國(guó)內(nèi)氫能行業(yè)的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)
2024-03-17
能源作為光、電、熱的來(lái)源，是衡量現(xiàn)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(chǔ)，也是所有行業(yè)的各類設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。傳統(tǒng)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(dǎo)致整個(gè)地球升溫，嚴(yán)重影響全人類生存條件，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(wěn)定性相對(duì)比較差。
自16世紀(jì)氫元素被發(fā)現(xiàn)之后，氫能就不斷被探索，終于在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性發(fā)展。對(duì)于氫能，無(wú)論是通過(guò)燃料電池的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，還是通過(guò)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能動(dòng)力，其排放物只有水，從而破解了傳統(tǒng)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(jié)合、應(yīng)用場(chǎng)景多元等特點(diǎn)。
正因?yàn)闅淠艿囊陨蟽?yōu)點(diǎn)，全球各國(guó)愈發(fā)重視氫能，并將對(duì)氫能的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展付諸行動(dòng)，以求達(dá)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(guó)家、地區(qū)級(jí)氫能戰(zhàn)略、政策等的構(gòu)建，如何穩(wěn)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(jì)性等各方面多維度綜合考量和驗(yàn)證。
中國(guó)政府已經(jīng)承諾2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。在推進(jìn)“雙碳”戰(zhàn)略的過(guò)程中，氫能將會(huì)扮演著重要的作用。本文將從政策、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、安全性等多個(gè)方面探討氫能行業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
1 國(guó)內(nèi)氫能行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇
1.1 氫能政策的不斷完善與加強(qiáng)
雖然早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)就成功將燃料電池應(yīng)用于阿波羅號(hào)宇宙飛船，但考慮到成本高昂等，在20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初，全球大部分國(guó)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(duì)氫能技術(shù)的重視和發(fā)展。
自2019年，出于對(duì)全球能源緊缺和地球環(huán)境惡化考慮，各國(guó)開始重視氫能，并真正付諸行動(dòng)，以國(guó)家氫能戰(zhàn)略級(jí)別，出臺(tái)氫能政策，推動(dòng)氫能發(fā)展，并在經(jīng)歷數(shù)年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)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(zhàn)略規(guī)劃，展示出強(qiáng)化發(fā)展氫能的決心和行動(dòng)力。
近年國(guó)外氫能政策對(duì)目前及未來(lái)發(fā)展我國(guó)氫能極具價(jià)值，體現(xiàn)在：
（1）為我國(guó)提供各國(guó)氫能的發(fā)展趨勢(shì)、相關(guān)數(shù)據(jù)、重點(diǎn)技術(shù)方向等豐富信息和參考作用；
（2）為我國(guó)發(fā)展氫能提供更多國(guó)際合作交流機(jī)會(huì)，有利于提高國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展水平和發(fā)展速度。
而在國(guó)內(nèi)，整個(gè)氫能發(fā)展的政策架構(gòu)已形成，國(guó)家級(jí)氫能規(guī)劃和近40個(gè)省市級(jí)規(guī)劃都已出臺(tái)。國(guó)家級(jí)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035 年）》開始于2021年，時(shí)間跨度為15年；各省級(jí)、市級(jí)氫能規(guī)劃大部分開始于2019—2021年，時(shí)間跨度為5年、10年、15年不等，使得國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)寶貴的初步探路階段。
在這段時(shí)間，國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展以國(guó)家氫能政策中“創(chuàng)新、自立、安全、穩(wěn)慎”等的發(fā)展原則，以免出現(xiàn)冒進(jìn)、失穩(wěn)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(xù)發(fā)展中，國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展將繼續(xù)在戰(zhàn)略政策的引導(dǎo)下，加大深入發(fā)展力度。
1.2 國(guó)內(nèi)氫能技術(shù)自主創(chuàng)新的更多機(jī)遇
從氫能文獻(xiàn)分析，在2020年，國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展初期，氫能技術(shù)以綜述性、整體分析性為主，專業(yè)性技術(shù)分析較少，集中在儲(chǔ)氫、燃電幾個(gè)方面；但國(guó)內(nèi)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(zhǎng)。政策的推動(dòng)與鼓勵(lì)、研發(fā)課題的申報(bào)、投資的加大、國(guó)際合作的加強(qiáng)都對(duì)國(guó)內(nèi)氫能技術(shù)自主研發(fā)提供了空間和機(jī)遇。
在制氫方面，國(guó)內(nèi)制氫廠家具備單套1000Nm³/h堿水制氫裝備的研發(fā)生產(chǎn)能力；單臺(tái)PEM制氫規(guī)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(xiàn)能源高效利用，強(qiáng)化儲(chǔ)能的作用，也是未來(lái)能源發(fā)展趨勢(shì)。
在儲(chǔ)氫方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟的目前主要以車載III型瓶為主，固定式高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要是大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管和鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐相關(guān)技術(shù)比較成熟，但車載IV型儲(chǔ)氫瓶技術(shù)還有待和國(guó)際接軌；國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，民用液氫制取和液氫儲(chǔ)氫技術(shù)仍處于發(fā)展初期，發(fā)展?jié)摿κ恪?/div>
