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綠氫未來發(fā)展與預(yù)測
發(fā)布時(shí)間：2022-05-09錢金川（溫州高企氫能科技有限公司）
一、在“碳達(dá)峰”和“碳中和”前提下的綠氫
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到 2030 年，我國氫氣需求量將達(dá)到3500 萬噸，到 2050 年，氫能將在中國終端能源體系中占比至少達(dá)到10％，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約 12 萬億元，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。
更有專家表示，發(fā)展氫能技術(shù)，是我國尋求解決能源與資源危機(jī)、
加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，如期實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的戰(zhàn)略選擇。
眾所周知碳排放主要由化石能源所引發(fā)，目前中國煤炭消費(fèi)幾乎占到全球的一半，是碳排放的主要來源之一。隨著中國能源轉(zhuǎn)型的加快，天然氣將逐步替代煤炭，從而減少二氧化碳的排放，實(shí)現(xiàn)中國由高碳向低碳的轉(zhuǎn)型。而伴隨氫能源的不斷加速發(fā)展，氫能將為最終實(shí)現(xiàn)碳中和起到重要作用，并肩負(fù)起無法替代的使命。
**整體規(guī)劃“碳達(dá)峰”和“碳中和”的論述
碳達(dá)峰 ：當(dāng)每年碳排放量不再增加，達(dá)到峰值。**力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)。
碳中和：人類總要排放碳，實(shí)在減不掉的就吸收掉，當(dāng)吸收量等于排放量。碳中和中重要的操作之一是碳捕集，把排入大氣的CO?的捉回來，才能真正實(shí)現(xiàn)凈零排放。中國力爭于2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，而歐盟一些**首倡2050年達(dá)中和。
近年來，受能源政策、市場以及相關(guān)氫能利用技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應(yīng)用提供了更多可行和適用的選擇。能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動(dòng)性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。
二、遏制全球變暖首要的是減排
在過去200年里，人類向大氣層排放了數(shù)萬億噸CO?，它如同給地球造了7個(gè)大棚，讓地球無法散熱，溫室氣體隨著人類在暢想科技文明的同時(shí)，如影隨形變本加厲。
譬如在2019年數(shù)據(jù)顯示：碳源產(chǎn)生約400億噸CO?/年，而其中86%為化石燃料產(chǎn)出；14%為土地產(chǎn)生。產(chǎn)出的碳基本上碳
匯在以下三個(gè)方面：46%匯聚大氣層；23%匯聚海洋；31%匯聚在陸地。
隨著碳中和目標(biāo)的提出，中國未來能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向已經(jīng)確定。預(yù)計(jì)到2060年中國經(jīng)濟(jì)會(huì)達(dá)到人均GDP4.8萬美元，帶來能源需求67.3億噸標(biāo)煤，較現(xiàn)在提升38%。如果以目前的能源結(jié)構(gòu)不變，將會(huì)產(chǎn)生每年160億噸二氧化碳的碳排放。
如果減排，需從以下三個(gè)方面入手：
2.1、使用清潔能源（如綠氫）；
2.2、提高能源的使用效率；
2.3、減少一次性物品生產(chǎn)。
毋庸置疑使用清潔能源，是一勞永逸的做法。在全球能源危機(jī)化的形勢下，用氫做為石油燃料的替代品已成為時(shí)代的趨勢。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，人類生活質(zhì)量的不斷提高，社會(huì)各行業(yè)對氫氣的需求日趨增多，其用途十分廣泛。氫能，尤其是風(fēng)電、光伏等可再生能源所制得的綠氫，只消耗電能，無其它副產(chǎn)物排放，氫氣純度高于 99.99%，具有零碳、高效、可儲存、安全可控等顯著優(yōu)勢。
