魏朝园
(中国电力工程顾问集团新能源有限公司 100120
1.摘要
全球温室气体排放大幅增长，气候变化正在引发全球性环境问题，各个国家都在大力投入氢能及燃料电池的产出及技术研发，进行能源转型，努力实现从低碳化到去碳化的跨越。本文总结了氢能源产业链中国际及国内的发展现状，并分析了我国发展绿氢的可能性和必要性，以及在新能源企业中的布局海上风电制氢及加氢站等的发展战略。
关键词：氢能及燃料电池，可再生能源，绿氢，能源转型，海上风电
2.前言
国际上为避免2050年相比工业革命前温度上升2℃，致力于2050年完全停止使用化石燃料，相继制定低碳减排政策，在2019年的《政府工作报告》中，首次提出加快充电、加氢站的建设，十四五规划中以中石化为代表的企业也在为氢能发声[1]。
氢能再次出现在是由于可再生能源产生电力废弃较为严重，2018年全国的弃风、光水产生的电量为910亿kwh，2019年可再生能源弃电量为515亿kwh，虽然比上年减少395亿kwh，但是弃电量仍然相当于半个三峡电站产生的电量（2019年三峡电站的产生的电量为968.9亿kwh），弃电量仍相当严重。
2019是中国海上风电新增装机量最大的一年，江苏、广东、福建位居海上风电装机容量，分别为1.6GW、0.35GW、0.2GW。即使面临新冠疫情的打击，中国海上风电抢装的势头仍在持续。至2020年6月底，中国在建海上风电项目约11GW。
国家发展改革委会同有关部门发布的《西部地区鼓励类产业目录（2020年本，征求意见稿）》新增鼓励类产业中，涉氢的有贵州、山西和内蒙古自治区，贵州省包含氢加工制造、氢能燃料电池制造、输氢管道、加氢站等涉氢产业；山西省包含风电、光伏、氢能等新能源及相关装置制造产业；地热、氢能等新能源产业运营服务；内蒙古自治区包含高性能稀土永磁、催化、抛光、合金、储氢、发光等稀土功能材料、器件开发及生产，稀土钢开发及应用，加快西部地区产业结构调整和特色优势产业发展。
3.氢能源的应用
氢能源作为能源载体[2]从不同领域的分类主要分为以下四种：
在交通运输方面，可作为氢燃料电池电动汽车及氢发动机汽车，并广泛应用于海、陆、空等各个领域，同时具有加注时间短、续航里程长、能量效率高的特点，目前氢燃料电池汽车水平可保证5kgH2运行650km，假若单价35元/kg，运行成本可为175元，针对相同里程的柴油车需350元。氢能源汽车的扩散系数为汽油的11倍，仅为空气密度的1/14，可保证在开敞空间范围内不造成爆炸、燃烧等灾害。
在工业用户方面，主要应用于炼油、化工等，分别起到加氢处理、加氢裂化去除杂质及合成氨、甲醇、甲烷等工业原料的作用，其余3%利用于钢铁行业。同时在2015年国家倡导循环经济产业链，氢气广泛应用于燃煤电厂煤焦油提质改造项目中。
在能源企业应用中，可作为备用电源及离网供电，为医院、通信基础等临时电源实现偏远地区供电，成为电力系统备用电源；在传统能源领域，氢可转化为氨与煤粉共燃，减少碳排放，达到低碳减排的目的。
在住宅领域，大规模储能技术是综合能源系统中实现“心脏”功能的直接工具，能够在综合能源系统中发挥缓冲器、聚合器和稳定器的作用[3]，作为小型发电机产生电力，同时利用天然气管道与一定比例的天然气混合逐渐替代天然气成为纯氢原料[4]。氢燃气轮机排汽作为热源提供热量，氢锅炉与天然气锅炉及电动热泵进行竞争。
氢能在能源系统中起着至关重要的作用，从制备到应用都与电力网络、燃气网络、热力网络密切相关，同时结合在四大领域的应用，其关系表示如下图所示：
4.氢能源在国内外应用现状
近年来，清洁能源技术加速发展，其中绿色低碳是最主要方向，各国争先抢占清洁能源技术高地。国际发展氢能代表地区主要有欧盟、日本、美国，每个地区的侧重又有所不同。
欧盟将氢能源视为能源安全及能源转型的重要方向，2030年目标建设3700座加氢站，氢燃料电池汽车达370万辆，同时取代约7%的天然气为250万户家庭供暖，由可再生能源产生的氢气发电厂将得到大规模的概念验证。
