陶光遠 作者供職于中德可再生能源合作中心

 

氫可以用作原料、能源載體和能源存儲。因為氫在使用時不排放二氧化碳，一般沒有空氣污染，因此在未來的碳中和時代，將廣泛應(yīng)用在工業(yè)、交通運輸、電力和建筑領(lǐng)域。幾乎所有依賴化石能源的應(yīng)用場景都可以利用氫及其衍生物來實現(xiàn)碳中和。提高能源效率和通過使用風(fēng)光等可再生能源與核能實現(xiàn)電力零碳化被視為全球能源轉(zhuǎn)型實現(xiàn)碳中和的前兩大支柱，而氫被認為是第三大支柱。因此氫在世界各地受到迅速增長的關(guān)注。

 

正因為如此，2020年6月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部公布了德國的《Nationale Wasserstoff-Strategie（國家氫能戰(zhàn)略）》。2020年7月，歐盟公布了《A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe歐洲氣候中性的氫能戰(zhàn)略》。這兩個戰(zhàn)略文件宣稱的目標均是雄心勃勃的。其中，歐盟的目標是將氫在歐洲能源結(jié)構(gòu)中的份額從目前的不到2%提高到2050年的13-14%。

 

技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用需要通過示范項目這個環(huán)節(jié)進行技術(shù)驗證和實現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟性的提高，這是新技術(shù)從開發(fā)到推廣應(yīng)用之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。歐洲氫能示范項目的主要目的有兩個，一是通過示范項目促進氫能技術(shù)的成熟和降低成本，以加快氫能的大規(guī)模應(yīng)用，為實現(xiàn)碳中和發(fā)揮作用。二是支撐歐洲氫能的研發(fā)，保持歐洲在氫能科技領(lǐng)域的優(yōu)勢，未來向世界各國大規(guī)模出口氫能領(lǐng)域的高科技產(chǎn)品。

 

對于歐洲的氫能發(fā)展戰(zhàn)略，國內(nèi)有不少介紹，但是，對于具體的示范項目，鮮有介紹和分析。通過分析借鑒國際氫能先發(fā)國家的示范項目，促進中國氫能事業(yè)的發(fā)展和示范項目的開發(fā)，以便在氫能領(lǐng)域的發(fā)展中少走彎路。

 

氫能的生產(chǎn)物流與應(yīng)用

 

目前，全球主要使用化石能源作為原料制氫（灰氫）。有兩種主要方法：一是使用甲烷（天然氣的主要成分）蒸汽重整（SMR）制氫；二是將煤炭氣化制氫。由于生產(chǎn)灰氫排放大量的二氧化碳，因此未來需要用沒有二氧化碳排放的制氫方法替代。一種方法是甲烷蒸汽重整與碳捕獲和封存（CCS）結(jié)合（藍氫），或甲烷熱解與碳利用結(jié)合（綠松石氫）；另一種是可再生能源制氫（綠氫）。

 

現(xiàn)在的氫主要是在工業(yè)領(lǐng)域作為生產(chǎn)工藝中的中間產(chǎn)品使用，往往是就近生產(chǎn)就近使用，所以基本上不存在運輸和存儲的問題。由于未來氫的利用場景和規(guī)模遠勝于此，制氫的地點和用氫的地點往往不在一地，甚至相差上千公里。因此，氫能的物流成為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)。

 

氫最簡單的物流形式是氣態(tài)運輸，包括純氫管道、天然氣管道摻氫以及利用高壓車載儲氫瓶等運輸方法。像所有其它氣體一樣，氫氣也可以在低溫液化后,以液態(tài)形式進行運輸。此外，化學(xué)存儲形式，例如轉(zhuǎn)化為氨或使用液態(tài)有機載氫體（LOHC，Liquid Organic Hydrogen Carrier）等，也具有較高的氫儲運潛力。

 

當前氫主要是作為工業(yè)原料使用，未來氫作為能源載體來使用將具有更高的重要性, 尤其是在那些難于直接使用電能的領(lǐng)域中。隨著氫在全球能源系統(tǒng)中的整合，氫作為原料和能源應(yīng)用之間的清晰界限將消失，氫將同時用于這兩個目的。除了目前在石油化工和化肥行業(yè)中大量使用氫以外，鋼鐵行業(yè)還使用氫作為還原劑和能源載體，替代焦炭和其它化石能源，來實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。

 

此外，在電力和生物能源技術(shù)不可行或不具有成本效益的領(lǐng)域，氫也可以作為可選的能源和原料。在重載公路運輸，鐵路運輸和乘用車等陸地交通中，氫燃料電池車比電動汽車具有更長的續(xù)航里程，比燃油車具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。在建筑領(lǐng)域，氫熱電聯(lián)供未來可以替代今天的燃煤和天然氣熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

 

氫的電解和發(fā)電可成為消納和補償風(fēng)光電季節(jié)性波動的最大穩(wěn)定機制：電解水制氫工廠可以作為靈活負載消納過剩（特別是季節(jié)性過剩）的風(fēng)光水電。在風(fēng)光水電短缺的季節(jié)，可以用儲存在大型氫庫里的氫發(fā)電或熱電聯(lián)供，解決未來碳中和時代可再生能源電力供應(yīng)的季節(jié)性（譬如在冬季11月份至2月份）短缺問題。而現(xiàn)在的大部分儲能技術(shù)，如抽水蓄能電站、電轉(zhuǎn)熱冷存儲、電動汽車智能充電和蓄電池儲能只適合于應(yīng)對可再生能源發(fā)電的短時間波動。

 

歐洲氫能示范

 

