推動氫能關鍵技術研發 助力能源低碳轉型

——“十四五”能源領域科技創新規劃解讀之八

顧大釗

　　“十四五”是能源技術革命的關鍵時期，也是推進“雙碳”戰略的重要窗口期。《“十四五”能源領域科技創新規劃》（以下簡稱《規劃》）提出了2025年前能源科技創新的總體目標，圍繞先進可再生能源、新型電力系統、綠色高效化石能源開發利用等方面制定了技術路線圖，部署了示范工程，與《“十四五”現代能源體系規劃》等文件有機銜接，相互配合。《規劃》就氫能制儲輸用全鏈條關鍵技術提供了創新指引，為氫能的示范應用和安全發展提供了重要指導。

　　氫能的定位和作用

　　氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是實現“雙碳”戰略的重要抓手，開發氫能先進技術和推動氫能產業化，也正在成為深入推進能源供給和消費革命的重要方向，其發揮的作用可以歸納為以下幾點：

　　支撐新型電力系統建設。氫能既可以作為儲能側的“穩定器”，也可以作為用電側的“燃料源”，是未來新型能源系統的重要補充。氫能可成為部分場景下相較于電力更優的脫碳選擇，為能源轉型提供更高的靈活轉換能力。燃料電池熱電聯供綜合效率高，是發展綜合能源的重要技術手段。針對海島、邊防等偏遠地區，可構建分布式電—氫耦合清潔供能系統，利用分布式電源制取氫氣，利用燃料電池進行熱電聯供，滿足用戶多種用能需求。此外，固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）可以直接使用碳基燃料，與現有能源供應系統兼容，在大中小型固定及分布式發電領域都有著廣闊的應用前景；以氫氣為能源、低溫運行的質子交換膜燃料電池（PEMFC），在中重型交通、建筑脫碳領域則有廣闊的發展空間。

　　推動難脫碳領域深度脫碳。在工業領域，鋼鐵、冶金、石化、水泥的生產過程中需要大量的高位熱能，可利用綠色氫能燃燒熱值高的特性，作為工業領域深度脫碳的重要抓手。在建筑領域，綠色氫能供熱將成為未來天然氣供熱的替代。在現有天然氣管道中摻雜氫氣，可滿足建筑領域供熱需求，同時減少碳排放量，是氫能連接電網和天然氣管網的重要途徑，也是氫氣大規模普及的重要渠道。在交通領域，主要包括道路、鐵路、航空和船運這四種方式，在完善的電力基礎設施和技術進步推動下，動力電池在道路交通上得到大規模應用，但動力電池特性不適用于重型道路交通和船舶、航空等場景，上述交通方式需要更多依靠氫能等方式滿足脫碳需求。

　　氫基合成綠色燃料和材料。氫氣可合成綠色燃料和材料，構建零碳工業產品體系。隨著氫的能量屬性逐漸被重視，作為替代高碳燃料應用于高熱值場景的氫基能源，綠氫合成氨、甲醇、甲烷、煤油等載能燃料進行儲運或綜合利用成為產業熱點，帶動了傳統火電、航運、航空等多個行業的基礎設施再利用和深度脫碳。此外，綠氫與二氧化碳合成制取化工產品，提供大規模二氧化碳利用的機遇，有望成為重大顛覆性技術，對石油化工、煤化工體系產生革命性影響。

　　氫能的發展現狀及建議

　　從產業層面來看，我國氫能及燃料電池已具備產業化發展基礎。產業鏈企業超過1000家，已初步形成京津冀、長三角和珠三角等氫能及燃料電池產業集群，以分布式能源領域、移動通信基站以及城市客運、物流等商用車型為先導開展了規模化示范運行。從技術層面來看，經過4個五年國家科技計劃的組織實施，我國燃料電池從電堆、系統到關鍵部件技術研發均取得一系列關鍵突破，形成了涵蓋制氫、儲氫、氫安全、燃料電池及整車應用等技術的產學研用研發體系。同時，氫能產業發展仍然面臨諸多挑戰。一方面，地方政府培育氫能產業鏈的積極性愈發高漲，但產業發展同質化苗頭有所顯現。另一方面，氫能產業處于產業化前夜，實現關鍵核心技術自主可控是推動我國氫能產業高質量發展、走向全球產業鏈中高端的必行之舉。基于目前產業發展現狀，現提出如下建議：