目前，美國、日本、歐盟等主要發(fā)達(dá)**和地區(qū)均已將氫能納入能源發(fā)展戰(zhàn)略，氫能由最初示范應(yīng)用逐步走向規(guī)?；茝V。據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)測，到 2050 年，氫能將創(chuàng)造 3000 萬個(gè)工作崗位，減少160億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造2.5萬億美元的市場價(jià)值，在全球能源消費(fèi)中所占比重有望達(dá)到 18％。
三、清潔能源氫氣的來源及分類
3.1、制氫技術(shù)路線選擇
工業(yè)上生產(chǎn)氫氣的方法很多，主要可以分為三類：**類是水電解制氫；第二類是化石燃料轉(zhuǎn)化制氫，主要有天然氣水蒸氣重整制氫、煤氣化制氫；第三類是其他含氫尾氣變壓吸附（PSA）或膜分離制氫。
煤氣化制氫是以煤為原料在氣化爐中與氧反應(yīng)生成氫氣、一氧化碳和二氧化碳等的合成氣，合成氣經(jīng)過變換反應(yīng)后，氫氣成分進(jìn)一步增加用作下游原料氣；合成氣通過膜分離或者 PSA 分離，也可以進(jìn)一步得到純度較高的氫氣。一般這種制氫路線都是用作煤化工或合成氨行業(yè)，近年來也用作煉化行業(yè)的原料氣，規(guī)模遠(yuǎn)大于水電解制氫。煤氣化制氫規(guī)模大、成本較低，但制取的氫氣純度較低，煤氣化及凈化裝置初期投資也非常大，碳排放指標(biāo)較高。
天然氣制氫是將天然氣和水蒸氣在鎳催化劑的作用下， 在820～950℃下反應(yīng)生成轉(zhuǎn)化氣后，進(jìn)一步 PSA 分離得到高純度氫氣。
該路線生產(chǎn)成本較低，適用于中小規(guī)模的氫氣生產(chǎn)。不過，隨著近年來的“氣荒”現(xiàn)象，也使得天然氣制氫的成本呈逐漸升高態(tài)勢。含氫尾氣分離制氫是將合成氨尾氣、焦?fàn)t氣等含氫尾氣用變壓吸附裝置提純制氫的方法。該路線生產(chǎn)成本較低，但必須具備含氫這一生產(chǎn)條件。從本質(zhì)上來說，也是屬于化石燃料轉(zhuǎn)化制氫。
從上可以看出，除水電解法外，其余方法生產(chǎn)流程復(fù)雜、制氫過程中會(huì)對環(huán)境造成污染，制出的氫純度低，還需要有比較有效的分離技術(shù)提純氫氣。水作為制氫的原料取之不盡，制氫過程中不會(huì)造成環(huán)境污染，具有持續(xù)發(fā)展性。目前，水電解制氫應(yīng)用較廣，技術(shù)比較成熟，水電解制氫的效率一般在 65～85％，獲得的氫氣純度高，生產(chǎn)流程短，所需的能耗及生產(chǎn)成本低，電解水制氫技術(shù)將慢慢成為今后制氫技術(shù)的主流。從實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、成熟、安全等多方面的比較，擬采用水電解制氫尤其是風(fēng)能、光伏為電力的綠氫是未來發(fā)展的主流。
氫能具有零碳、高效、可儲存、安全可控等顯著優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、家庭用能等領(lǐng)域，已逐步成為全球能源技術(shù)革命的重要方向。
3.2、氫氣的分類：綠氫、灰氫、藍(lán)氫各自特點(diǎn)
在目前制氫領(lǐng)域中，將氫的制取可以分為：綠氫、灰氫、藍(lán)氫之分。其定義分別如下：
綠氫：由可再生能源（如風(fēng)電、水電、太陽能等）制氫，在制氫過程中完全沒有碳排放；這也是人類發(fā)展可再生能源的**目標(biāo)。
灰氫：石化燃料制氫，如石油、天然氣、煤炭制氫。C-H鍵脫開，那么就有碳排放。
目前全球每年需氫7000萬噸，其中98%是化石燃料制備的灰氫。由此可見我們所使用的氫氣絕大多數(shù)是來源于灰氫。
藍(lán)氫：指使用石化燃料制氫，同時(shí)使用碳捕捉和碳封存技術(shù)對后續(xù)碳進(jìn)行處理。
3.3、綠氫目前的現(xiàn)狀
從目前看，主流還是煤制氫，以灰氫為主要?dú)鋪碓?。綠氫和藍(lán)氫將會(huì)是未來的發(fā)展方向，綠氫是清潔能源且用途廣泛，有潛力滿足全球15%的能源需求。但制取綠氫及使用瓶頸是其成本因素。
3.4、綠氫成本分析及制約
成本居高不下是其最大的瓶頸：據(jù)綠氫模型預(yù)測，2020年綠氫成本 4.2美元/公斤，預(yù)測到2030年1.9美元/公斤，2050年1.0美元/公斤。如果綠氫價(jià)格在0.8-1.9美元/公斤，則綠氫會(huì)有很強(qiáng)的市場前景。以上只是綠氫模型的預(yù)測，而實(shí)際綠氫的成本還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模型的預(yù)測。目前可再生能源制氫的成本仍然較高。全球范圍內(nèi)，化石能源制氫的成本基本低于2美元/kg，而電解水制氫的成本則通常高達(dá)4-5美元/kg。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的條件尚不具備。
