分。氫燃料電池車的特點適合長距離、重載，港口地區大型鋼鐵企業及聯産焦化企業，副産氫來源有保障，可實現氫源供應的經濟效益。由氫還原礦石生成水，比焦炭好多了，氫冶金用的氫氣可以不要高純度且便宜。固態儲氫在氫燃料電池汽車中的應用很重要，固態儲氫為氫能源的“電電混動”的氫能源汽車將成為新技術發展方向之一，它可以不考慮布局加氫站，可以把氣瓶作為標準儲氫，壓力幾乎是常壓，沒有任何風險，每個高速鐵路的服務站都可以出售這種氫氣瓶，用完就換。現在有三類電解水制氫技術，比較成功的是鹼水電解，還有就是質量交換膜的純水電解及正在研發的高溫蒸汽電解。幾種水電解技術特點，固體氧化物電耗最低，PEM正在進行兆瓦級工業性實驗，可再生能源的功率變化適應性比較強，隨著經濟社會不斷發展，保護生態環境、應對氣候變化的壓力日益增大。氫能作為一種來源多元化、終端零排放的能源載體，在世界能源舞臺上將扮演越來越重要的作用，這一點已基本形成共識。從上世紀第一次石油危機到本世紀初，氫能在汽車工業的直接推動下經歷了“三起三落”，當前氫能和燃料電池相關技術取得了長足進步，成本大幅下降。像豐田氫燃料電池汽車（Mirai）與2008年概念車相比，不僅燃料電池堆體積功率密度提高了一倍，而且催化劑中鉑用量降低了一個數量級，成本下降了95%，。同時，零排放的化石能源制氫和可再生能源快速發展使得清潔、經濟的氫源成為可能，也為氫能發揮大規模、長周期儲能優勢提供了巨大空間，這是我們這一輪氫能發展熱潮不同于以往的最大驅動力。 

二、中國大陸的氫能發展 

   中國大陸的氫能發展有三大定位包括：(1)氫能是未來國家能源體系的重要組成部分(2)氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體(3)氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。氫能產業在“十四五”時期的發展目標是，初步建立以工業副產氫和可再生能源製氫作為氫能供應體系；氫燃料電池車保有約5萬輛，建設一批加氫站，可再生能源製氫量達到10萬~20萬噸/年，實現二氧化碳減排100萬~200萬噸/年。到2030年，形成較為完備的氫能產業技術創新體系、清潔能源製氫以及供應體系。中國大陸能源局的《「十四五」現代能源體系規畫》明確將氫能上升到國家能源戰略地位，到2025年，非化石能源發電量比重將達到39％左右，電能占終端用能比重達到30％左右，2035年可再生能源發電將成為主體電源。截至2021年底，大陸可再生能源裝機規模突破10億千瓦，風電、太陽能發電裝機均突破3億千瓦。而由於風電、太陽能發電具有間歇性和不穩定性的資源特性，能源結構在未來迎接大規模新能源接入時，不可避免地需要儲能技術的支持。中國制定的《 “十四五”推動石化化工行業高質量發展的指導意見》要求加快“綠氫”規模化應用，鼓勵石化工業合理有序開發利用“綠氫”。中國是世界上最大的製氫國，年制氫產量約3300萬噸，其中達到工業氫氣質量標準的約1200萬噸。中國氫能產業呈現積極發展態勢，已初步掌握氫能製備、儲運、加氫、燃料電池和系統集成等主要技術和生產工藝，在部分區域實現燃料電池汽車小規模示範應用。氫產業鏈企業超過300家，集中分佈在長三角、粵港澳大灣區、京津冀等區域。 

   在歷經十年的發展積累後，氫能產業將迎來政策性利好的全新發展機遇。事實上，在上游氫源方面，中國現有氫氣供應體係以化石能源製氫為主，存在利用效率低、二氧化碳排放高等問題，可再生能源製氫是未來必然選擇。中國能源局鼓勵在風光水電資源豐富地區，開展可再生能源製氫示範，未來可再生能源製氫在終端能源消費中的比重會不斷提升，為碳達峰、碳中和目標的實現提供有力支撐。除了氫燃料電池在汽車交通領域的應用，氫也被當作儲能的重要方向，用於提升新型電力系統的靈活調節能力。除此之外，氫能在冶金、供暖、分佈式能源應用等方向都有廣泛用途。中國氫燃料電池車研發經過了四個“五年計劃”的積累，基本建立了具有自主知識產權的車用燃料電池技術平台，並展開了包括公交、卡車、客車、專用車等在內的多層次運營。在分佈式電源領域，氫燃料電池近年來也受到越來越多的關注，目前已有不少的質子交換膜燃料電池技術成功應用在中小型的分佈式電站領域。中國能源局強調，應重點推進氫燃料電池中重型車輛應用，有序拓展氫燃料電池大巴/卡車等新能源客貨車輛的市場應用空間，探索氫燃料電池在船舶/航空器等領域的示範應用，不斷擴大交通領域氫能應用市場規模。根據規劃，到2025年，中國燃料電池車輛保有量將達到5萬輛。至2021年底，累計計劃推廣燃料電池車輛超2萬輛，建設加氫站超過306座。雖然中國已是世界最大製氫國，氫能產業呈現積極發展態勢，但總體而言，中國氫能產業仍處於發展初期，相較國際先進水平仍存在創新能力不強、技術水平不高問題。 

三、台灣氫能要迎頭趕上 

    日本三菱重工宣布將使用高溫氣冷堆(HTGR)生產氫氣，預計到2030年代前半期達到實用化。如果利用核電站生產的電製備氫氣，可以兼顧低成本和脫碳，目標是在碳排放較多的鋼鐵業等產業界使用，核能製氫可降低氫氣成本。日本希望成為全球首個氫經濟體，正在大力研發和推廣氫能，日本的氫燃料電池車領先全球。氫能源被視為脫碳社會的一張王牌，作為基礎交通工具，日本的氫能巴士已上路。如今，日本把研發重點放在遠程交通工具上，例如氫能源飛機和快鐵，並有了明確投入市場的目標。據國際氫能委員會預測，到2050年，氫能源市場規模可達2.5萬億美元。日本在能源安全方面一直存在危機感，早在石油危機發生的上世紀70年代，日本就開始關注氫技術研發。目前，除了應對氣候危機和俄烏戰爭的影響，日本的能源策略更傾向於創建“氫能社會”，所確立的氫能基本戰略是要在2030年的能源結構中將氫能源的使用佔比提高。川崎重工在儲氫技術方面具有優勢，建造了世界上第一艘運輸液化氫的專用船，這有助於減低氫燃料的運輸成本。此外，川崎重工還與歐洲主要飛機製造商合作，研究以飛機為主體的氫氣核心技術。川崎重工日前宣布，它開發了以氫為燃料的下一代氫動力飛機的主要部件，目標是在2040年前後投入實際使用。 

   與日本不同，台灣很少有關於氫能研發的政策規劃及討論會議，教育部及經濟部應在各院校培育青年相關氫能源應用人才，加強規劃相關氫能產業產銷合作。國家能源政策也應納入氫能，氫能和燃料電池産業鏈涉及面廣，每個環節都有很高的技術壁壘和很多的難題。在産業培育階段，如果政府不支持，單打獨鬥很難取得良好效果。要將氫能産業真正打造為我國的戰略性新興産業，形成一體化全國性的氫能産業布局，政府加強頂層設計、強化戰略引導尤為重要，學術界堅持開放創新、加速成果轉化尤為重要，企業堅持合作共贏、深化産融結合尤為重要。