绿氢的本质和意义

田倩、王卓然、刘涛、王彦科 

中国船舶集团有限公司第七一八研究所

摘要 ：随着整个氢能产业链的逐步完善和整个路线的渐渐明朗清晰，越来越多的企业、从业者，甚至普通大众都在关注氢气的发展和未来。氢气直接燃烧或通过燃料电池发电的产物为水，能够实现真正的零碳排放，对环境不造成任何污染，故而也被誉为终极能源，而从全球的视角来看，氢能作为终极清洁能源的属性，导致各国均对此技术路径十分重视，积极布局氢能产业发展。主要对氢气的来源和绿氢的本质进行了宏观梳理，并对氢能的未来做出了展望。

近两年，美国、日本、韩国、欧盟均采取了较大的政策力度加码氢能源产业，并出台了相关经济路径规划，力争领跑该赛道。截止到2021年初，全球共有约20个国家和地区发布了氢能发展规划或路线图。

中国对光伏、风电、新能源车的产业政策大获成功，度电成本平价、汽车制造弯道超车，成为全球最具备竞争力的产业，成了中国制造的名片，给中国进一步推动氢能赋予了信心。占据氢能成本最大的电力会随着光伏、风能度电成本而下降，同时技术进步及大规模生产带来的制造和人力成本的下降。

因此，在全球氢能源产业资金跑步进场，国内新能源产业政策的逐步推进，成本不断下降的三重趋势下，政府开始密集出台促进氢能源产业发展的政策，并提出相应规划。绿氢中的水电解制氢很适合与可再生能源构建自体的能源储备系统，优点包括存储范围大、应用范围广等。

1 氢气的来源

在氢气制取上，目前成熟的制氢手段主要包括化石能源重整制氢、工业副产制氢以及电解水制氢三种。其中，化石能源制氢通过裂解煤炭或者天然气获得氢气，俗称“蓝氢”。工业副产制氢则是对焦炭、纯碱等行业的副产物进行提纯获取氢气，俗称“灰氢”。

本质上两者的氢气来源仍为传统的化石燃料。虽然通过碳捕捉与封存技术（CCS）可有效降低化石能源制氢过程中产生的碳排放，但长期来看只有可再生能源电解水制备的“绿氢”才能实现真正的零碳排放。

目前可再生能源制氢占比较小，化石能源制氢仍是主要的氢气来源。根据 IRENA 的测算，全球仅有 4%的氢气来自电解水制氢，其余均来自煤炭、天然气以及石油炼化领域。氢能源产业链可以分为上游 ：氢生产与供应 ；中游 ：燃料电池及核心零部件 ；下游 ：燃料电池应用。而在“富煤、贫油、少气”的能源结构下，目前国内煤制氢的占比超过 60%，电解水制氢的比例则不到 2%。可再生能源制氢仍然任重道远，未来的发展空间巨大。

氢气来源主要包括以下几种途径 ：

1）化石能源制氢或者是化工副产，这个大概念下涵盖了几乎所有的通过以碳基能源为原料进行各种裂解来获得氢气，无论“灰蓝”，本质差异就是是否对碳基能源中的碳进行捕捉和收集，最终转变成工业气体进行利用或者封存。

这个路径的氢气来源比重会逐步调整但大概率永远不会消失。一是富煤、缺油、少气的能源基本面决定的，再生能源可以逐步提高比重，但不可能完整替代 ；二是整个化工产业也是会永远存在，尽管未来可能有不同的形态出现。在这个过程中如果“氢气”能产生它的附加价值，那就没有不存在的道理。对于二氧化碳捕捉的问题，目前 CO2捕捉和利用的方式有很多，但有一个路径需要特别关注。将 CO2模拟在大气中的混合成分状态下和水发生催化电解，获得氢气、氧气、一氧化碳。同时产生三种工业气体，方程式如下 ：CO2+H2O=H2+O2+CO，这种方式不需要高纯度的CO2，可以模拟在各种化工或者电力场景下的 CO2收集直接加工成可再利用的工业气体。