　　“先立后破”，逐步推動氫源結構低碳化。與化石燃料制氫相比，可再生能源制氫成本近期較高，考慮氫能應用經濟性，“煤制氫+CCUS”、工業副產氫提純將有效發揮過渡支撐作用，與可再生能源制氫技術將共同構成未來清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系。在多元化的供應格局中，技術發展程度取決于不同發展階段的適用性、經濟性、能源效率和環境效益。對于可再生能源制氫而言,重點是提升現有制氫裝備技術水平以及規模化降本；對于化石能源制氫而言，重點是研發CCUS技術來控制碳排放；工業副產氫則應聚焦提純技術，在近期應得到優先利用。從中長期看，加速推動可再生能源制氫規模化發展，降低可再生氫成本，逐步替代化石燃料制氫，是實現氫能可持續發展的應有之義。

　　加速推進核心技術、關鍵裝備自主化。在核心技術、關鍵裝備自主化過程中應堅持重點突破與協同推進相結合的原則，對于產業需求迫切、“卡脖子”現象嚴重、降本效益顯著的技術與裝備應予以重點突破，對于前瞻性技術、儲備性技術、配套技術則協同推進。結合現有產業基礎與需求，制氫領域應以可再生能源制氫為重點突破，攻關與可再生能源耦合負荷波動下電解水系統，探索多能互補可再生能源電解水最優容量配置，同時提升堿水制氫設備電流密度，綜合提高和優化PEM制氫電耗、設備成本與壽命性能，協同推進副產氫提純技術以及SOEC、光解水制氫、熱化學循環制氫等前瞻性技術。儲運領域近期需聚焦氫能短途運輸密集、液氫民用開啟與天然氣摻氫示范三大發展趨勢，攻克50兆帕壓力等級長管拖車運輸；降低氫氣液化能耗、氫氣液化成本和液氫制備與儲運裝置自主化以及管道運氫核心技術，協同推進輕質化固體材料、有機液態儲氫等技術。加注領域以降低加注成本為核心目標，重點攻關氫氣壓縮機、70兆帕加氫機、傳感器、流量計等核心零部件及整機的自主化，協同推進液氫儲氫加氫站、制氫加氫一體站技術研發。燃料電池領域考慮多應用場景兼顧低溫與高溫燃料電池，長壽命PEM系統、關鍵零部件自主化、低載鉑量催化劑開發；高耐久性SOFC電極材料、低成本量產技術，性能提升、集成優化設計；MCFC堆疊技術優化，百千瓦級功率放大是主要攻關目標。氫安全領域關鍵在于要著力加強氫能安全的基礎理論研究，例如氫能設施與設備的材料適用性與相容性研究、氫泄漏的預防與監測技術研究、應急處置裝備等。

　　完善頂層設計體系，促進產業健康有序發展。氫能納入能源管理范疇，以推進氫能服務經濟發展，同時加強安全監管。安全是氫燃料電池產業健康持續發展的命脈，從氫能使用的設計、制造、建設、生產、運行和維護各個環節都應有足夠高的可靠性，包括人員的可靠性。

　　強化產業引導手段，準確把握氫能產業發展趨勢，充分吸取國內風電、光伏以及新能源汽車發展的經驗和教訓。一是宜氫則氫、準確定位，確立清潔低碳和靈活高效的氫能技術發展布局。基于氫能在能源轉型與“雙碳”目標下的發展定位以及技術發展現狀，我國氫能產業發展必須緊緊圍繞上述氫能的核心優勢領域，重點布局氫能與可再生能源協同發展、工業清潔化生產以及基于燃料電池技術的交通運輸動力系統。二是把技術水平作為制定氫能發展路徑的依據。在氫能產業發展的初期階段，堅持“示范先行”原則，在基于技術自主可控的前提下推動燃料電池汽車示范應用上，探索開展制氫示范、裝備技術研發示范，并結合各地資源稟賦設立綜合發展示范區，逐步在制氫、儲能、氫冶金、綠色化工等其他應用領域開展示范，按照成熟一個、推進一個的原則以點帶面地推動多領域示范推廣應用，帶動全產業鏈技術進步與產業規模化、商業化發展，以避免產業鏈重復建設和無序發展。（作者系中國工程院院士）