電費(fèi)與設(shè)備投資是可再生能源電解水制氫主要的成本構(gòu)成。理論上，電解水產(chǎn)生1kg氫氣所需的耗電量約為30kWh，當(dāng)前電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率一般為60%上下，因此實(shí)際的耗電量大致為50kWh/kg左右。
現(xiàn)目前制約綠氫的市場，主要困局在于電力成本。
在碳中和背景下，氫氣能源屬性有望逐漸顯現(xiàn)出其無與倫比的優(yōu)勢。尤其是近幾年光伏產(chǎn)業(yè)成本的大幅降低，以及風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，雖然光伏以及風(fēng)能有著很多弊端，但綠氫的大規(guī)模產(chǎn)出及應(yīng)用已經(jīng)成為可能。
目前我國雖說風(fēng)力資源集中，規(guī)模大，一般在蒙西、蒙東、甘肅、冀北四個(gè)地區(qū)，基本上占風(fēng)電裝機(jī)總規(guī)模的50%以上。但用電量僅占全國的10%。所以風(fēng)電消納問題是目前風(fēng)力發(fā)電最為突出的問題之一；另外現(xiàn)有風(fēng)場遠(yuǎn)離用氫負(fù)荷，從而增加氫氣的儲存運(yùn)輸過程，故而也增大了用氫成本。另外也可將氫通過油氣公司現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送至全國各地，這為氫的長距離輸送、氫能可持續(xù)發(fā)展提供了新的可行技術(shù)方案。適時(shí)在管理層面建立電解水制氫、輸氫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障氫能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。
對綠氫的制取，在選擇太陽能和風(fēng)能時(shí)，可以遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來判定：
根據(jù)《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019）太陽總輻射年輻照量等級區(qū)劃表得知，判定該區(qū)域太陽能資源狀況，是否適宜建設(shè)太陽能電站；根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量和評估技術(shù)規(guī)定》（NB/T 31147-2018）風(fēng)功率密度等級評判標(biāo)準(zhǔn)，判定風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級，風(fēng)能資源是否豐富，是否具備開發(fā)潛力。有了以上標(biāo)準(zhǔn)的判定，從而大大降低風(fēng)場、光伏的選場的盲目性。
對風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)速3m/s可以發(fā)電，如果到10m/s風(fēng)機(jī)可以達(dá)到額定電容量，因?yàn)榘l(fā)電與風(fēng)速呈平方關(guān)系；另外風(fēng)場的選擇：年平均利用小時(shí)數(shù)不能低于2000小時(shí)，通常較好的風(fēng)場一般2200-2500小時(shí)，只有如此，風(fēng)場才有一定的經(jīng)濟(jì)效益，在今后的運(yùn)行過程中不賠損。
我國西北地區(qū)的風(fēng)能、太陽能資源豐富，西南地區(qū)的水電資源豐富，需要將相應(yīng)電能輸送至作為能源消耗中心的東部地區(qū)。我國海上風(fēng)電資源也比較豐富，是繼英國、德國之后的世界第三大海上風(fēng)電**，快速發(fā)展的海上風(fēng)電需要接入東部沿海地區(qū)電網(wǎng)。這也為降低火力發(fā)電我國這一比例過大（火力發(fā)電占76%）的格局，提供了新的減排點(diǎn)。
如果保證棄風(fēng)限電的利用率：將水電解制氫設(shè)備做的比較大，可以充分消納風(fēng)場各個(gè)功率段的棄風(fēng)電量，但這樣會(huì)使水電解制氫設(shè)備（用傳統(tǒng)堿性電解槽或者PEM 水電解槽）獲得綠氫，利用率很低；如要保證水電解制氫設(shè)備利用率，只要把設(shè)備做的相對較小，可是又會(huì)使得棄網(wǎng)限電這部分電量利用率低，如何解決該矛盾也是風(fēng)力發(fā)電制氫的一個(gè)瓶頸所在。從這兩年發(fā)展趨勢看：堿性電解槽1000Nm3/h以上已經(jīng)是未來的主流，從而解決可再生能源發(fā)電制氫的瓶頸。相應(yīng)的示范項(xiàng)目已經(jīng)在全國普遍展開，為今后的市場運(yùn)行積累了前期寶貴經(jīng)驗(yàn)。