2）以水为原材料、采用电解或者光解或者热解等方式，脱离碳基能源为原料的方式。这个路径上产生的氢气一般统称为“绿氢”。

3）其他方式 ：如生物质、废弃物制氢等方式，暂且忽略催化手段，本质上要根据产生氢气的直接物质是碳基还是水基以及用来水解的能量来源是否清洁来区分定义为最佳方式。

2 绿氢的本质和意义

从全球范围的政策以及各种研报以及前沿研究等来看，绿氢逃离不开是以再生能源或清洁能源为能量来源进行水电解获得氢气以及副产氧气，至于水电解的能量和催化方式可以是多元化的组合。

绿氢的基本面是基于再生能源的利用，忽略再生能源装备制造以及水电解制氢设备生产的碳足迹，基于取之不尽用之不竭的再生能源转化成氢气这个过程是脱碳的，所以称之为绿氢。当然核能作为一种特殊的能源，用其来水电解制氢，这种途径的来源定义成绿氢也可勉强说得过去 。

随着人类社会能源形式从柴薪到煤炭到油气，再到低碳可再生能源的演变，能源作为人类生存和发展的基石，向来都是全球各个区域体关注和争夺的主要物质，未来对相对无形的再生能源转化成的相对有形的能源体掌控也不会例外 。再生能源和其他能源一样也存在地域分配不均的问题，所以针对如何转变再生能源成有形的物质，如何解决大距离、跨地域的转移运输也成了关注的重点。

制约绿氢发展的因素是成本，绿氢生产成本中占比最高的为电力和电解槽，占比分别为50% 和40%，所以降低电价和电解槽成本是中国实现绿氢工业化、规模化的两大核心环节。随着光伏、风电的进一步降本，到 2030 年国内部分可再生资源优势区域，其度电成本到达到 0.1~0.15 元 /kW·h，电解槽目前单位造价2500元 /W；随着更大的槽体、更优质的制造工艺，以及技术环节的精进和材料的优化，有望降至1300元 /W。届时，绿氢成本将从 2020 年的 30.8 元 /kg 快速降至 16.9 元 /kg，实现与灰氢平价。这种上游原材料的平价前景一旦达成，意味着氢能源的大规模产业化铺平了道路。

3 绿氢的价值

1）以当下来看，基于电价或者接近于零成本的电价（0.2元 /kW·h 以内）才可能和现有的灰蓝氢一较高下。如果仅以浅显和粗暴的对比绿氢似乎没有未来，但是赋予其另外一种意义，即不需要额外的碳排，也意味着当真正全球交易市场追踪所有交易物品的碳足迹时，再额外地征收高额碳税，这个时候绿氢的价值就不是其他所能比拟的。

2）尽管当下碳排的追溯和结算体制还在摸索和建立的过程中 ；也尽管这件事在全球范围内会不会有很多的约束力也是未知数，但低碳或者脱碳已经是全球主要国家体的基本共识。

3）在通过累积大容量装机堆出来的再生能源无法在高峰出力阶段完整消纳的问题也需要一个出口，要想再生能源装机量能被最大可能的利用背景下，跨季的储能尤为重要，至少当下除了“绿氢”还没看到更好的载体，尽管再生能源 —— 氢气（或者氢的载体）—电这个环节还有很多问题没有克服，但大体上的方向和趋势是清晰的。氢气在跨季节储能的示范和应用在欧洲已经有部分家庭或者社区的应用案例，采用蓄电池进行短储，采用氢气进行跨季储被证明是有效可行的方式 。

4 绿氢的应用场景

绿氢的应用一是作为再生能源的载体 ；二是部分替代原有的灰蓝氢气作为一种珍贵工业原料，比如在化工加氢合成、半导体、特殊燃料、浮法玻璃、新材料、冶炼钢铁等行业 ；当然也包括“氢健康”产业。

