碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状(碳和氢反应)

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瑞景观点氢能作为一种二次能源，因其绿色、灵活、来源广泛等特点，将在可再生能源占主导的未来能源体系中发挥重要作用。

决定氢能产业大规模发展的核心是实现低廉、高效的原料来源和储运。

为此，从可再生能源电解水制氢和储氢运输 2 个方面，对实现氢能清洁和高效利用的关键技术进行了综述。

总结了欧洲和日本作为氢能利用的领先国家在氢能发展方面的一些思路与进展，也对氢能的成本因素进行了讨论。

分析了我国氢能发展的趋势，对于未来我国氢能产业发展的前景，提出以下建议：建立健全法规与政策体系:重视氢源供应及储运的发展:积极探索发展各类氢能利用方式。

碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状雷超 ，李韬0 引言2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会明确提出我国力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和。

在2021年全国两会上，碳达峰、碳中和被首次写入政府工作报告。

如何高质量实现碳达峰、碳中和目标，已成为中国未来一段时期内能源结构发展与转型的必然要求。

为了实现这一目标，能源的生产和消费环节均要走向绿色低碳的道路。

氢能将在全球能源新格局中扮演重要角色，其发展所带来的科技创新、行业竞争和巨量投资机会是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，已让世界主要发达国家趋之若鹜。

氢能在我国的碳中和路径中也将扮演重要角色：氢能的利用可以实现大规模、高效可再生能源的消纳:在不同行业和地区间进行能量再分配:充当能源缓冲载体提高能源系统韧性:降低交通运输过程中的碳排放:降低工业用能领域的碳排放:代替焦炭用于冶金工业降低碳排放，降低建筑采暖的碳排放。

我国氢能源发展目前主要集中在氢燃料电池汽车及配套加氢站建设方向。

2018年下半年以来，我国氢能产业发展热情空前高涨，在氢燃料电池汽车领域的布局已初见成效。

然而，作为一种二次能源，氢能的潜力却远不止于氢燃料电池汽车，利用氢能在电力、工业、热力等领域构建未来低碳综合能源体系已被证明拥有巨大潜力。

我国在氢能技术与产业发展方面开展了许多相关研究，但重点仍主要集中在制氢、储氢技术及氢燃料电池汽车产业发展方面，对于如何更广泛地利用氢能，以及氢能在改善我国能源结构方面如何发挥作用鲜见报道。

因此，本文介绍了氢能在碳中和路径中塑造未来能源结构方面发挥的重要作用，并对实现氢能高效利用的关键技术进行了分析。

总结了欧洲、日本等国家利用氢能改善能源结构、提高新能源利用效率的思路以及案例，讨论了氢能现阶段的成本因素变化特征与趋势。

最后，分析了我国当前氢能发展的主要思路，并对未来一段时期我国氢能产业发展的前景提出了相关建议。

1 氢能在未来绿色能源结构中的作用当前世界能源生产和消费结构正在全球碳排放量依旧加剧与可再生能源比例增加、多种新能源共存这2种趋势的共同作用下形成新的未来能源体系。

然而，新体系仍面临许多挑战，包括可再生能源装机规模增加所带来的波动性以及能源供需距离过长等问题。

氢能的价值在于可为各种关键性的能源挑战提供应对策略，即为多种能源之间的物质与能量转换提供解决方案，氢能在未来能源结构中的作用如图1所示。

《欧洲氢能路线图》中对氢能价值的描述如下：首先，氢是当前交通、工业和建筑等碳排放大户实现大规模脱碳的最现实选择:其次，氢在可再生能源生产、运输、消费过程中发挥着重要的系统性调节作用，可提供一种能灵活地跨领域、跨时间和跨地点的能源流通体系:最后，氢的利用方式更符合当前使用者的偏好和习惯。

在未来能源系统中，氢具有替代煤炭、石油、天然气等传统化石能源的潜力。

图 1 氢能在未来能源结构中的作用根据各国氢能发展路线所描绘的图景，在制氢方面，利用趋于成熟的PowertoGas(PtG)技术，将“弃风、弃光”等无法并网的可再生能源电解水制氢，以解决可再生能源的消纳问题。

在储运方面，氢可通过管道、海上液化运输、汽车等多种方式进行运输，在减少电力基础设施投资的条件下，解决了可再生能源的长期存储与远距离运输问题。

在氢能利用方面，由于与天然气性质类似，氢可直接作为燃料，按照一定比例混入天然气中进行混烧或在纯氢燃气轮机中直燃:也可利用氢的电化学性质，作为燃料电池的原料用于燃料电池汽车、分布式热电联产等。

氢能可被广泛利用已成为发达国家的一种普遍共识。

2 氢能的主要关键技术将氢气作为一种原料广泛地应用于工业原料、直燃供能、家用燃料电池和燃料电池汽车等领域是氢能的主要使用与发展方向，相关技术近年来已取得了长足进步。

然而，新兴能源发展的核心就是实现低廉、高效的原料来源和储运，氢能发展也面临同样的问题。

因此，制氢与储氢技术是氢气得到高效利用的关键，是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈，也成为目前氢能产业化发展的重点和难点之一。

2.1制氢关键技术2.1.1氢源供应方式氢气的来源十分广泛，主要的氢源供应方式有煤、天然气等化石能源重整制氢、工业副产氢和电解水制氢，未来或具有规模化氢源供应潜力的其他方式还包括生物质制氢、光热制氢、光电制氢及核能制氢等。

目前来看，95%以上的氢气来源于化石能源重整制氢及工业副产氢，其他来源的氢气还非常有限，然而利用可再生能源电解水制氢，让可再生能源通过“电–氢–电(或化工原料)”的方式将电力、交通、热力和化工等领域耦合起来，实现“绿氢”的真正高效利用，才能发挥氢作为一种能源的真正作用。

可再生能源制氢的关键核心技术是高效的电解水制氢技术。

电解水制氢就是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。

阳极：H2O→1/2O2+2H++2e?(1)阴极：2H++2e?→H2(2)总反应：H2O→H2+1/2O2(3)根据电解质系统的差别，可将电解水制氢分为碱性电解水、质子交换膜(PEM)电解水和固体氧化物电解水3种。

三者的基本原理是一致的，即在氧化还原反应过程中，阻止电子的自由交换，而将电荷转移过程分解为外电路的电子传递和内电路的离子传递，从而实现氢气的产生和利用。

但三者的电极材料和电解反应条件不同，其技术比较如表1所示。

表1 3种主要电解水制氢技术比较2.1.2碱性电解水制氢碱性液体电解水技术是以KOH、NaOH水溶液作为电解质，采用石棉布等作为隔膜，在直流电的作用下将水电解，生成氢气和氧气，反应温度较低(60~80℃)。

产出的氢气纯度约为99%，需要进行脱碱雾处理。

碱性电解槽主要结构特征为液态电解质和多孔隔板，如图2所示。

碱性电解槽的最大工作电流密度小于400mA/cm2，效率通常在60%左右。

图 2 碱性电解水制氢结构原理图碱性液体电解水于20世纪中期就实现了工业化。

该技术较成熟，运行寿命可达15a。

主要缺陷如下：1）在液体电解质体系中，所用的碱性电解液(如KOH)会与空气中的CO2反应，形成在碱性条件下不溶的碳酸盐(如K2CO3)，导致多孔的催化层发生阻塞，从而阻碍产物和反应物的传递，大大降低电解槽的性能:2）碱性液体电解质电解槽启动准备时间长，负荷响应慢，还必须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧上的压力均衡，防止氢氧气体穿过多孔的石棉膜混合，进而引起爆炸。