目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。在“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)下，目前國內(nèi)煤制氫的占比超過60%，電解水制氫的比例則不到2%。因此，可再生能源制氫仍然任重道遠(yuǎn)，未來的發(fā)展空間巨大。
3.5、國內(nèi)外綠氫情況發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)
隨著近年來全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出長期碳中和目標(biāo)，預(yù)計(jì)氫氣的能源屬性將逐漸顯現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵卣怪岭娏?、交通、建筑等場景?/p>
近年來，全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出氫能發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)，將氫能的發(fā)展上升至戰(zhàn)略高度。
美國能源部2020年底發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展計(jì)劃，從技術(shù)、開發(fā)、應(yīng)用等多個(gè)角度對氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2050年氫能在美國能源消費(fèi)總量中的占比可達(dá)到14%。
歐盟則于2020年8月提出氫能發(fā)展戰(zhàn)略，重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，計(jì)劃在2024/2030年前部署6/40GW以上的可再生能源電解水制氫設(shè)備，分別實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫量100/1000萬噸。
我國的《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也將氫能和儲能列入前瞻謀劃的未來產(chǎn)業(yè)，未來將重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)展布局。
總體而言，可再生能源制氫是長期可行的方向。而氫能源的不斷加速發(fā)展，將最終實(shí)現(xiàn)碳中和承擔(dān)起重要使命。
近20年來，由于工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對氫氣的需求量也在逐年的增加。尤其在鋼鐵領(lǐng)域氫氣替代傳統(tǒng)一氧化碳還原，這為減少碳排放又開拓了新的領(lǐng)域。
據(jù)美國氫氣協(xié)會(huì)分析，2007年全球年生產(chǎn)氫氣超過5000萬噸，氫能作為低碳和零碳能源正在脫穎而出。現(xiàn)在，中國每年用氫量為5500億立方米，氫氣與其他物質(zhì)一起用來制造氨水和化肥，同時(shí)也應(yīng)用到無人機(jī)及汽車加氫站、金屬冶金、汽油精煉工藝、多晶硅、黃金焊接、氣象氣球探測及農(nóng)業(yè)富氫水灌溉等等行業(yè)中。近年來，由于可再生能源成本的降低，為制取可再生能源氫原料，通過用風(fēng)能、光伏產(chǎn)生的電能來電解大規(guī)模生產(chǎn)氫氣提供了可能。一些部門，包括煉油廠、化學(xué)工業(yè)、運(yùn)輸和天然氣部門，正在探索將大量可再生氫納入其工藝，以減少CO2排放量。此外，水電解制氫技術(shù)還可以為不斷發(fā)展的電網(wǎng)提供負(fù)載調(diào)控、管理等服務(wù)以增強(qiáng)電網(wǎng)可靠性。水電解制氫因碳足跡非常低，生產(chǎn)氫氣的潛力巨大。間歇性可再生電力的增加賦予了電力市場**的靈活性，并需要**的能量存儲。
