國內氫能行業(yè)的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)
2024-03-17
能源作為光、電、熱的來源，是衡量現代社會發(fā)展質量的核心影響因素，是保證居民飲食、交通、取暖等的基礎，也是所有行業(yè)的各類設備正常運轉的前提。傳統化石能源因其以碳元素為主，在使用的同時伴隨不可避免的大量二氧化碳排放，會導致整個地球升溫，嚴重影響全人類生存條件，其使用成了利與弊同時存在的雙刃劍。
為此，人類積極尋求化石能源以外的其他能源形式，如水能、風能、光能、生物質能。但這些可再生能源缺點在于：受水、風、太陽光等自然條件的限制，能源的量和穩(wěn)定性相對比較差。
自16世紀氫元素被發(fā)現之后，氫能就不斷被探索，終于在21世紀實現爆發(fā)性發(fā)展。對于氫能，無論是通過燃料電池的化學反應轉化為電能，還是通過內燃機轉化為機械能動力，其排放物只有水，從而破解了傳統化石能源使用的矛盾性。
氫能除了完全綠色環(huán)保的最重要特點以外，還具有能量密度高、來源豐富、可與其他能源結合、應用場景多元等特點。
正因為氫能的以上優(yōu)點，全球各國愈發(fā)重視氫能，并將對氫能的應用和產業(yè)發(fā)展付諸行動，以求達到“碳中和”、“零排放”的綠色環(huán)保目的。
在推動全球氫能發(fā)展的進程中，除了國家、地區(qū)級氫能戰(zhàn)略、政策等的構建，如何穩(wěn)步、安全地落實氫能產業(yè)，需要從時間、技術、經濟性等各方面多維度綜合考量和驗證。
中國政府已經承諾2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和。在推進“雙碳”戰(zhàn)略的過程中，氫能將會扮演著重要的作用。本文將從政策、技術、標準、安全性等多個方面探討氫能行業(yè)的機遇和挑戰(zhàn)。
1 國內氫能行業(yè)發(fā)展的機遇
1.1 氫能政策的不斷完善與加強
雖然早在20世紀70年代，美國就成功將燃料電池應用于阿波羅號宇宙飛船，但考慮到成本高昂等，在20世紀末期至21世紀初，全球大部分國家的氫能發(fā)展處于緩慢停滯狀態(tài)。只有日本，因其本土資源稀缺，一直保持對氫能技術的重視和發(fā)展。
自2019年，出于對全球能源緊缺和地球環(huán)境惡化考慮，各國開始重視氫能，并真正付諸行動，以國家氫能戰(zhàn)略級別，出臺氫能政策，推動氫能發(fā)展，并在經歷數年的實踐和經驗積累之后，進一步在2023年左右，紛紛密集修訂和完善氫能戰(zhàn)略規(guī)劃，展示出強化發(fā)展氫能的決心和行動力。
近年國外氫能政策對目前及未來發(fā)展我國氫能極具價值，體現在：
（1）為我國提供各國氫能的發(fā)展趨勢、相關數據、重點技術方向等豐富信息和參考作用；
（2）為我國發(fā)展氫能提供更多國際合作交流機會，有利于提高國內氫能發(fā)展水平和發(fā)展速度。
而在國內，整個氫能發(fā)展的政策架構已形成，國家級氫能規(guī)劃和近40個省市級規(guī)劃都已出臺。國家級《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035 年）》開始于2021年，時間跨度為15年；各省級、市級氫能規(guī)劃大部分開始于2019—2021年，時間跨度為5年、10年、15年不等，使得國內氫能發(fā)展經歷了經驗寶貴的初步探路階段。
在這段時間，國內氫能發(fā)展以國家氫能政策中“創(chuàng)新、自立、安全、穩(wěn)慎”等的發(fā)展原則，以免出現冒進、失穩(wěn)等弊端，保證了前期發(fā)展的正確方向。
在隨之而來的2024年及后續(xù)發(fā)展中，國內氫能發(fā)展將繼續(xù)在戰(zhàn)略政策的引導下，加大深入發(fā)展力度。
1.2 國內氫能技術自主創(chuàng)新的更多機遇
從氫能文獻分析，在2020年，國內氫能發(fā)展初期，氫能技術以綜述性、整體分析性為主，專業(yè)性技術分析較少，集中在儲氫、燃電幾個方面；但國內氫能技術在2020—2023年，發(fā)展速度很快，呈逐年爆發(fā)性增長。政策的推動與鼓勵、研發(fā)課題的申報、投資的加大、國際合作的加強都對國內氫能技術自主研發(fā)提供了空間和機遇。
在制氫方面，國內制氫廠家具備單套1000Nm³/h堿水制氫裝備的研發(fā)生產能力；單臺PEM制氫規(guī)模通常不超過300Nm³/h，還有很大提升空間。風光制氫技術具有實現能源高效利用，強化儲能的作用，也是未來能源發(fā)展趨勢。
在儲氫方面，國內技術成熟的目前主要以車載III型瓶為主，固定式高壓氣態(tài)儲氫主要是大直徑儲氫長管和鋼帶錯繞式儲氫罐相關技術比較成熟，但車載IV型儲氫瓶技術還有待和國際接軌；國內液氫技術主要應用在航天領域，民用液氫制取和液氫儲氫技術仍處于發(fā)展初期，發(fā)展?jié)摿κ恪?/div>
