一直以來(lái)，氫能和儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要手段，并且其產(chǎn)業(yè)化正步入快速發(fā)展時(shí)期。新能源通過(guò)氫能和儲(chǔ)能的形式滲透至電力、交通、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行深度脫碳，氫能與儲(chǔ)能的共性關(guān)鍵技術(shù)可以進(jìn)行協(xié)同研發(fā)攻關(guān)，但其產(chǎn)業(yè)化仍需要醞釀。

碳中和已成為了人類社會(huì)應(yīng)對(duì)全球氣候變化達(dá)成的共識(shí)，世界各國(guó)都在積極采取措施努力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。氫能既是清潔零碳的新能源，又是重要的儲(chǔ)能載體，具有燃料與原料的雙重屬性，是碳替代的重要手段。

隨著新能源的大發(fā)展，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，風(fēng)電、光伏等可再生能源的比例將大幅度攀升，但其間歇性和波動(dòng)性容易使得發(fā)/用電匹配失衡，電力系統(tǒng)可調(diào)容量、慣量下降。儲(chǔ)能是高比例的可再生能源接入電網(wǎng)后，維持電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的必然選擇。在全球碳中和的時(shí)代背景下，氫能與儲(chǔ)能的交叉、融合發(fā)展，將迎來(lái)巨大發(fā)展前景。

氫能在新型電力系統(tǒng)中的作用

氫能作為一種清潔靈活的二次能源，在新型電力系統(tǒng)中可作為電力介質(zhì)的載體，實(shí)現(xiàn)氫-電靈活轉(zhuǎn)化。氫能也是廣義上的能量存儲(chǔ)形式之一，如圖所示，在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中，氫儲(chǔ)能可與新型電力系統(tǒng)高度耦合，克服新能源電力儲(chǔ)存的難題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)周期、跨季節(jié)儲(chǔ)能，支撐新能源成為新型電力系統(tǒng)的低碳能源。

↑ 各類儲(chǔ)能技術(shù)的自放電時(shí)間與單元規(guī)模

氫氣作為能源載體，本身并不含有碳元素，其是否能發(fā)揮脫碳作用取決于其生產(chǎn)方式。根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（International Renewable Energy Agency, IRENA）報(bào)道，按照氫氣的來(lái)源，可以將其劃分為綠氫、藍(lán)氫和灰氫。其中，通過(guò)可再生能源電力電解水制取的氫氣為綠氫，這一過(guò)程中沒(méi)有二氧化碳（CO2）的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)100%綠色氫氣生產(chǎn)；通過(guò)化石燃料制取氫氣（如天然氣裂解制氫、含氫工業(yè)尾氣提取氫氣等），產(chǎn)生的CO2會(huì)被捕集、存儲(chǔ)并被利用，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)CO2零排放，生產(chǎn)的氫氣被認(rèn)為是藍(lán)氫；而通過(guò)化石燃料生產(chǎn)氫氣，產(chǎn)生的CO2直接排放到大氣中，生產(chǎn)的氫氣稱為灰氫。從碳中和目標(biāo)的角度而言，要實(shí)現(xiàn)脫碳，綠氫是最終的選擇。

根據(jù)IRENA的預(yù)測(cè)，如按照《巴黎協(xié)定》約定的將本世紀(jì)全球氣溫升幅控制在1.5攝氏度以內(nèi)，到2050年全球需要5太瓦可再生能源電力用于生產(chǎn)綠氫，折合約4億噸綠氫。而根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟的報(bào)道，2030年我國(guó)的氫氣需求量在3715萬(wàn)噸，2050年則達(dá)到6000噸，在我國(guó)的終端能源體系中的比重將超過(guò)10%。

現(xiàn)階段，由于電解水制氫的成本相對(duì)于化石燃料制氫仍然較高，直接推廣使用綠氫仍缺乏經(jīng)濟(jì)性，因此氫能的推廣是從減少灰氫過(guò)渡到以藍(lán)氫為主，最終將廣泛采用綠氫。除了政策與市場(chǎng)，綠氫的生產(chǎn)成本是其規(guī)?；闹卮笞枇?。綠氫成本的兩大組成部分包括可再生能源電價(jià)與電解水裝置。新能源規(guī)模的擴(kuò)大與發(fā)電技術(shù)進(jìn)步會(huì)使可再生能源電價(jià)逐步降低。2021年，全球光伏發(fā)電最低中標(biāo)電價(jià)1.04美分每千瓦（折合人民幣約0.066元每千瓦，沙特），而我國(guó)光伏發(fā)電最低中標(biāo)電價(jià)約0.147元每千瓦（四川甘孜）。但僅依靠降電價(jià)并不能使綠氫相比于藍(lán)氫更具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，還需要提高電解水技術(shù)成熟度及降低其電解槽的生產(chǎn)成本。