作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產(chǎn)出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風(fēng)能、水力、潮汐能、地?zé)崮?/a>、核燃料等均可直接生產(chǎn)電能。由于目前“過程性能源”尚不能大量地直接貯存，因此汽車、輪船、飛機(jī)等機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通運(yùn)輸工具就無法直接使用從發(fā)電廠輸出來的電能，只能采用像柴油、汽油這一類“含能體能源”。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有**這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規(guī)能源危機(jī)的出現(xiàn)、在開發(fā)新的二次能源的同時(shí)人們期待的新的二次能源。
“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代即將到來。世界各國都在加快涉足氫能開發(fā)和利用。按照美國氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國將走進(jìn)“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。在這一階段氫能將最終取代石化能源成為市場上最廣泛使用的終端能源。我國有豐富的太陽能、風(fēng)能資源，通過電解水轉(zhuǎn)換成氫氣進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化和儲存、運(yùn)輸，有效的解決峰谷、傳輸和電網(wǎng)波動(dòng)問題，可能是**途徑之一。我國南部和西南地區(qū)勢能差大，水資源豐富，水電發(fā)達(dá)，在豐水期可用大量剩余電力通過電解水制取氫。
從排放來看，能源消費(fèi)中存在一部分能源利用形式難以被電力替代，而因此最終需要另外的能源形式實(shí)現(xiàn)碳中和。預(yù)計(jì)到2060年如果不考慮非電領(lǐng)域的能源突破，中國電氣化率在70%水平，則仍然有20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源需要完成脫碳。
目前化石能源仍是氫氣的主要來源，天然氣替代實(shí)現(xiàn)高碳到低碳。
在提供相同能量的情況下，天然氣相比石油和煤炭將減少33%和53%的碳排放；
天然氣可以帶來多少替代：預(yù)計(jì)到2030年，天然氣占比增長6.9個(gè)百分點(diǎn)，天然氣消費(fèi)量約增加4000億立方米，可減少碳排放約3.7-8.4億噸；
2019年氫能源**寫入我國《政府工作報(bào)告》，氫能**納入中國能源體系之中。按照白皮書路線規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2050年氫能在中國能源體系中的占比約為10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過10萬億元，全國加氫站達(dá)到10000座以上，燃料電池汽車年產(chǎn)量達(dá)到520萬輛。
中國承諾到2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，減排任務(wù)艱巨。為此，未來我國將構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，顯著特征之一是大幅提高可再生能源在一次能源消耗中的占比。氫與電耦合是構(gòu)建我國現(xiàn)代能源體系的重要途徑。中國是全球**大可再生能源發(fā)電國，每年僅風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源棄電約 1000 億千瓦時(shí)，可用于電解水制氫約200萬噸，未來隨著可再生能源規(guī)模的不斷壯大，可再生能源制氫有望成為中國氫源供給的主要來源。
實(shí)現(xiàn)碳中和必須在非電領(lǐng)域推動(dòng)新的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，目前來看主要有三個(gè)解決方案，分別是氫能源、碳捕捉和生物質(zhì)。但是考慮到生物質(zhì)資源上的限制，以及碳捕捉對于政策要求，氫能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展，技術(shù)迭代上優(yōu)勢更強(qiáng)，因此更有可能是最終解決方案。
目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。雖然通過碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放，但長期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫”才能實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。