在輸氫方面，氫用管束拖車的輸送壓力通常在20MPa，30MPa更高壓力在探索之中；民用液氫輸送裝備與技術已有初步成果，但因政策原因和上游制氫技術受限，發(fā)展處于慢速起步階段；管道輸氫已在國內幾處落成，其效果有待時間驗證；天然氣摻氫方式，在低的氫混合比例下還可行和兼容，但更高比例尚等待探索。
在加氫方面，國內具備整體加氫站技術及裝備供應的實力，將在此基礎上，加大和上游制氫環(huán)節(jié)，甚至綠電制氫環(huán)節(jié)等聯合工作，為風光電制氫加氫一體站運行，提供更豐富經驗。
在氫燃料電池技術方面，已取得較大進展，實現單堆300KW，目前正往更大功率、更長壽命、更長續(xù)航里程方向積極行動。
2.1 氫能安全性的謹慎考慮
氫能安全性是制約氫能發(fā)展的最重要因素，其安全性難度在于：
（1） 氫能安全不僅貫穿于其生產、制造的工業(yè)環(huán)節(jié)，還因存在于交通工具的儲存裝置中，甚至將來和天然氣一樣出現在居民用氣管道和使用終端，其使用場合的多樣性、復雜性，使得安全考量更加謹慎；
（2） 氫元素作為1號元素和最輕氣體，其易泄露性、易燃易爆體積范圍極廣、氫脆對涉氫使用零部件的強度影響，這些自身獨有的危險性，增加了對其安全把控的難度。
（3） 氫原子對金屬獨有的氫脆傷害，尤其是高壓高溫條件下，使得保證涉氫零部件的安全性更具難度。
氫能安全性的保證，囊括氫能所有產業(yè)鏈環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié)，包括了政策法規(guī)制度、標準體系、產品研發(fā)技術、裝備和零部件、管理和操作維護規(guī)范等，是一件每時每刻、隨時隨地都要把控的工作。
2.2 氫能標準體系有待完善
為了確保氫能安全性、發(fā)展氫能技術創(chuàng)新和社會經濟的穩(wěn)定性，氫能標準體系的搭建和完備，是氫能安全穩(wěn)定發(fā)展的先決條件。氫能國家標準等在保障氫能產業(yè)安全、涉氫環(huán)境安全等方面，將規(guī)定最低的技術標準和安全底線，也對于氫能設備、零部件的產品質量和安全起保證作用。
截至2019年12月28日，氫能國標達89項；當時的氫能技術標準體系包括：氫能基礎、氫質量、氫安全、氫工程建設、氫制備與提純、氫儲運加注、氫能應用、氫檢測這8個標準體系。隨著氫能技術及產業(yè)的飛速發(fā)展，已有氫能標準體系無論是從完備性還是從具體內容方面，都亟待提高。
2023年8月，國家六部聯合印發(fā)《氫能產業(yè)標準體系建設指南 （2023版）》，是國家層面首個氫能全產業(yè)鏈體系建設指南，為氫能標準體系搭建提供指導作用。因此，在目前及未來，我國氫能標準體系將遵循該指南的科學、實用、協調發(fā)展、前瞻考慮等，配合氫能技術發(fā)展、氫能產業(yè)鏈完善的步伐，進行進一步細化、補充和完善。
雖然指南已經搭建了5個子體系、20個二級子體系、69個三級子體系，但在具體制訂過程中，將面臨所有氫能環(huán)節(jié)的技術復雜性和多樣性的挑戰(zhàn)，還要和國際標準保持交流和同步，同時要滿足標準的實用性和可操作性。氫能標準體系的完備制訂，是一件需要國家級牽頭、層層落實的大工程。
2.3 氫能技術發(fā)展的多條件制約
在開展氫能自主技術與裝備的研發(fā)過程中，一方面，我們需要打破氫能技術瓶頸和壁壘，逐步擁有獨立自主的相關技術與裝備，來替代原有國外品牌產品，以降低經濟成本和運行使用成本，另一方面，需要遵守氫能戰(zhàn)略規(guī)劃和氫能標準，保證技術及產品的安全性，還要在高壓，甚至高溫或低溫環(huán)境中，保證產品的穩(wěn)定功能性。
此外，作為涉氫設備和零部件，在氫環(huán)境中的試驗和測試，還有高壓、低溫等環(huán)境的需求，出于對安全性的考慮，都受到嚴格限制和管控。
氫能技術與裝備的自主創(chuàng)造性、功能性、安全性、經濟性等，缺一不可，氫能研發(fā)人員需破冰前行。
（1） 國內氫能發(fā)展在經歷初步幾年歷練之后，逐步進入穩(wěn)步、深入發(fā)展階段，國家氫能戰(zhàn)略政策和氫能標準體系搭建，必然把深入細化技術、強調安全、加強薄弱環(huán)節(jié)、貫穿多環(huán)節(jié)協調運行技術、全產業(yè)鏈綜合協調發(fā)展等，作為方向，氫能發(fā)展將得到更全面的指導和引領。
（2） 氫能自主技術和裝備研究，將在完成從無到有之后，從安全性、經濟性、低能耗性、更強功能性等角度，加大研發(fā)難度、深度，以提高技術水平，縮減和國際高科技氫能技術產品之間的差距，甚至超越他們。氫能發(fā)展將有更深更廣的發(fā)展空間和機遇，但必將面臨技術高難度和多方面制約的挑戰(zhàn)。
（3） 氫能發(fā)展的安全性必然是首要原則；而經濟性與安全功能性的兼顧與平衡是氫能發(fā)展過程中始終需要把握和掌控的。
（文章來源能源新媒）