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(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(guó)內(nèi)幾處落成，其效果有待時(shí)間驗(yàn)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(guó)內(nèi)具備整體加氫站技術(shù)及裝備供應(yīng)的實(shí)力，將在此基礎(chǔ)上，加大和上游制氫環(huán)節(jié)，甚至綠電制氫環(huán)節(jié)等聯(lián)合工作，為風(fēng)光電制氫加氫一體站運(yùn)行，提供更豐富經(jīng)驗(yàn)。
在氫燃料電池技術(shù)方面，已取得較大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)單堆300KW，目前正往更大功率、更長(zhǎng)壽命、更長(zhǎng)續(xù)航里程方向積極行動(dòng)。
2.1 氫能安全性的謹(jǐn)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(jié)，還因存在于交通工具的儲(chǔ)存裝置中，甚至將來(lái)和天然氣一樣出現(xiàn)在居民用氣管道和使用終端，其使用場(chǎng)合的多樣性、復(fù)雜性，使得安全考量更加謹(jǐn)慎；
（2） 氫元素作為1號(hào)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(duì)涉氫使用零部件的強(qiáng)度影響，這些自身獨(dú)有的危險(xiǎn)性，增加了對(duì)其安全把控的難度。
（3） 氫原子對(duì)金屬獨(dú)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(jié)和使用環(huán)節(jié)，包括了政策法規(guī)制度、標(biāo)準(zhǔn)體系、產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)、裝備和零部件、管理和操作維護(hù)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)的穩(wěn)定性，氫能標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建和完備，是氫能安全穩(wěn)定發(fā)展的先決條件。氫能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等在保障氫能產(chǎn)業(yè)安全、涉氫環(huán)境安全等方面，將規(guī)定最低的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全底線，也對(duì)于氫能設(shè)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，氫能國(guó)標(biāo)達(dá)89項(xiàng)；當(dāng)時(shí)的氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系包括：氫能基礎(chǔ)、氫質(zhì)量、氫安全、氫工程建設(shè)、氫制備與提純、氫儲(chǔ)運(yùn)加注、氫能應(yīng)用、氫檢測(cè)這8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著氫能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，已有氫能標(biāo)準(zhǔn)體系無(wú)論是從完備性還是從具體內(nèi)容方面，都亟待提高。
2023年8月，國(guó)家六部聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南 （2023版）》，是國(guó)家層面首個(gè)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈體系建設(shè)指南，為氫能標(biāo)準(zhǔn)體系搭建提供指導(dǎo)作用。因此，在目前及未來(lái)，我國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)體系將遵循該指南的科學(xué)、實(shí)用、協(xié)調(diào)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(xì)化、補(bǔ)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(jí)子體系、69個(gè)三級(jí)子體系，但在具體制訂過(guò)程中，將面臨所有氫能環(huán)節(jié)的技術(shù)復(fù)雜性和多樣性的挑戰(zhàn)，還要和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)保持交流和同步，同時(shí)要滿足標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性和可操作性。氫能標(biāo)準(zhǔn)體系的完備制訂，是一件需要國(guó)家級(jí)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(dú)立自主的相關(guān)技術(shù)與裝備，來(lái)替代原有國(guó)外品牌產(chǎn)品，以降低經(jīng)濟(jì)成本和運(yùn)行使用成本，另一方面，需要遵守氫能戰(zhàn)略規(guī)劃和氫能標(biāo)準(zhǔn)，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(wěn)定功能性。
此外，作為涉氫設(shè)備和零部件，在氫環(huán)境中的試驗(yàn)和測(cè)試，還有高壓、低溫等環(huán)境的需求，出于對(duì)安全性的考慮，都受到嚴(yán)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(jì)性等，缺一不可，氫能研發(fā)人員需破冰前行。
（1） 國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展在經(jīng)歷初步幾年歷練之后，逐步進(jìn)入穩(wěn)步、深入發(fā)展階段，國(guó)家氫能戰(zhàn)略政策和氫能標(biāo)準(zhǔn)體系搭建，必然把深入細(xì)化技術(shù)、強(qiáng)調(diào)安全、加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)、貫穿多環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)行技術(shù)、全產(chǎn)業(yè)鏈綜合協(xié)調(diào)發(fā)展等，作為方向，氫能發(fā)展將得到更全面的指導(dǎo)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(jì)性、低能耗性、更強(qiáng)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(guó)際高科技?xì)淠芗夹g(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(jī)遇，但必將面臨技術(shù)高難度和多方面制約的挑戰(zhàn)。
（3） 氫能發(fā)展的安全性必然是首要原則；而經(jīng)濟(jì)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）