天然氣的過渡能力：中國天然氣供應(yīng)保障能力增強(qiáng)，未來要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)多元化、進(jìn)口多渠道的供應(yīng)格局。
四、綠氫的未來應(yīng)用領(lǐng)域的預(yù)測
4.1、綠氫在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用
氫氣煉鋼還原氫氣回收再利用，氫能是解決煉鋼碳排放**方案。
鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要領(lǐng)域，特別是對于中國這個(gè)鋼鐵大國而言。目前鋼鐵工業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15%左右，是全國碳排放量**的制造行業(yè)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一噸鋼，如采用高爐工藝將排放出2.5噸的CO?；轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)噸鋼CO? 排放2.2噸；電爐工藝也要排放0.5噸的CO? 。
因此，面對當(dāng)今的碳排放，碳中和要求，對于正處于轉(zhuǎn)型升級關(guān)鍵階段的鋼鐵工業(yè)來說，提高能源利用效率，采用低碳生產(chǎn)流程，****地實(shí)現(xiàn)能源回收利用，要2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，則鋼鐵行業(yè)是關(guān)鍵一環(huán)，更是節(jié)能減排的重中之重。
眾所周知，傳統(tǒng)的高爐煉鐵選用焦炭作為原料之一，通過焦炭燃燒提供還原反應(yīng)所需的熱量，并產(chǎn)生還原劑一氧化碳（CO）。在高溫下利用CO將鐵礦石中的氧制取出來，將鐵礦石還原得到生鐵，并產(chǎn)生大量的二氧化碳（CO?）氣體。之后再將生鐵進(jìn)一步冶煉成鋼。
在于鋼鐵領(lǐng)域，用氫氣替代傳統(tǒng)的CO還原劑。無CO? 氣體的產(chǎn)出，因此煉鐵過程綠色無污染。
在煉鐵的工藝路線中，將氫氣（H?）加入替代傳統(tǒng)CO。而氫氣的產(chǎn)出由水電解制氫提供（制氫的能源來源于可再生能源：太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電），再加上對進(jìn)入爐中多余的還原氫氣回收再利用，以達(dá)到減少CO?排放之目的。
傳統(tǒng)的CO還原：
Fe?O? + 3CO = 2Fe + 3CO?；
2CO + O?= 2CO?
有大量的CO?產(chǎn)生。
加H?還原：
Fe2O? + 3H? = 2Fe + 3H?O；
2H? + O? = 2H2O
無CO? 產(chǎn)生，只有水產(chǎn)出。
從中可以看出：
1、用氫氣替代一氧化碳，無二氧化碳排出；
2、氫源：參與的氫氣由可再生能源（如風(fēng)能或太陽能）產(chǎn)出的綠氫；或者水煤氣制氫、天然氣制氫均可；
3、將爐中參與還原多余的氫氣，進(jìn)行回收再利用；
4、用氫氣領(lǐng)域成熟的氫氣回收技術(shù)，將未有參與還原的多余氫氣，先進(jìn)行淋洗處理，然后再加壓，進(jìn)行干燥（兩塔或者三塔）處理，與氫源的氫氣一并加入煉鐵工藝路線中。
4.2 綠氫與電耦合
氫與電耦合是構(gòu)建我國現(xiàn)代能源體系的重要途徑。中國是全球**大可再生能源發(fā)電國，每年僅風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源棄電約 1000 億千瓦時(shí)，可用于電解水制氫約200萬噸，未來隨著可再生能源規(guī)模的不斷壯大，可再生能源制氫有望成為中國氫源供給的主要來源。
4.3、預(yù)測綠氫未來的發(fā)展
4.3.1、應(yīng)用初期，平價(jià)起點(diǎn)
在這一階段，燃料電池技術(shù)應(yīng)用得到提速，從終端應(yīng)用層面帶來規(guī)?；c成本下降，同時(shí)推動(dòng)能源供給端的運(yùn)輸與加注成本受益規(guī)模化與環(huán)節(jié)效率提升得到快速下降，帶來供給與應(yīng)用環(huán)節(jié)并行的降本。
從氫能源角度，目前天然氣/煤氣重整+碳捕捉制氫短期內(nèi)成本優(yōu)于可再生能源電解水制氫，成本的制約主要來源于運(yùn)輸與加注環(huán)節(jié)，其中運(yùn)輸受限于高壓IV型瓶應(yīng)用、液氫運(yùn)輸、管路運(yùn)輸?shù)牟煌晟贫斐伞Ｈ绻陲L(fēng)能、光伏之地的綠氫有管路的輸送，則低價(jià)綠氫就有望大規(guī)模得以應(yīng)用。從而也促進(jìn)燃料電池終端應(yīng)用。
