1、 年第 卷第 期氢能专论与综述：编辑 倪桂才 氢能产业发展现状及未来展望赵玉晴，蒋文明，刘 杨（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛）收稿日期：第一作者简介：赵玉晴，中国石油大学（华东）建筑环境与能源应用工程专业本科在读，主要从事氢能储运及氢能产业链等方面研究。通讯作者简介：蒋文明，博士，副教授，硕士生导师，年本科毕业于中国石油大学（华东）油气储运工程专业，年博士毕业于北京工业大学热能工程专业，年至 年挪威科技大学访问学者。主要从事天然气超音速处理与加工、油田污水处理、高黏原油水环输送、输油管道泄漏油品运移特性及防控、土壤石油烃污染与修复、油田 治理、原油凝管解堵等技术研究。基 金
2、 项 目：山 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目（），超音速分离管能量分配特性与旋流对相变凝结过程的影响机理；山东省油田采出水处理及环境污染治理重点实验室开放基金项目（），卧式紧凑型密闭旋流气浮装置流场模拟研究。摘 要：针对氢能具有近乎零排放、易储藏运输及燃烧热值高等特点，在能源革命中被认为是最具发展潜力的清洁能源，对世界各国氢能源行业政策进行了动态分析。从制氢技术原理、优缺点和国内外发展现状等方面阐述了氢能产业链的情况，包括上游氢气制取、中游氢气储运和下游氢气应用的发展状况。结合调研情况，提出了目前氢能产业链中具有发展前景的技术方案，并给出了未来研究展望。关键词：氢能；制氢；新能源；产业
3、链；清洁能源中图分类号：文献标识码：文章编号：（）前言氢能来源多样、应用广泛，清洁环保，被誉为“世纪终极能源”。在碳中和、碳达峰的背景下，大力发展氢能是应对温室效应等气候问题、实现全球“双碳”目标的可持续途径之一。为了改善生态环境，人类逐渐将化石燃料转向更加清洁的能源，如氢能和电能。国际能源署数据预测显示，预计到 年世界能源需求量增长将达到，天然气的需求量将在 年前不断增长，低碳需求不断升高。随着全球能源革命低碳化转型，世界各国纷纷将氢能放在重点位置，中国、美国、日本、英国、南非地区等将氢能产业上升到国家战略高度，发布了多条相关国家政策，不断提高对氢能的扶持力度。氢能产业链包括氢气制备、氢气储
4、运及氢气利用等多方面，具体见图。整体上我国氢能产业链虽然有较快发展，但仍存在着一些关键技术问题，高性能材料依赖进口，氢能下游如加氢站等基础设施不足等问题对我国氢能产业的发展造成了较大的阻碍。图 氢能产业链布局安全、健康环境氢能专论与综述 年第 卷第 期 本文调研了目前全球各国的氢能行业政策发布动态，分析了氢能产业链各个环节的技术原理、优缺点，并且提出了现阶段具有发展前景的氢能产业发展技术方案，并给出了未来研究展望，以期推动氢能行业的技术突破，促进我国能源革命的绿色发展。国际氢能行业政策 国外氢能政策现状当前，世界正面临迫切的能源低碳化转型需求，全球各国对氢能行业的政策发布正在快速推进，纷纷出台
5、了氢能领域的支持补贴、战略规划及法律法规等政策文件。近年来全球数十个国家及地区提出了“碳中和”或者“零碳”等气候目标，各国出台了相关的政策，世界能源转型正加速进行。国际氢能理事会出台的氢能观察 数据统计显示，截至 年 月份，全球已经有 余个国家出台了氢能行业的规划路线图。本文选取美洲的美国，亚洲的日本，大洋洲的澳大利亚，非洲的南非地区，欧洲的英国、挪威等国家和地区作为世界典型国家代表进行了各国家政策分析，具体见表。表 世界多国氢能政策发布年份国家政策名称重点内容美国美国氢经济路线图执行概要规划了 年氢气市场总量、氢燃料电池车保有量美国储能大挑战路线图氢储能作为一种重要的储能技术被提及美国燃料电
6、池电动卡车：加州及其他地区货运活动的愿景到 年建成 个加氢站，万辆氢能重卡上路英国能源白皮书 年建设 低碳氢产能，投资 亿英镑促进氢能等清洁能源研发英国国家氢能战略 年，预计吸引 亿英镑私人投资氢，增加 余个高质量工作岗位 年，英国氢基础占 能源消耗，对实现 年净零排放目标具重要意义挪威挪威氢能路线图到 年，挪威将建立一个生产和使用氢气的市场，年前在海上运输领域建立 个氢气中心，争取建立 个带有相关生产设施的工业项目以及 个氢能试点项目日本氢能与燃料电池战略路线图确定了燃料电池、氢能供应链、电解水制氢 大技术领域 个重点项目研发日本绿色成长战略规划了日本 年氢供给成本、发电成本、最大供给量等澳
