1可再生能源制氢技术的应用与发展1.1可再生能源制氢的应用氢能涉及领域广泛，主要被应用于工业冶金、化学品原料、建筑、钢材、道路交通等行业。从短期发展分析，氢能交通具备理想的商业化前景[1]。“高原用氢，平原用电”将成为交通运输领域的规范化运营模式，与电动汽车相比，氢燃料电池车在低温、长距离、大功率场景下具有显著优势，预计未来氢燃料电池中重型卡车将成为商用车的主要类型。但目前国内加氢站基础设施尚未完善，氢能汽车示范应用均采取公交和短距离物流运输的形式存在。氢能冶金技术为钢铁行业脱碳提供了新途径，利用氢取代碳作为燃料和还原剂冶炼铁，还原产物为水，从源头降低了污染物的排放，“新能源+绿氢+化工”耦合发展是化工领域的重要转型方向。电力和建筑领域“调峰储能，热电联供”。氢储能效率(30%~45%)远低于电化学储能效率(80%~90%)，且电化学储能产业规模和成本下降趋势较为迅猛，但氢储能的安全系数高于电化学储能，且后续无危废污染困扰。在建筑领域，氢能以“热电联供”的方式提升竞争力[2]。受到氢气成本及生产工艺限制，“绿氢”在制氢产业发展中的占比较低，氢能市场由“灰氢”与“蓝氢”占据主导。截至2022年我国的氢源结构仍以煤为主，煤制氢占比约62%，天然气制氢占比约19%，工业副产物氢占比约18%，电解水制氢仅占比1%。采用网电制取氢气时，需排放42.5 kg CO2/kg H2；采用煤制氢方式时，需排放13.5~19.4 kg CO2/kg H2；采用天然气制氢方式时，需排放6.5~10.8 kg CO2/kg H2；电解水制氢产物为水，无污染物排放。煤制氢、天然气制氢、可再生能源制氢成本对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.027.T001表1煤制氢、天然气制氢、可再生能源制氢成本对比制氢方式材料成本制氢效率成本/(元/kg)预计收益缺点煤制氢1 400元/t（煤价）1 460 m³/t10.7煤价居高不下，煤价降低关系制氢成本制取1 kg氢气需要排放10 kg二氧化碳天然气制氢2.3元/m³（天然气价）3.29 m³/kg15.3天然气价格波动，降至1.7元/m³才有竞争力除电耗成本外，外排少部分二氧化碳可再生能源制氢0.37元/kWh（电费）47~55 kWh/kg23.4~27.4电费所占成本较高，电费价格降至0.2元/kWh才有竞争力无任何环境污染，成本较高可再生能源电解水制氢是当前获得“绿氢”的主要方式之一，分为碱性电解水制氢(AEC)、质子交换膜电解水制氢(PEMEC)、高温水蒸气电解水制氢(SOEC)等技术路线。其中，质子交换膜电解水制氢(PEMEC)效率高于碱液制氢，具有设备启停快、响应性好、能适应可再生能源发电时的波动性、维护成本低、效率衰减低等特性。1.2可再生能源制氢的发展我国于2022年3月发布《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》，明确了氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位、发展目标和重点任务等，正式将氢能纳入我国能源体系。我国陆续颁布的各项“氢能产业发展的优惠政策及规定”进一步规范了我国PEM电解水制氢制氢技术行业发展，有效地推动了国内制氢产业化进程。随着“双碳”目标的提出，电解水制氢将成为有效供氢主体，国内迫切需要开发大容量、集成式的电解制氢设备，增加质子交换膜国产化程度并降低制氢成本[3]。2先进制氢技术的引用及研发北京市延庆区的氢能产业园引进德国西门子水电解 Silyzer200系统，采用集成控制系统，利用整流器将来自大电网的交流电通过整流桥控制输出1 600 A直流电，接入电解槽的正负极，配备不间断电源储能系统，为负荷设备提供保障。除信号采集、安全防护等其他辅助系统外，整套控制系统均采用PC集成式操作，消除以往制氢的复杂工艺，“一键启停”功能的实现极大降低了人工成本，提升了整套系统的稳定性。利用单套除盐水净化工艺，将原水通过活性炭精过滤、布袋吸附、二级反渗透、EDI过滤等工艺，严格控制产品电导率在0.8 us以下，使用高品质纯水能够提高电解槽水电解的效率和产品氢气的纯度。经过5×50单元电解槽电堆，将电压平均分配至每个单元，对纯水进行电解，合格的氢气产品通过输氢管道被输送至氢气纯化系统，利用三塔变温吸附过滤装置精细过滤氧气及水蒸气，氢气纯度最高可以达到99.999%，满足现行燃料电池、氢动力交通、重工业化工的产业需求。低压氢气产品通过小范围输氢管道被输送至配套加氢站区域，通过20 MPa耦合增压系统加压至压缩机允许进气压力，利用压缩机进行将压力二次加压，提高至70 MPa/35 MPa，通过加氢机为氢燃料电池车辆供给氢能。延庆区氢能产业园配套加氢站在冬季奥林匹克运动会、残疾人奥林匹克运动会期间，累计为氢燃料客车提供692车次加注服务，加注量达7.68 t。在环保方面，氢能实现柴油替代35 t，减排二氧化碳120 t，减排氮氧化合物2.3 t。3三大主流制氢技术优劣对比对比现行可再生能源制氢技术，碱性电解水技术凭借成本低、技术路线成熟、商业化效果良好等优势，仍占据主导地位，但未来发展PEM电解水制氢将与碱液制氢的优势形成互补[4]。