4.3.2、步入平價(jià)
預(yù)測到2031-2050年隨著應(yīng)用領(lǐng)域拓寬，供給與應(yīng)用規(guī)模大幅提升。
在這一階段，氫能源的成本受益于富電區(qū)域新能源發(fā)電的低電價(jià)，與逐步完備的中長距離運(yùn)輸/管路，使得加氫成本逐步下降至近20元/kg。同時(shí)新能源電解水制氫也將逐步成為氫能供給的主流模式。對于燃料電池車輛，當(dāng)不考慮柴油針對碳排成本上升時(shí)，氫成本下降至20元/kg可直接與柴油平價(jià)。此外，此階段的非交通領(lǐng)域用氫的價(jià)格已逐步下降至18-20元/kg（即不考慮加氫站的加注成本），在工業(yè)與家庭供暖領(lǐng)域已逐步具備一定經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)，通過初期與天然氣的混合使用，以及伴隨氫價(jià)格的進(jìn)一步下降，在供暖領(lǐng)域（在我國北方，天然氣供暖已替代傳統(tǒng)燃煤取暖），氫能也將逐步提升應(yīng)用滲透率。
4.3.3、步入平價(jià)
到2051-2060年綠氫的全面平價(jià)，碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)其余非電領(lǐng)域滲透率全面提升。
此階段受益于新能源發(fā)電成本進(jìn)一步下降，在儲運(yùn)規(guī)模的大幅提升下應(yīng)用環(huán)節(jié)成本的進(jìn)一步下降，氫加注成本將下降至20元/kg以下，非交通領(lǐng)域氫應(yīng)用成本將下降至15元/kg以下。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷嫱卣怪凉峁┡⒋暗确请婎I(lǐng)域，補(bǔ)足非電領(lǐng)域碳中和的拼圖。
4.3.4、綠氫的使用促進(jìn)了電力市場的總體成本降低，也大大降低了碳排放
除了新能源整體發(fā)電成本的降低，未來電力市場中的峰谷價(jià)差也將持續(xù)拉大，電解水制氫將有更多可利用的低電價(jià)時(shí)段。隨著新能源發(fā)電占比的上升，未來電力供給的不穩(wěn)定性將持續(xù)上升，電力市場中價(jià)格的波動(dòng)范圍也將擴(kuò)大。
對于氫儲能而言，季節(jié)性的電價(jià)波動(dòng)將帶來潛在的跨期套利空間，長期來看可再生能源制氫的經(jīng)濟(jì)性存在較大的提升空間。
未來風(fēng)電與光伏的棄電將成為電解水制氫重要的電力來源。在以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)中，為了保證穩(wěn)定的電力供應(yīng)，裝機(jī)的冗余程度將明顯加大，因此長期來看棄風(fēng)、棄光電量將不可避免地上升。
今后棄風(fēng)棄光電量的消納將成為氫儲能的重要應(yīng)用場景，這部分零成本甚至負(fù)成本的電量可作為電解水制氫的重要電力來源。
在電力行業(yè)領(lǐng)域，目前我國每發(fā)一度電要排放二氧化碳0.8—0.9公斤，如果每度電的耗煤量降低1克，全國每年就可減排二氧化碳750萬噸。因此，應(yīng)集中精力加快技術(shù)改造，推進(jìn)火電減排，實(shí)施“綠色煤電”計(jì)劃。這將主要依靠開發(fā)煤清潔轉(zhuǎn)化高效利用技術(shù)和提高燃煤發(fā)電效率實(shí)現(xiàn)，其中提高燃煤發(fā)電效率能實(shí)現(xiàn)15%的減排。目前具有發(fā)展前途的高效、潔凈的煤發(fā)電技術(shù)，主要涉及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGC C )、循環(huán)流化床燃燒(CFBC)等技術(shù)。
4.3.5、電解水制氫設(shè)備存在較大降本空間
堿性水電解與質(zhì)子交換膜水電解是當(dāng)前主流的電解水制氫方式。目前堿性水電解與PEM的產(chǎn)業(yè)化程度相對較高，前者的優(yōu)勢在于技術(shù)成熟、成本低，但快速啟動(dòng)與變載能力相對較差；后者的優(yōu)勢在于效率高，運(yùn)行靈活，與風(fēng)電、光伏的適配性**，但當(dāng)前的成本仍然較高。
電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心部分。電解水制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應(yīng)發(fā)生的主要場所。