7、大利亚澳大利亚国家氢能战略确定了 大目标和 项行动，打造三大氢能出口基地，在氢安全、氢经济和氢认证方面做到全球领先南非南非氢能社会路线图建立绿色氢和氨出口市场；氢能通过向主电网提供储能和供电服务，帮助电力行业实现脱碳、增强电网稳定性 中国氢能政策现状近年来氢能产业在中国获得了前所未有的关注，中央及地方氢能行业政策密集出台。氢能产业经历了 年开始的早期推广阶段，到 年首次在政府报告中被提及，再到“十四五”规划中氢能首次出现在国家五年规划中，氢能产业近年来的政策发展实现了前所未有的快速变化。本文从支持类、规范类、推广补贴类、消纳类 年第 卷第 期氢能专论与综述 等方面对近些年中国出台的氢能行业政策
8、进行了整理，如表 所示。各国政府氢能研发投资综合上述世界多国的氢能政策可以看出，中国、英国、挪威及日本等多个国家表示要加大对氢能的投资力度。国际能源署 统计了世界多国政府对氢能领域的投入研发费用，图 分析了自 到 年美国、欧洲、日本、中国及世界其他地区（）国家的政府投入氢能和燃料电池的研发费用大体占比及趋势。表 中国氢能发展政策动态发布年份类别政策名称重点内容支持类新时代的中国能源发展加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备支持类加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见加强新能源汽车充换电、加氢等配套基础设施建设规范类 年国家标准立项指南围绕燃料电池回收利用等方而开展标准研制 年
9、新能源汽车标准化工作要点推动燃料电池充换电领域相关重点标准研制推广补贴关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知制定了燃料电池车补贴标准推广补贴关于开展燃料电池汽车示范应用的通知提出燃料电池汽车示范应用支持政策消纳类清洁能源消纳行动计划（年）探索可再生能源富余电力转化为氢能消纳类关于建立健全清洁能源消纳长效机制的指导意见（征求意见稿）鼓励建设清洁能源分布式项目，建设综合消纳示范区消纳类中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 年远景目标纲要提出要提升清洁能源消纳和存储能力 由图 可以看出中国在 年开始加大对氢能产业的政府费用投入，美国自 年开始减少了氢能和燃料电池研发费用，日本
10、及欧洲国家对氢能的投入基本保持稳定。美国减少氢能投入主要原因是美国境内有丰富且廉价的天然气，天然气的广泛供应可确保美国的能源安全；且制氢成本高，氢能体系的搭建成本极其昂贵，氢能在美国能源市场中没有很强的竞争力。图 政府对氢和燃料电池的研发预算 氢能产业技术现状氢能产业包括上游的氢气制备、中游的氢气储运及下游的氢气应用，以下分析了产业链各个环节的现状及发展方向，对产业链中不同技术开展对比分析。氢气制备按照制氢方式不同，氢气制取可分为化石燃料制氢、工业副产氢及可再生制氢等方式。氢的不同颜色代表着制氢过程的清洁程度：灰氢是指传统化石燃料制备的氢气，碳排放量巨大；蓝氢是指天然气蒸汽转化、自热重整制备的
11、氢气，使用无碳处理 技术实现了低碳排放生产；绿氢是指使用可再生能源制备的氢气，生产过程中基本没有碳排放。从制备方法、技术成熟度、优缺点等方面对不同制氢方法开展了对比分析，如图 所示。化石燃料制氢化石燃料制氢主要包括煤制氢、天然气制氢、赵玉晴，等氢能产业发展现状及未来展望安全、健康环境氢能专论与综述 年第 卷第 期 石油制氢、甲醇制氢及氨分解制氢等，其技术成熟，适合大规模工业化生产。当前，降低化石燃料制氢中产生的碳排放是全球氢能制备领域所面临的首要挑战。图 氢气制备技术对比 煤制氢鉴于我国“富煤缺油少气”的化石资源特点，国内目前氢气制备大多以煤炭为原料。煤制氢技术成熟，生产成本较低，且煤炭资源丰
