國內氫能行業(yè)的發(fā)展機遇與挑戰
2024-03-17
能源作為光、電、熱的來(lái)源，是衡量現代社會(huì )發(fā)展質(zhì)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(lèi)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(shí)伴隨不可避免的大量二氧化碳排放，會(huì )導致整個(gè)地球升溫，嚴重影響全人類(lèi)生存條件，其使用成了利與弊同時(shí)存在的雙刃劍。
為此，人類(lèi)積極尋求化石能源以外的其他能源形式，如水能、風(fēng)能、光能、生物質(zhì)能。但這些可再生能源缺點(diǎn)在于：受水、風(fēng)、太陽(yáng)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(fā)現之后，氫能就不斷被探索，終于在21世紀實(shí)現爆發(fā)性發(fā)展。對于氫能，無(wú)論是通過(guò)燃料電池的化學(xué)反應轉化為電能，還是通過(guò)內燃機轉化為機械能動(dòng)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(diǎn)以外，還具有能量密度高、來(lái)源豐富、可與其他能源結合、應用場(chǎng)景多元等特點(diǎn)。
正因為氫能的以上優(yōu)點(diǎn)，全球各國愈發(fā)重視氫能，并將對氫能的應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展付諸行動(dòng)，以求達到“碳中和”、“零排放”的綠色環(huán)保目的。
在推動(dòng)全球氫能發(fā)展的進(jìn)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(shí)氫能產(chǎn)業(yè)，需要從時(shí)間、技術(shù)、經(jīng)濟性等各方面多維度綜合考量和驗證。
中國政府已經(jīng)承諾2030年實(shí)現碳達峰、2060年實(shí)現碳中和。在推進(jìn)“雙碳”戰略的過(guò)程中，氫能將會(huì )扮演著(zhù)重要的作用。本文將從政策、技術(shù)、標準、安全性等多個(gè)方面探討氫能行業(yè)的機遇和挑戰。
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(shù)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(kāi)始重視氫能，并真正付諸行動(dòng)，以國家氫能戰略級別，出臺氫能政策，推動(dòng)氫能發(fā)展，并在經(jīng)歷數年的實(shí)踐和經(jīng)驗積累之后，進(jìn)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(fā)展氫能的決心和行動(dòng)力。
近年國外氫能政策對目前及未來(lái)發(fā)展我國氫能極具價(jià)值，體現在：
（1）為我國提供各國氫能的發(fā)展趨勢、相關(guān)數據、重點(diǎn)技術(shù)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(huì )，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(gè)氫能發(fā)展的政策架構已形成，國家級氫能規劃和近40個(gè)省市級規劃都已出臺。國家級《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃（2021-2035 年）》開(kāi)始于2021年，時(shí)間跨度為15年；各省級、市級氫能規劃大部分開(kāi)始于2019—2021年，時(shí)間跨度為5年、10年、15年不等，使得國內氫能發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)驗寶貴的初步探路階段。
在這段時(shí)間，國內氫能發(fā)展以國家氫能政策中“創(chuàng )新、自立、安全、穩慎”等的發(fā)展原則，以免出現冒進(jìn)、失穩等弊端，保證了前期發(fā)展的正確方向。
在隨之而來(lái)的2024年及后續發(fā)展中，國內氫能發(fā)展將繼續在戰略政策的引導下，加大深入發(fā)展力度。
1.2 國內氫能技術(shù)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(shù)以綜述性、整體分析性為主，專(zhuān)業(yè)性技術(shù)分析較少，集中在儲氫、燃電幾個(gè)方面；但國內氫能技術(shù)在2020—2023年，發(fā)展速度很快，呈逐年爆發(fā)性增長(cháng)。政策的推動(dòng)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(shù)自主研發(fā)提供了空間和機遇。
在制氫方面，國內制氫廠(chǎng)家具備單套1000Nm³/h堿水制氫裝備的研發(fā)生產(chǎn)能力；單臺PEM制氫規模通常不超過(guò)300Nm³/h，還有很大提升空間。風(fēng)光制氫技術(shù)具有實(shí)現能源高效利用，強化儲能的作用，也是未來(lái)能源發(fā)展趨勢。
在儲氫方面，國內技術(shù)成熟的目前主要以車(chē)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(cháng)管和鋼帶錯繞式儲氫罐相關(guān)技術(shù)比較成熟，但車(chē)載IV型儲氫瓶技術(shù)還有待和國際接軌；國內液氫技術(shù)主要應用在航天領(lǐng)域，民用液氫制取和液氫儲氫技術(shù)仍處于發(fā)展初期，發(fā)展潛力十足。
