产业研究 | 绿氢:清洁能源的未来

摘要：作为在元素周期表中排位第一的氢，是宇宙中最多的物质，在宇宙的普通物质中，大约75%为氢。氢的热值极高，最关键的是氢燃烧后的唯一产物是水，没有任何污染，因此氢能也被称为人类的终极能源。

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氢可以像化石燃料一样作为能源载体。

绿色氢是用于重工业和长途运输的零排放能源。

制造绿色氢的高成本正在减缓它的普及。

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氢气是如何产生的？

热反应（Thermal process）这种方法通常涉及对碳氢化合物燃料使用高温来释放氢。这种被称为蒸汽重整的过程可以应用于各种碳氢化合物燃料，如柴油、天然气、气化煤或生物质。

电解过程（Electrolytic Processes）氢可以通过电解器中的水分子分裂产生。这一过程与燃料电池的过程相反，在燃料电池中，氢与氧结合形成水并释放能量。在电解过程中，能量被用来分解水分子。

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目前有多少种“氢”？

虽然地球上“氢”的含量最多，但是却很少有存量的游离氢，所以如果人类想获得氢气往往需要借助物理或者化学的方法制得，属于典型的二次能源。根据氢气的制造途径可以分为以下几种“氢”。

灰氢是指通过化石能源、工业副产等生产的氢气，伴有大量的二氧化碳排放。灰氢是当前的主流氢气，约占全球氢气产量的95%。灰氢中约70%来自于化石燃料燃烧，约30%是工业加工的副产品。灰氢主要应用于内部需求，即直接用于氢气生产站点。

蓝氢是在灰氢的基础上，将二氧化碳副产品捕获、利用和封存（CCUS）而制取的氢气，是灰氢过渡到绿氢的重要阶段。虽然蓝氢能够减少约90%的碳排放，但是二氧化碳的封存需要相对罕见的地质条件，这就限制了蓝氢的发展。

绿氢是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后，通过电解工序制取的氢气。绿氢的制取技术路线主要为电解水，其碳排放可以达到净零。

紫氢，又叫红氢，是以来源丰富的水为原料，利用核能大规模生产的氢气。热化学循环工艺和高温蒸汽电解都是有望与核能耦合的先进制氢工艺。

在这其中，绿氢是真正零排放的清洁能源，具有广阔的市场前景，有望成为交通、工业等领域能源碳中和的有效解决路径。

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哪里可以使用绿氢？

绿氢可以在目前使用化石燃料的几乎所有应用中作为替代能源。例如，航空和航运正面临着电气化的挑战，因为目前可用的技术无法支持重载的长途旅行。在这种情况下，氢气可能成为一种替代品，它的能量是同样重量的汽油的三倍，是煤炭的近七倍。使用绿氢也将确保这些旅程是零排放的。

除此之外，用于燃料电池的氢是一种电力来源，可以部署在地球上的任何地方。它只需要氧气工作，并产生水作为副产品。在绿色场所生产的氢可以像今天的化石燃料一样，通过现有的运输系统运输到一个国家的偏远地区，并用于为车辆、家庭甚至工业提供动力。氢可以作为载体，在需要能量(电或热)时被氧化，而不是用电池来储存能量。

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绿氢的成本是多少？

据哥伦比亚大学全球能源中心估计，仅美国每年就生产7000万吨氢气。这表明，运输和使用氢气的技术挑战已经得到了很好的解决。在这些网络中，主要运输的是灰氢或蓝氢，绿氢的生产成本是灰色氢的三倍，电解槽的成本是造成绿氢价格高企的主要因素之一，每公斤价格在3.5美元至6美元之间。

相比之下，灰色氢的生产成本约为每公斤1.5美元，而相同重量的蓝氢的生产成本约为2-3美元。此外，由于氢气的体积能量密度较低，它通常以压缩气体的形式储存在车辆上，否则，一般车辆上的容量不足以确保长距离行驶。目前大多数应用都使用高压储罐，能够储存每平方英寸5000或10000磅(psi)的氢气。因此，还有安装储罐和确保其安全的成本。政府必须努力制定政策，降低生产绿色氢的成本，因为这将有助于新技术的发展，也有助于清洁环境。

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我国氢能发展现状

2021年我国氢气产量约3342万吨，约占全球产量的1/3，位居全球第一。但制氢方式仍以化石能源为主，占比达到80%，绿氢生产不到1%。目前氢主要作为工业原料使用，占比达到84%，利用形式以分散制取、就地利用为主。

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绿氢是未来发展的方向

随着整个双碳战略的实施，氢的路程变化，2060年绿氢占比可以达到80%，灰氢还没有用到能源里面，随着清洁能源的发展，绿色氢能将得到大幅度的发展。所以可再生能源向绿氢转化的过程、技术未来将越来越受到重视和欢迎。

中国氢气供给结构现状与预测

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图片来源：电力规划设计总院