目前，全球有四種主流的電解水技術(shù)，包括堿性（Alkaline）電解水技術(shù)、質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）電解水技術(shù)、陰離子交換膜（Anion Exchange Membrane，AEM）電解水技術(shù)和固體氧化物（Solid Oxide）電解水技術(shù)，如圖所示，其中堿性和PEM的商業(yè)化成熟度較高，盡管AEM和固體氧化物擁有巨大的發(fā)展前景，但是其仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，僅有少量企業(yè)和原型機(jī)制造商在推動(dòng)其生產(chǎn)制造及商業(yè)化。

↑各種商業(yè)化電解水技術(shù)的類型

根據(jù)對(duì)全球電解水技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)，四大類電解水技術(shù)現(xiàn)階段的研究成果（以2020年為例）和未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)（以2050年為例）具有比較明確的指標(biāo)和攻關(guān)方向，如下表所示。

↑ 各類電解水技術(shù)現(xiàn)階段性能及未來(lái)研發(fā)目標(biāo)

可再生能源大規(guī)模發(fā)展可以為綠氫的生產(chǎn)提供大量的廉價(jià)能源，并且隨著電解水技術(shù)的不斷成熟，綠氫的生產(chǎn)成本將快速下降。盡管部分領(lǐng)域可以采用綠電（可再生能源電力）進(jìn)行替代實(shí)現(xiàn)碳減排，但是冶金、化工、水泥的生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的高品位熱能（溫度高于400攝氏度），這部分熱能難以采用電氣化的方式來(lái)解決，這些難減排領(lǐng)域則適用氫能替代。因此，綠氫也為可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展提供廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。宜電則電、宜氫則氫、電氫耦合將是能源應(yīng)用體系發(fā)展的新形勢(shì)。

綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)路線

綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括交通、建筑、電力、工業(yè)等領(lǐng)域，如圖所示。其中交通領(lǐng)域是目前氫能應(yīng)用的主要領(lǐng)域。綠氫是各經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域深度脫碳的重要實(shí)現(xiàn)路徑，同時(shí)各經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的大規(guī)模用氫也將進(jìn)一步促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

↑ 綠氫的應(yīng)用場(chǎng)景

●交通

氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展使氫能可以廣泛應(yīng)用于公路交通、軌道交通、船舶、航空等各種交通領(lǐng)域。氫能源汽車是人們最熟悉的氫能應(yīng)用場(chǎng)景，其在國(guó)際上應(yīng)用已非常廣泛。截至2021年，全球各類氫燃料電池汽車保有量已經(jīng)達(dá)到近四萬(wàn)輛，乘用車、公交車、物流車、叉車等多種氫燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。隨著氫能源交通技術(shù)的進(jìn)一步完善和普及，氫能交通的市場(chǎng)發(fā)展前景在不斷壯大。

●電力

氫能在電力領(lǐng)域的應(yīng)用主要依托燃料電池技術(shù)。其中，固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）是發(fā)電領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的燃料電池，也是未來(lái)大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對(duì)象。集中式可再生能源發(fā)電方案可以將周邊的氫氣運(yùn)輸?shù)桨l(fā)電站進(jìn)行發(fā)電，并利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電力輸配。分布式發(fā)電一般是指靠近終端用戶的小型發(fā)電裝置，其具有發(fā)電技術(shù)種類多、發(fā)電規(guī)模高度可控、設(shè)備安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，可為工商業(yè)和住宅的電力需求提供靈活解決方案。目前，以SOFC為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始初步商業(yè)化。我國(guó)分布式電源技術(shù)正在加緊應(yīng)用示范推廣，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降，不斷推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程。

特殊電源主要依托質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）技術(shù)，包括通信基站、數(shù)據(jù)中心的備用電源和應(yīng)急電源車等。

摻氫/純氫燃?xì)廨啓C(jī)也是基于氫能發(fā)電清潔能源系統(tǒng)的一部分，如今國(guó)際上關(guān)于富氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的研究與應(yīng)用已有較多的業(yè)績(jī)，全球掌握比較領(lǐng)先技術(shù)的企業(yè)包括日本三菱重工、美國(guó)通用電氣和德國(guó)西門子。

氫能發(fā)電可用來(lái)解決電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源電力并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，有利于提高電網(wǎng)安全性和靈活性，大幅度降低碳排放。傳統(tǒng)的抽水蓄能在儲(chǔ)能領(lǐng)域中占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)，氫儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能技術(shù)也在不斷發(fā)展。眾多燃料中，單位質(zhì)量氫氣的能量密度高，具備規(guī)模大、響應(yīng)快、可實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)能的特點(diǎn)，是少有的能夠儲(chǔ)存百吉瓦時(shí)規(guī)模能量以上的儲(chǔ)能方式，極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