12、富，适合大规模生产，但其具有碳排放量高、能耗高及气体杂质多等缺点。未来 年，煤气化制氢仍是制取氢气的主要方式之一，将通过碳捕捉封存技术（）来降低碳排放量，减少环境污染。煤制氢是以煤中的碳来取代水中的氢，最终生成 和。煤中的碳起到还原作用，并且为置换反应提供热量。以煤为原料制取氢气的方法主要有两种，分别是煤的焦化、煤的气化。煤的焦化是在隔绝空气条件下制取焦炭，副产品为焦炉煤气，组成中氢气体积分数为。煤的气化是煤炭伴用 和 为气化剂，经过反应得到主要成分为 和 的气态产品，经分离、提纯获得一定纯度的产品。该技术的工艺过程一般包括煤气化、煤气净化、变换以及氢气提纯等主要生产环节，见图。图 典型煤制氢
13、工艺流程 年第 卷第 期氢能专论与综述 天然气制氢传统化石能源制氢方式中，以天然气制氢最为合理且经济。与煤制氢装置相比，天然气制氢投资低，产率高，排放量、耗水量小，但系统能耗较大，需要减少反应过程能耗损失、改善反应条件，以提高整体环保效应。工业上天然气制氢主要有 种方式：蒸汽转化、自热重整和部分氧化，其中蒸汽转化制氢于 年被首次提出，并成为天然气制氢应用最广的方法。其原理为：在顶烧蒸汽重整炉中，甲烷等碳氢成分产生、和，经热换、冷凝等过程，杂质气体被吸附塔吸附，获得一定纯度的。所得的合成气可经高压、低温，把 转化成和，进一步提高 生产率，纯度可达到.。其整体基本工艺流程是由原料气处理、蒸气转化、
14、变换和氢气提纯 大单元组成，见图。图 天然气制氢工艺流程 石油制氢作为炼油过程中的残余物，重油可用来制造氢气。石油制氢具有原料价格低，成本低的优势。目前国内外已建有大型重油部分氧化法制氢装置。但其存在不环保、碳排放高的明显缺点。现在国内外石油制氢最常用的工艺包括烃类部分氧化法、轻烃水蒸气转化法。烃的部分氧化法：根据所选原料与工艺选择是否采用催化剂，使烃与 及水蒸气在一定的压力下反应生成 和。催化工艺原料以甲烷或石脑油的低碳烃为主，而非催化部分氧化则以重油为原料。重油部分氧化后所得合成气中含硫化物，需脱硫处理后进行变换反应。甲醇制氢甲醇制氢能解决氢能在存储和运输等方面的问题。甲醇制氢分为甲醇水蒸
15、气重整制氢、甲醇裂解制氢和甲醇部分氧化重整制氢。其中甲醇水蒸气重整法技术成熟，应用普遍，具有工艺成本低，工艺流程简单、操作条件方便灵活且温和等优点，但存在碳排放量大的缺点。甲醇水蒸气重整制氢是甲醇与水蒸气通过催化作用，发生甲醇的裂解反应以及一氧化碳的变换反应，生成 和，经过分离得到较高纯度的氢气。氨分解制氢氨在较低压力下即可液化压缩，有利于氢能的储存和运输。氨分解制氢没有 污染，具有环保性好、成本低、设备及工艺流程简单、存储安全可靠的优点，且不会产生碳氧化物，是制取燃料电池用氢的有效途径之一。氨分解制氢主要研究方向为反应催化剂，催化剂主要有钌系催化剂、铁系催化剂、镍系催化剂及各种复合催化剂。工
16、业副产氢工业副产氢包括氯碱副产、焦炉气副产及氨尾气副产等，能够提供大规模廉价氢源。其原料分布广泛，成本低且碳排放量低，是较为经济的制氢方式，可用作燃料电池氢源以解决成本及氢大规模储运等问题。但目前技术受限，氢的纯度较低。可再生制氢 电解水制氢目前全球仅有 的氢气供应是通过电解水方法获得。与传统化石能源制氢技术相比，电解水制氢技术不会生成，无污染，且具有工艺简单，氢气纯度高等优势。但目前主要面临的问题是能耗高、效率低。电解水制氢过程为水通过电流电解在阳极、阴极分别生成 和，的生成量约为 的 倍。根据电解质种类的不同，电解水制氢可以分为碱性电解水制氢（）、质子交换膜电解水制氢（）、阴离子交换膜电解水制氢（）以及固体氧化物电解水制氢（）等，。碱性电解水技术已实现商业化应用。质子交换膜技术显著减小了电解槽尺寸与重量，电流密度更大，缺点是成本昂贵，难以实现大规模工业化生产。阴离子交换膜技术的制氢纯度较高，可承载高电流密度，效率高，灵活性强，但目前该技术仍不成熟。高温固体氧化物电解水技术所需的焓变比低赵玉晴，等氢能产业发展现状及未来展望安全、健康环境氢能专论与综述 年第 卷第 期 温电解技术低，效