电解水制氢技术对比如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.027.T002表2电解水制氢技术对比项目碱性电解水（AWE）质子交换膜（PEM）固体氧化物电解（SOEC）电解质20%~30% KOHPEMY2O3/ZrO2催化剂非贵金属电催化剂Ir、Ru等贵金属/氧化物及其二元三元合金/混合氧化物/运行温度/℃70~9070~80600~1 000电流密度/(A/cm2)0.2~0.41.0~2.01.0~10.0单台产气量/(m3/h)0.5~1 000.00.5~500.0/电解槽能耗/(kWh/m3)4.5~5.53.8~5.02.6~3.6电解槽价格/(元/kW)国产：2 000~3 000；进口：6 000~8 0007 000~12 000/系统转化效率/%60~7570~9085~100启停速度热启停：分钟级；冷启停：大于1 h。热启动：秒级；冷启动：秒级。启停较慢动态响应能力较强强较弱电源质量要求稳定电源无要求稳定电源负荷调节范围155%~100%额定负荷0~160%额定负荷/环保性碱液污染（目前石棉膜已经革新，改善了石棉膜污染情况）无污染无污染后期维护有腐蚀液体，后续设备维护较复杂。无腐蚀液体，维护简单成本低。以技术研究为主成本成本较低，经济性最高。使用贵金属电催化剂等材料，成本高。/发展进程技术及商业化模式较为成熟，项目分布较广。设备技术依赖进口，成本较高，逐渐推行商业化模式。实验室研究为主系统寿命/a10~2010~20/质子交换膜电解水技术的热启动时间为秒级，与碱性电解水技术相比，可以更好地匹配可再生能源及电网调峰的要求，目前已经在部分地区建设示范性项目。固体氧化物(SOEC)电解水技术具有能量转化效率高、不需要贵金属催化剂等优点，有望成为未来被关注的技术路线和发展方向，目前因较高技术要求处于实验室研究阶段。电力氢能产业园的先进制氢项目借鉴国际先进制氢技术，助推我国氢能产业解决关键技术发展，项目结合北京氢能市场的实际供给需求，研究制、加氢一体化能源供应技术，探索新型商业运行模式，为规模化低碳交通和可再生能源消纳提供具体的途径和手段。新型制氢系统的研发充分考虑通用性设计，作为PEM电解槽测试平台搭建氢能测试认证中心，推进大功率PEM电解水制氢系统国产化研发工作，形成“制、储、运、加、用”全产业链的能源生态系统[5]。4可再生能源制氢未来发展前景预测4.1电成本下降目前，可再生能源制氢的成本中电费占比超过85%，2009年至2020年，我国光伏发电的平均成本为0.23~0.44元/kWh，在中国西北部及西部地区，光伏发电已初步具备与火力燃煤发电厂竞争的能力，未来可再生能源电力成本将持续降低。煤制氢生产成本约10元/kg、天然气制氢生产成本约17元/kg，以0.30元/kWh的电价电解制氢，“绿氢”生产成本约20元/kg。随着电解槽规模化生产、电解技术进步、新能源电价降低，将共同驱动“绿氢”成本下降。电价为0.25元/kWh时，“绿氢”可与天然气制氢实现平价；电价低至0.10元/kWh时，“绿氢”将与煤制氢实现平价。4.2电储能及氢储能产业发展储氢是可再生能源制氢的关键问题，而电力储存能够有效解决“峰谷电价”对制氢时间的限制，大幅度提升可再生能源碱液制氢设备的运行稳定性。目前，我国铅酸电池的成本为600~220元/kWh，能效比较高的锂离子电池成本达到550~670元/kWh。氢储能方式比较特殊，利用液氢、合成氨两类电制燃料氢储能或有机固、液体储氢的方式。合成氨储氢的成本较低，为17.8元/kg，随着储能技术的发展有望降至5.5元/kg。4.3制氢设备成本下降制氢产业发展迅速，部分氢能项目进行技术研发的同时，持续推进设备创新。目前，国内电解槽设备厂家的供应链已趋近成熟，对比2020年制氢电解槽的成本下降35%~50%。电解槽成本占制氢总成本的40%~50%，预计到2030年，电解槽的成本将降至1 470~1 700元/kWh。4.4设备和技术革新相关设备的创新推动了质子交换膜和催化剂技术的优化（催化剂中稀有金属含量降低，催化剂更高效，材料成本更低）。目前，国内可再生能源制氢效率约50~55 kWh/kg氢气，随着未来电网及储能产业的辅助发展，制氢效率将降至35~40 kWh/kg氢气，原料成本降幅也能达到50%左右。4.5氢需求的增加欧洲规划至2030年本土“绿氢”年产量达1 000万t，进口“绿氢”目标为1 000万t；美国规划至2030年“绿氢”年产量达到1 000万t。我国亦针对绿氢提出明确规划与政策支持，政策驱动下全球绿氢行业有望迎来快速发展[6-7]。2023~2029年全球“绿氢”市场预测如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.027.T003表32023~2029年全球“绿氢”市场预测项目2023年2024年2025年2026年2027年2028年2029年全球氢气产量/万t10.411.111.511.912.513.013.6我国氢气产量/万t3.523.713.894.114.294.525.21全球绿氢产量/万t531102203606701 4502 300我国绿氢产量/万t123058110220400600电解水制氢占比（全球）/%0.51.12.03.05.311.020.0电解水制氢占比（我国）/%0.40.71.42.75.09.015.05结语未来全球可再生能源需求将急剧增长，大规模市场投资趋势为可再生能源制氢创造了巨大的发展机会。未来应大力推进风力、光伏、水力等可再生能源发电制氢项目的开发，研究可再生能源发电耦合电解水制氢技术。2030年，氢能将作为主流能源推动我国能源转型与发展，未来的可再生能源制氢技术将不断革新和发展，可再生能源制氢技术将推动新一轮能源转型发展。