從成本構(gòu)成來看，電解槽在制氫系統(tǒng)總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及氫氣收集系統(tǒng)也在總成本中占據(jù)較高的比例。
通過材料與設(shè)計(jì)的優(yōu)化，未來電解槽的成本與性能有較大提升空間。目前堿性水電解槽的技術(shù)已較為成熟，主要成本為隔膜與電極（鍍鎳不銹鋼），后續(xù)主要的降本路徑為開發(fā)厚度更薄、電導(dǎo)率**的新型隔膜（譬如現(xiàn)在已經(jīng)普遍使用替代傳統(tǒng)石棉的隔膜聚苯硫醚PPS），與此同時(shí)提升電極與催化劑在堿性環(huán)境中的壽命及成本。
2050年堿性水電解槽與PEM電解槽的成本有望達(dá)到100美元/kW以下，較當(dāng)前水平下降60%以上。
電解槽總體成本的降低，又大大促進(jìn)了綠氫的產(chǎn)出。
除了技術(shù)層面的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)化程度的提升也將對電解水制氫系統(tǒng)成本的降低產(chǎn)生積極貢獻(xiàn)。一方面，隨著設(shè)備單體規(guī)模的擴(kuò)大，電力轉(zhuǎn)換、氣體處理等模塊的單位成本將被攤薄；另一方面，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大也將降低單臺設(shè)備分?jǐn)偟闹圃熨M(fèi)用，兩者相輔相成。
4.3.6、建筑領(lǐng)域的減排
在建筑領(lǐng)域，目前城市碳排放的60%來源于建筑維持功能本身，構(gòu)建綠色建筑技術(shù)體系、發(fā)展低碳建筑極其重要，其關(guān)鍵是建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造、使用、運(yùn)行、維護(hù)、拆除和重新利用全過程的低碳控制優(yōu)化。如在建造環(huán)節(jié)，可利用屋頂光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自然光和燈光照明有效整合，可通過建造無動(dòng)力屋頂通風(fēng)設(shè)備，調(diào)節(jié)風(fēng)流風(fēng)速并帶動(dòng)風(fēng)機(jī)發(fā)電；在使用環(huán)節(jié)，可通過種植屋頂花草建造“綠色屋頂”，不僅可達(dá)到降溫效果節(jié)省空調(diào)電力，還能吸收大氣污染物；在拆除環(huán)節(jié)，可通過有效回收利用建筑廢棄物，防止發(fā)生二次污染。
參照光伏、鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷程，隨著規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化程度的提升，電解水制氫設(shè)備的平均成本有望進(jìn)入快速下降通道。
五、結(jié)語
回顧人類發(fā)展歷史，人們可以發(fā)現(xiàn)每一次能源技術(shù)創(chuàng)新和突破都給生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)帶來重大而深遠(yuǎn)的變革。就現(xiàn)在我們賴以生存的能源體系中，80%都依靠石燃料煤和石油及天然氣均屬于不可再生資源，地球上存量有限。而綠氫的制取，從最早的示范工程，通常所配的水電解制氫設(shè)備也只有60Nm3/h以下。到現(xiàn)今1000Nm3/h以上的量級的具體應(yīng)用，與之配套的風(fēng)能、光伏發(fā)電的日趨成熟和成本的不斷下降，再加之今后將再生能源生產(chǎn)的，體量又極為豐富的新含能體能源——綠氫。通過輸送管道替代傳統(tǒng)的儲運(yùn)。不僅符合目前人類所倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟(jì)，而且更滿足“碳達(dá)峰”、“碳中和”的促進(jìn)要求，新能源的廣泛利用和實(shí)施,是人類夢寐以求的。低碳經(jīng)濟(jì)模式被人類所接受,它們決定著人類的未來。也可減緩日益加速變暖的全球氣候。以上這些為綠氫的應(yīng)用提供了廣泛可行的前景，在人類不斷開拓和認(rèn)知新能源的同時(shí),我們相信氫能，尤其是綠氫這個(gè)備受關(guān)注發(fā)展迅猛日新月異的領(lǐng)域,定會(huì)造福與我們?nèi)祟?。我們相信?1世紀(jì)綠氫時(shí)代與我們漸行漸近！
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