在輸氫方面，氫用管束拖車(chē)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(shù)已有初步成果，但因政策原因和上游制氫技術(shù)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(shí)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(shù)及裝備供應的實(shí)力，將在此基礎上，加大和上游制氫環(huán)節，甚至綠電制氫環(huán)節等聯(lián)合工作，為風(fēng)光電制氫加氫一體站運行，提供更豐富經(jīng)驗。
在氫燃料電池技術(shù)方面，已取得較大進(jìn)展，實(shí)現單堆300KW，目前正往更大功率、更長(cháng)壽命、更長(cháng)續航里程方向積極行動(dòng)。
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(chǎn)、制造的工業(yè)環(huán)節，還因存在于交通工具的儲存裝置中，甚至將來(lái)和天然氣一樣出現在居民用氣管道和使用終端，其使用場(chǎng)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(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節和使用環(huán)節，包括了政策法規制度、標準體系、產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)、裝備和零部件、管理和操作維護規范等，是一件每時(shí)每刻、隨時(shí)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(shù)創(chuàng )新和社會(huì )經(jīng)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(fā)展的先決條件。氫能?chē)覙藴实仍诒Ｕ蠚淠墚a(chǎn)業(yè)安全、涉氫環(huán)境安全等方面，將規定最低的技術(shù)標準和安全底線(xiàn)，也對于氫能設備、零部件的產(chǎn)品質(zhì)量和安全起保證作用。
截至2019年12月28日，氫能?chē)鴺诉_89項；當時(shí)的氫能技術(shù)標準體系包括：氫能基礎、氫質(zhì)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(gè)標準體系。隨著(zhù)氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，已有氫能標準體系無(wú)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(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標準體系建設指南 （2023版）》，是國家層面首個(gè)氫能全產(chǎn)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(lái)，我國氫能標準體系將遵循該指南的科學(xué)、實(shí)用、協(xié)調發(fā)展、前瞻考慮等，配合氫能技術(shù)發(fā)展、氫能產(chǎn)業(yè)鏈完善的步伐，進(jìn)行進(jìn)一步細化、補充和完善。
雖然指南已經(jīng)搭建了5個(gè)子體系、20個(gè)二級子體系、69個(gè)三級子體系，但在具體制訂過(guò)程中，將面臨所有氫能環(huán)節的技術(shù)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(shí)要滿(mǎn)足標準的實(shí)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(shí)的大工程。
2.3 氫能技術(shù)發(fā)展的多條件制約
在開(kāi)展氫能自主技術(shù)與裝備的研發(fā)過(guò)程中，一方面，我們需要打破氫能技術(shù)瓶頸和壁壘，逐步擁有獨立自主的相關(guān)技術(shù)與裝備，來(lái)替代原有國外品牌產(chǎn)品，以降低經(jīng)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(shù)及產(chǎn)品的安全性，還要在高壓，甚至高溫或低溫環(huán)境中，保證產(chǎn)品的穩定功能性。
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(shù)與裝備的自主創(chuàng )造性、功能性、安全性、經(jīng)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(jīng)歷初步幾年歷練之后，逐步進(jìn)入穩步、深入發(fā)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(shù)、強調安全、加強薄弱環(huán)節、貫穿多環(huán)節協(xié)調運行技術(shù)、全產(chǎn)業(yè)鏈綜合協(xié)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(lǐng)。
（2） 氫能自主技術(shù)和裝備研究，將在完成從無(wú)到有之后，從安全性、經(jīng)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(shù)水平，縮減和國際高科技氫能技術(shù)產(chǎn)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(shù)高難度和多方面制約的挑戰。
（3） 氫能發(fā)展的安全性必然是首要原則；而經(jīng)濟性與安全功能性的兼顧與平衡是氫能發(fā)展過(guò)程中始終需要把握和掌控的。
（文章來(lái)源能源新媒）
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