隨著氫能在終端能源消費(fèi)體系中的占比逐漸升高，氫能作為電力儲(chǔ)能介質(zhì)，將發(fā)揮連接可再生能源與電力的紐帶作用，成為新型電力系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。與此同時(shí)，電力網(wǎng)絡(luò)和氫能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同優(yōu)化，不僅有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)碳減排、增強(qiáng)氫電耦合體系的時(shí)間和空間靈活性。

↑ 氫電耦合能源輸送系統(tǒng)

●建筑

建筑領(lǐng)域主要針對(duì)滿足電和熱的需求，基于SOFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng)是主流場(chǎng)景。日本的家用燃料電池發(fā)展領(lǐng)先于世界，目前其家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的安裝量已達(dá)數(shù)十萬(wàn)套。其次，摻氫供熱和純氫供熱技術(shù)也在不斷研發(fā)。現(xiàn)階段天然氣管道內(nèi)摻入3%以內(nèi)的氫氣對(duì)新建的天然氣管道無(wú)影響，終端用戶設(shè)備燃燒方式不變。

氫能社區(qū)是實(shí)現(xiàn)氫能“制-儲(chǔ)-輸-用”綜合應(yīng)用的重要方式，是開(kāi)拓氫能燃料電池分布式能源和智慧能源產(chǎn)業(yè)的新途徑，也是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。

2019年日本率先建立了全球第一個(gè)氫能社區(qū)。我國(guó)2021年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃也重點(diǎn)支持氫能社區(qū)綜合示范，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2021年，廣東佛山在南海區(qū)規(guī)劃投資80億元打造全國(guó)首個(gè)“氫能進(jìn)萬(wàn)家”智慧能源示范社區(qū)，推廣可再生能源互聯(lián)互通的智慧能源型城市建設(shè)。

●工業(yè)

工業(yè)領(lǐng)域包括化工、冶金等，氫氣在其中主要扮演原料和燃料的角色。工業(yè)用氫的消費(fèi)量巨大，僅是存量灰氫的綠氫替代就是巨大的市場(chǎng)。

目前，95%以上的氫氣仍作為原料用于煉化行業(yè)加氫精煉以及化工行業(yè)合成氨、合成甲醇等。未來(lái)，氫氣作為化工原料仍將是其主要用途，但是氫的來(lái)源將從目前以化石能源制氫為主即“灰氫”向可再生能源電解水生產(chǎn)的“綠氫”轉(zhuǎn)變。綠氫化工（綠氫替代灰氫）是實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)深度脫碳的重要途徑。

無(wú)機(jī)化工中，綠氫應(yīng)用主要是合成氨；有機(jī)化工中，綠氫應(yīng)用除了石油煉化、合成甲醇，還應(yīng)用于與CO2合成高端化學(xué)品，如下表所示。

↑ 中國(guó)的二氧化碳加氫合成化學(xué)品研究進(jìn)展情況

冶金工業(yè)也是碳排放大戶，焦炭作為還原劑使用是冶金行業(yè)高碳排放的重要原因。當(dāng)前全球75%的鋼鐵來(lái)自高爐還原工藝，采用焦炭作為還原劑，高爐還原過(guò)程的碳排放量占整個(gè)煉鋼流程的90%。氫能冶金的原理是利用氫氣的高還原性，將氫氣替代煤炭作為高爐的還原劑，以減少乃至完全避免鋼鐵生產(chǎn)帶來(lái)的碳排放。

隨著鋼鐵行業(yè)CO2減排壓力日益增大，日本、瑞典、德國(guó)等國(guó)紛紛探索應(yīng)用氫冶金技術(shù)并取得一定進(jìn)展。我國(guó)相關(guān)鋼鐵企業(yè)也在積極布局氫冶金項(xiàng)目。氫能冶金是鋼鐵行業(yè)碳減排的必然路徑，也是鋼鐵產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代的標(biāo)志。

全球的工業(yè)供熱需求巨大，并且90%以上依靠化石燃料，而工業(yè)供熱需求近一半是高品位熱能。盡管可再生能源電力可以滿足低、中品位熱能的需求，但是冶金、化工、水泥等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中高品位熱能則需要?dú)淙剂蟻?lái)替代。因此，工業(yè)供熱也是綠氫的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。

氫能和儲(chǔ)能的共性關(guān)鍵技術(shù)

抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能（包括液化空氣儲(chǔ)能）以及氫儲(chǔ)能是具備大規(guī)模儲(chǔ)能能力的儲(chǔ)能技術(shù)。抽水蓄能電站受到地理?xiàng)l件的限制較為苛刻，并且我國(guó)可再生能源資源集中的地區(qū)往往其水資源也比較有限，無(wú)法滿足抽水蓄能電站的建設(shè)需求，因此，我國(guó)抽水蓄能的發(fā)展?jié)摿⒉粩鄿p小。壓縮空氣儲(chǔ)能與氫儲(chǔ)能的儲(chǔ)能容量大、壽命長(zhǎng)，隨著其技術(shù)的進(jìn)步和完善，具有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)階段，壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)較為成熟，我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能的示范項(xiàng)目也正在不斷布局。氫儲(chǔ)能，尤其氫液化工藝與壓縮空氣儲(chǔ)能（包括液化空氣儲(chǔ)能）工藝具有較好的耦合性，耦合工藝可以進(jìn)行能量的梯次利用以提高聯(lián)合工藝的整體能效，如圖所示。此外，這兩類儲(chǔ)能技術(shù)具有相同的關(guān)鍵設(shè)備，如壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、換熱器等，如表所示。因此可以進(jìn)行協(xié)同研發(fā)攻關(guān)，形成互相促進(jìn)的產(chǎn)業(yè)格局。

↑ 液氫耦合液化空氣工藝流程圖

↑ 壓縮空氣儲(chǔ)能、液化空氣儲(chǔ)能與氫液化工藝的關(guān)鍵設(shè)備對(duì)比

壓縮空氣儲(chǔ)能與氫儲(chǔ)能（地下儲(chǔ)氫）的建設(shè)條件也具有高度相似之處。壓縮空氣儲(chǔ)能是利用電能將空氣壓縮至高壓并存儲(chǔ)在地下洞穴（高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等）或壓力容器中。國(guó)外也已開(kāi)展利用地下洞穴進(jìn)行氫氣儲(chǔ)存的研究，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)成熟，其在地質(zhì)勘探、洞穴密封性、環(huán)境保護(hù)等方面可作為發(fā)展地下儲(chǔ)氫的重要借鑒。

氫能在新型工業(yè)系統(tǒng)中的作用

氫氣在工業(yè)上的應(yīng)用早已非常廣泛，如下圖所示。化石燃料制氫是氫氣資源的主要來(lái)源，包括煤制氫、天然氣制氫等，綠氫的比例極低，不足1%。氫氣作為工業(yè)原料用于合成氨、合成甲醇、石油煉化等，其作為燃料直接燃燒用于工業(yè)供熱的比例也近15%。因此，在工業(yè)中綠氫取代灰氫或者藍(lán)氫也具有相當(dāng)大的規(guī)模和潛力。常規(guī)的電力來(lái)源于化石能源，但是會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的碳排放及環(huán)境污染，在碳中和的發(fā)展原則下，尤其國(guó)家鼓勵(lì)新能源電力“能建盡建、能發(fā)盡發(fā)”，新能源電力的比重將不斷增大，其也將以綠氫作為載體應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

↑ 我國(guó)的氫氣生產(chǎn)及消費(fèi)結(jié)構(gòu)圖

↑ 綠氫在工業(yè)上的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)估算，我國(guó)2020年氫氣的消耗總量在3500萬(wàn)噸左右，其中綠氫約50萬(wàn)噸；而到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，我國(guó)氫氣的消耗總量將達(dá)到1.3億噸，其中綠氫的規(guī)模也將達(dá)到1億噸。綠氫替代無(wú)疑是工業(yè)領(lǐng)域降低碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和的重要抓手。

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和，可再生能源的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，但是鑒于其波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)，并不能全部以電能的形式融合到電力系統(tǒng)中。儲(chǔ)能可以快速、大規(guī)模地在電網(wǎng)側(cè)、發(fā)電側(cè)、用戶側(cè)全面發(fā)展，有利于保障新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。氫能也是廣義上的儲(chǔ)能，其具備燃料與原料的雙重屬性，是新能源滲透工業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)其低碳轉(zhuǎn)型的重要介質(zhì)。新能源通過(guò)電解水制氫的形式轉(zhuǎn)化成綠氫，對(duì)工業(yè)領(lǐng)域中的用氫場(chǎng)景進(jìn)行替代（綠氫替代灰氫），并解決無(wú)法通過(guò)綠電替代減碳的場(chǎng)景。

氫能與儲(chǔ)能都是現(xiàn)在與未來(lái)明確的發(fā)展方向，并具備巨大的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景，現(xiàn)階段，兩者面臨的共同問(wèn)題是技術(shù)不夠成熟、工程示范經(jīng)驗(yàn)不足、利用成本高昂等。除了政策和資金的支持，應(yīng)該更關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和核心裝備的研發(fā)，基于可靠的成套技術(shù)，合理布局，有序進(jìn)行工程應(yīng)用示范，積累運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步與成本降低。