美国20世纪70年代开始对氢能研究进行资助，目前已建立以能源部国家实验室为主导，高校、研发机构、企业为补充的研发体系，已经形成了一套系统的促进氢能发展的法律、政策和科研方案，美国将在2030年建设1000座加氢站及100万辆燃料电池汽车。以美国加州为代表集中布局加氢站及氢能源汽车，投入大量资金在氢能源的制、储、运、用四个环节进行产业研发。
日本是最致力于研发、建设、应用氢能源，不仅将其提升为国家能源，同时努力形成“氢经济，构建氢能社会，不仅将氢能利用交通，同时应用于家庭的热电联产，在住宅附近建设氢能小型发电机，可满足每户家庭的电、气、热需求。日本在2009年民用固定热电联产式燃料电池系统首次实现商用化，使日本成为首个将燃料电池引入民用领域并为住宅提供电力及热水的国家，目前，日本燃料电池商业化应用处于世界前列，超过20000个固定热电联产式燃料电池发电系统。
而中国是全世界最大的氢气生产及消费市场，并拥有全世界最大的氢气生产能力，目前工业用氢气产能达到了2500万吨/年，其中97%均来自于化石能源、工业副产氢、甲醇等原材料裂解，其余只有3%的氢气由可再生能源制备。中国首先关注的是燃料电池车在商用领域的应用。2020年目标建设加氢站100座，2030年实现燃料电池车辆及发电应用，2050年加氢站达1000座，燃料电池发电推广应用。
国内外致力于通过氢能出口，创造新产业、新工作，为国家提供经济效益，在电力、加热、交通和产业上全面支持低碳排能源的转型，改善能源体系的弹力，增加消费者的选项。目前国内与国际有较大差距，国内能源状况与氢能源的发展前景也在被世界瞩目，国内的相关人员正努力为之建设。
5.结论
在氢能技术市场推广过程中，强大和可持续的国内氢能生产和氢能应用是不可或缺的，强大的“本土市场”对氢能技术在国内外的应用也具有重要的信号作用，随着氢能技术市场推广的激励，与能源转型一致，中国拥有足够多的高收益可再生能源发电生产基地，也具备巨大的“绿氢”生产潜力。为此可着手以下结果
1.新能源企业可利用现有在风电及光伏发电的技术优势，逐渐布局海上风电，抢占未来氢能航运市场，解决从制、用两个渠道解决产业链问题，可避免在中国目前的卡脖子环节。全面配合国家2020年解决可再生能源的弃电问题，成为除储能解决峰电和谷电的问题外的另一手段，同时随着弃电问题的逐渐解决，可充分发展海上风电。
2.从弃风、弃光的密集区着手布局可再生能源制氢项目，从新疆、甘肃等弃电量最高的省市；针对目前的环境需求，缓解目前的以柴油为原材料的重型卡车，将成为目前的突破点；同时综合能源站的建设可满足目前多元化用户需求及对周边环境资源的充分利用。
3.在应用环节建立氢能示范区，同时向沿海产业布局发展。根据目前加氢站的数量及地域分布，主要布局在东部沿海地区，形成此布局的原因是由于沿海独特海上风电产生的电力与经过淡化的海水资源，从而产生电解水资源，
4.在加氢站的建设中，利用已有的升压站的建设经验，率先了解各个设备的特性、占地、资金预算及与周边的环境匹配，在整个加氢站建设中，随着占比最大的压缩机设备成本的降低，目前的200万美元-250万美元的总成本也将逐渐降低。
随着各个利益攸关方的不断投入，氢能技术的不断进步，从生产到应用的产业链不断完善，氢能将推动能源行业去碳化，从而惠及更多的行业及领域。
参考文献：
[1]中国标准化研究院, 全国氢能标准化技术委员会.中国氢能及燃料电池产业白皮书[M].北京:中国质检出版社, 2019.
[2] International Renewable Energy Agency. Hydrogen from renewable power：technology outlook for the energy transition[EB/OL].（2018-09-20）[2020-02-20].
[3]陈彬彬，孙宏斌，陈瑜玮，等.综合能源系统分析的统一能路理论（一）：气路[J].中国电机工程学报，2020，40（2）：436-444.
[4]郭梦婕，严正，周云，等.含风电制氢装置的综合能源系统优化运行[J].中国电力，2020，53（1）：115-123，161.