國內氫能行業的發展機遇與挑戰
2024-03-17
能源作為光、電、熱的來源，是衡量現代社會發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，能源的量和穩定性相對比較差。
自16世紀氫元素被發現之后，氫能就不斷被探索，終于在21世紀實現爆發性發展。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點，全球各國愈發重視氫能，并將對氫能的應用和產業發展付諸行動，以求達到“碳中和”、“零排放”的綠色環保目的。
在推動全球氫能發展的進程中，除了國家、地區級氫能戰略、政策等的構建，如何穩步、安全地落實氫能產業，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的機遇和挑戰。
1 國內氫能行業發展的機遇
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展處于緩慢停滯狀態。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展。
自2019年，出于對全球能源緊缺和地球環境惡化考慮，各國開始重視氫能，并真正付諸行動，以國家氫能戰略級別，出臺氫能政策，推動氫能發展，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略規劃，展示出強化發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展我國氫能極具價值，體現在：
（1）為我國提供各國氫能的發展趨勢、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展水平和發展速度。
而在國內，整個氫能發展的政策架構已形成，國家級氫能規劃和近40個省市級規劃都已出臺。國家級《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035 年）》開始于2021年，時間跨度為15年；各省級、市級氫能規劃大部分開始于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，國內氫能發展以國家氫能政策中“創新、自立、安全、穩慎”等的發展原則，以免出現冒進、失穩等弊端，保證了前期發展的正確方向。
在隨之而來的2024年及后續發展中，國內氫能發展將繼續在戰略政策的引導下，加大深入發展力度。
1.2 國內氫能技術自主創新的更多機遇
從氫能文獻分析，在2020年，國內氫能發展初期，氫能技術以綜述性、整體分析性為主，專業性技術分析較少，集中在儲氫、燃電幾個方面；但國內氫能技術在2020—2023年，發展速度很快，呈逐年爆發性增長。政策的推動與鼓勵、研發課題的申報、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生產能力；單臺PEM制氫規模通常不超過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展初期，發展潛力十足。
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，加大和上游制氫環節，甚至綠電制氫環節等聯合工作，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、制造的工業環節，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，囊括氫能所有產業鏈環節和使用環節，包括了政策法規制度、標準體系、產品研發技術、裝備和零部件、管理和操作維護規范等，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、發展氫能技術創新和社會經濟的穩定性，氫能標準體系的搭建和完備，是氫能安全穩定發展的先決條件。氫能國家標準等在保障氫能產業安全、涉氫環境安全等方面，將規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的飛速發展，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《氫能產業標準體系建設指南 （2023版）》，是國家層面首個氫能全產業鏈體系建設指南，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、協調發展、前瞻考慮等，配合氫能技術發展、氫能產業鏈完善的步伐，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，將面臨所有氫能環節的技術復雜性和多樣性的挑戰，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 氫能技術發展的多條件制約
在開展氫能自主技術與裝備的研發過程中，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，需要遵守氫能戰略規劃和氫能標準，保證技術及產品的安全性，還要在高壓，甚至高溫或低溫環境中，保證產品的穩定功能性。
此外，作為涉氫設備和零部件，在氫環境中的試驗和測試，還有高壓、低溫等環境的需求，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造性、功能性、安全性、經濟性等，缺一不可，氫能研發人員需破冰前行。
（1） 國內氫能發展在經歷初步幾年歷練之后，逐步進入穩步、深入發展階段，國家氫能戰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、加強薄弱環節、貫穿多環節協調運行技術、全產業鏈綜合協調發展等，作為方向，氫能發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。氫能發展將有更深更廣的發展空間和機遇，但必將面臨技術高難度和多方面制約的挑戰。
（3） 氫能發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展過程中始終需要把握和掌控的。
（文章來源能源新媒）
分享：