幾乎所有的歐洲國家都啟動了面向未來氫能技術(shù)應(yīng)用的示范項目。但由于各國經(jīng)濟發(fā)展水平、技術(shù)水平和制氫資源的差異，因此在氫能示范項目的規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋程度、技術(shù)水平和應(yīng)用規(guī)模上有所不同。限于篇幅，本文僅挑選了在歐洲不同地區(qū)開展氫能示范項目領(lǐng)先的國家，進行了分析。

 

這些國家是西歐的德國和荷蘭、北歐的挪威、南歐的西班牙和東歐的波蘭。其中，這些國家已經(jīng)建成和正在建設(shè)的氫能示范項目：德國有22個；荷蘭有20個；挪威有15個；西班牙有25個；波蘭有8個。這里還不包括大量的加氫站。譬如，在德國，截止到2021年12月11日，有91個加氫站在運行。而在2018年4月，才只有不到40個加氫站。

 

氫能從生產(chǎn)、物流到應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)鏈很長。歐洲的氫能示范項目不追求每一個示范項目在所有的環(huán)節(jié)上符合未來的要求，而是僅對其中的某個或某幾個環(huán)節(jié)進行面向未來的示范，以降低示范項目的實施難度和投資規(guī)模。這樣通過多個項目分別對不同氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不同環(huán)節(jié)進行示范，綜合起來就可實現(xiàn)對全部氫產(chǎn)業(yè)鏈各個技術(shù)環(huán)節(jié)面向未來的示范。因此，歐洲氫能示范項目既有實現(xiàn)了碳中和的氫能示范項目，也有一些項目與現(xiàn)有的氫基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合，包括使用有二氧化碳排放的灰氫。

 

歐洲現(xiàn)有的氫基礎(chǔ)設(shè)施主要集中于工業(yè)部門（最主要是：合成氨工業(yè)和煉油廠）。其它基礎(chǔ)設(shè)施，如交通領(lǐng)域的加氫站，現(xiàn)在的用氫量還微乎其微。

 

歐盟以及歐洲各國政府都對氫能示范項目給予了大力支持，包括對示范項目的組織、市場推廣措施和財政資助補貼。其對氫能的資助方式是政府與經(jīng)濟界結(jié)合，歐盟、國家和地方政府等各級政府的資助結(jié)合。

 

例如，自2005年以來，歐洲共同利益的重要項目IPCEI（important Project of Common European Interest）是歐盟一個特殊的科研項目框架，其重要項目最初僅限于研究、開發(fā)和創(chuàng)新以及環(huán)境保護領(lǐng)域。最近各國計劃在這個框架下加大對綠氫研發(fā)和示范的投入，這個計劃現(xiàn)在已經(jīng)啟動。

 

2020年12月，挪威等歐盟國家呼吁并發(fā)起了一些促進歐洲氫能經(jīng)濟的共同利益項目。其中包括歐洲最大鋼鐵廠杜伊斯堡-沃爾蘇姆 （德國）的500 MW電解水制氫項目計劃，塞納河畔杰羅姆港（法國）的化學(xué)工廠的200 MW電解水制氫項目計劃，漢堡-摩爾堡的200 MW電解水制氫項目和一個氫燃氣輪機研發(fā)計劃，以及 Chaleroi（比利時）石灰窯的75 MW 電解水制氫項目。

 

此外，歐盟內(nèi)部市場/工業(yè)/創(chuàng)業(yè)和中小企業(yè)總局（DG GROW）與 Hydrogen Europe合作制定了“氫促進氣候行動”倡議，該倡議屬于歐洲IPCEI氫能示范，發(fā)布了10個突出的大型項目名單，這些項目的電解水制氫的總?cè)萘繛?3.5 GW（最大的是 Black Horse項目，16.5 GW），以及數(shù)千輛氫能汽車、氫存儲設(shè)施、氫氣管道和其它與氫相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目。

 

限于篇幅，本文僅列舉了歐洲各地區(qū)氫能示范先發(fā)國家部分有代表性的氫能示范項目，類型完全重復(fù)的示范項目不贅述。

注：按現(xiàn)在的電解水制氫技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率，1 MW電解水制氫能力每小時可制200~220立方米的氫氣。

 

歐洲各國通過上述示范項目進行驗證的氫能技術(shù)包括：

 

制氫技術(shù)方面：PEM電解水制氫；堿性電解水制氫；直接使用陸上和海上風(fēng)電電解水制氫；太陽能發(fā)電電解水制氫；甲烷蒸汽重整制氫結(jié)合CCUS；收集化工尾氣后膜分離制氫并進行碳捕獲；利用鋼鐵企業(yè)的高溫余熱參與高溫電解水制氫以降低制氫的電耗等。

 

氫儲運技術(shù)方面：純氫管道輸氫；氫氣摻混到天然氣管道中輸送；管束拖車輸氫；液態(tài)有機儲氫載體通過管道和道路儲運氫；用巖穴作為儲氣庫儲氫；在資源枯竭的地層或含水層中儲氫等。

 

氫能應(yīng)用領(lǐng)域：電解氫后液化，作為輪船的燃料；綠氫加氫站；氫燃料電池供電；氫氣燃氣輪機發(fā)電；氫能熱電聯(lián)供；氫能煉鋼；波動的可再生能源發(fā)電與氫基化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合；利用可再生能源電解水制氫，再用氫燃料電池作為后備系統(tǒng)，為電信設(shè)備供電；綠氫合成氨；氫氣制甲烷；綠氫大規(guī)模應(yīng)用前，在加氫站使用灰氫等。

 

可以看到，歐洲各國的氫能示范項目幾乎涵蓋了氫能產(chǎn)業(yè)鏈上所有的技術(shù)環(huán)節(jié)。