总之，绿氢不仅可以部分替代原有的一些使用场景，更重要的是担当再生能源转换和存储的角色之大任。

5 如何实现再生能源资源的再分配问题

当下比较热的名词“液态阳光”和“氨能”也是这种原理，液态阳光的基本逻辑是采用再生能源绿氢和 CO2合成绿色甲醇，然后把甲醇作为燃料、工业原料或者重整成氢气实现氢气额远距离输送和便于存储之目的。“氨能”也称之为氢能2.0，也是基于绿氢的再加工，和“液态阳光”有异曲同工之妙。

以上两种方式表面上看起来是在解决氢气的储运问题。也看起来比现有的高压气态、超高压气态、液氢、固体储氢（含配位储氢）、有机物储氢等有更高的储氢密度，但当下的转换效率以及经济账仁者见仁智者见智，当然现状都是基于一个规模下的成本预测都会有些偏颇。

放在全球层面来看，实现绿氢跨区域的运输其更大意义在于实现了再生能源的再分配。这一点的属性对于能源的利用和开发具有极大的意义。如果再生能源是未来的能源主体之一，各区域体对其的控制和争夺激烈程度和任何一种形式的能源争夺方式并无二般。

6 储运关键指标：单位体积密度

气在元素周期表位于第一位，意味着其质量小，体积小，因此密度低。氢气的性质十分活跃，很容易泄漏和爆炸，储运过程消耗也大，所以在储氢罐投入的安全设计、存量设计成本很高。因此，相较于石油、天然气等传统化石燃料，氢气在储运环节具有天然的劣势，发展进度缓慢。如果按照方式划分，氢气储运可分为气态储运、液态储运以及固态储运三种。

气态储运的成本较低、充放氢速度较快，但储氢密度与运输半径较为有限，所以适用于短途运输。氢气气态经济运输半径局限在200km 以内，每公斤氢运输成本为2元，0~100km 运输成本是4元 /kg，运输压缩氢气的鱼雷车每车仅可运300kg。

中长距离大规模运输考虑管道和液氢运输，液态储运的储氢密度较大，但设备投资与能耗成本较高 ；固态储运则在潜艇等特殊领域有所应用，整体仍处于小规模试验阶段。因此，只要是运氢气，总会面临这个问题 ：怎样在储运瓶里装更多的氢气？这又延伸出一条技术路线 ：如何增加氢气单位体积密度。但这个问题，并不能只靠单一环节解决，它需要一整套体系的匹配。

与电解水制氢类似，产业化程度的提升将有效降低氢气储运的成本，储运基础设施的建设与完善是后续氢能规模化发展的前提。考虑到未来氢能的终端应用场景将更为丰富，氢气的储运环节也将朝多层次、体系化的方向演进。气态储运方面就是增压减重，从储氢密度、轻量化等角度出发，提升技术及相应材料。液态储运可以有效增加运输量，达到气态储运的10倍，也是一个很好的方向，目前国外技术相对成熟，国内主要应用在航空领域，未来随着规模化开展以及技术成熟，商用 / 民用有望得到进一步发展。另外就是建立输氢管道，加强基础建设。而终端用氢需求，加氢站是必不可少的中转环节。

新能源的商业化应用一定是基础建设先行，加氢基础建设是未来中国新基建的重点内容，随着氢燃料电池汽车应用规模的扩大，加氢站的市场需求也逐步提升。

目前加氢站建设成本仍然过高，随着国产设备突破和规模化生产，加氢成本会大幅下降，预计2050年成本为800万左右，将达到1.2万座，在2050年达到千亿元的市场规模。

新能源能否大力发展下去不只要看其物理、化学属性，也要看商用场景，氢能源车就是最有发展前景的应用，新能源车的动力是最核心的环节，同时适用于氢能能源。

7 结束语

当氢气不再是氢气，而是一种再生能源的载体，甚至是未来的主要能源形式之一，那其本身的属性也发生了质的变化，衡量其的价值或者是定价规则也不仅是当下的基础电价和电解槽设备的摊销，更多的可能是一种国际认可与能源消耗的关注与创新。