中国的氢能技术正迅猛发展，逐渐成为全球氢能产业的关键参与者。目前，中国不仅是世界上最大的氢气生产国，其年产量超过3000万吨，约占全球总产量的三分之一。尽管目前中国的氢气生产主要依赖化石燃料，但随着对清洁能源的日益重视，氢气供应未来将更多地转向可再生能源。预计到2050年，大约70%的氢气将由可再生能源制取。在制氢技术领域，中国的氢气生产方法主要分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢，作为由化石燃料制得的氢气，虽然在成本上具有优势，但其碳排放量较大；蓝氢同样源自化石燃料，但通过碳捕获技术以减少排放，尽管如此，该技术尚未完全成熟；绿氢，通过可再生能源进行电解制得，虽然环境友好，但目前成本较高。目前我国正积极开发多种技术，包括碱性水解、质子交换膜（PEM）电解和高温电解等。这些技术通过电解水制氢，有望在未来实现大规模的清洁氢气生产。此外，太阳能、风能、水能、地热能和生物质能等可再生能源的利用，为电解制氢提供了丰富的能源潜力。在政策支持方面，中国政府已经将氢能发展纳入国家战略，多个省市在“十四五”规划中提出了氢能发展的目标和计划。这些政策的推动，加上技术的进步和成本的降低，预计将进一步促进中国氢能产业的发展。1 从化石燃料中生产灰氢
灰氢主要由碳基燃料（煤、生物质和甲烷）通过液化、重整、热解或气化过程制成，并伴有二氧化碳排放。
从化石材料中制氢需要非常高的温度，因为破坏碳氢键需要高能量。生物质的化学结构比煤或石油简单。作为农业大国，中国拥有巨大的生物质资源储量，这使得生物质制氢比化石燃料更具优势。如表2，使用高能效和高氢的水电解或热解水生产绿色氢气的成本比生物质制氢技术更昂贵。
总体而言，中国目前的氢气生产在技术成熟度和成本方面以灰氢技术为主。然而，考虑到灰氢的原材料是化石能源，使用灰氢发电不会减少碳排放。因此，生产零碳排放氢气仍然是未来氢能应用的核心问题。蓝氢是由工业副产品或天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整生产的.虽然天然气是一种化石燃料，在蓝氢生产过程中会产生温室气体，但生产过程使用碳捕获、利用和封存（CCUS） 等先进技术来捕获温室气体并实现低排放生产。简而言之，蓝氢以灰氢为基础，利用 CCUS 技术实现低碳制氢。甲烷重整是一种广泛采用、经济实惠且高效的氢气生产方法。目前，市场上大部分氢气均通过天然气重整技术获得。甲烷重整制氢技术主要包括五种：蒸汽甲烷重整（SMR）、甲烷部分氧化（POM）、干法重整甲烷（DRM）、甲烷自热重整（ATR/MATR）以及催化甲烷热解（CMP，亦称甲烷催化分解MCD）。这五种技术的主要差异在于它们所使用的反应物以及与甲烷反应的条件。在蒸汽甲烷重整（SMR）过程中，甲烷与700至1000摄氏度的蒸汽反应，生成氢气。在制氢中，CCUS 技术通常与化石燃料相结合，以实现低碳排放和减少温室气体排放。然而，引入 CCUS 会增加从化石燃料生产氢气的成本。尽管如此，CCUS 可以很好地集成到现有的能源系统中，并且比可再生能源生产绿色氢的成本更低。
图1 CCUS技术环节
碳捕集、利用与封存（Carbon capture, Utilization and Storage, CCUS）是将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，并直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排，是应对气候变化、实现碳中和的关键技术。随着我国“双碳”目标的提出及碳减排工作的推进，CCUS技术研发和部署受到高度重视，处于快速发展阶段，未来有望形成具有技术经济性的新兴产业。碳封存技术涉及注入捕获的 CO2通过工程手段进入深部地质储层，实现与大气的长期隔离，采用封存方法分为陆上和海上封存。例如，齐鲁石化-胜利油田项目是中国第一个百万吨级 CCUS 项目。此外，诸如将燃煤电厂与生物质混合燃烧和实施 CCUS 等策略进一步强调了在保持能源可靠性的同时减少排放的方法。因此，中国需要逐步提高碳价，以推动 CCUS 等低碳技术的广泛采用，从而实现更高的减排目标。增加碳税也将有利于氢能等清洁能源的发展。更高的碳价格使可再生能源和低碳技术在经济上具有竞争力。“氨—氢”转换技术是一种新兴的氢能储运解决方案，它通过将氢气与氮气反应生成氨（NH3），利用氨的高储氢密度和易于液化的特性来解决氢气储运难题。氨气在常温常压下为气态，但在-33℃时可以液化，相比氢气（需要低于-253℃）更容易液化，因此同体积的液氨比液氢多至少60%的氢，这使得氨成为一种有效的储氢介质。中国的氨年产量为 200 亿吨，约占世界总产量的25%，是世界领先的氨生产国。氨分解制氢技术主要分为三种类型的氨热裂解技术：电催化分解氨技术和等离子体驱动氨裂解技术，其中氨热裂解技术是目前市场上的主流路线。催化分解氨技术受制于催化剂的成本，在新催化剂出现之前，经济效益较差。江等人表明虽然氨制氢和氨燃烧都显示出相当大的前景，但需要解决几个问题：高性能低温低压氨合成和安全低温氨分解催化剂和反应器技术，动态聚集和控制技术，以及高效集成和智能控制技术。
图2 氨制氢加氢站典型工艺流程 （来源：中国石化官网）
《氢能行业标准体系构建指南（2023年版）》突出了与氢气分离、净化、水电解制氢以及光催化制氢相关的标准。中国政府设定了一个宏伟目标：到2030年，建立一个以清洁能源为基础的制氢供应体系，并广泛采用可再生能源制氢技术。这一战略的核心在于全力推进绿色氢能的发展。绿氢是通过利用太阳能、风能或地热能等可再生能源来生产的。与传统的灰氢和蓝氢不同，绿氢被视为一种环保且可持续的能源选择，因为它在生产和使用过程中不会释放温室气体。为了制造绿色氢气，必须先通过热能、光能或电能将水分子分解为氢气和氧气。这一过程必须依赖可再生能源来提供所需的能量。绿氢是实现可持续发展和减少碳足迹的关键组成部分。可再生能源的融合在降低对化石燃料的依赖、减少碳排放以及应对气候变化方面扮演着至关重要的角色。截至2022年底，中国可再生能源发电的累计装机容量达到了1.213亿千瓦，同比增长约14.1%。特别值得注意的是，这一容量占到了总装机容量的47.3%，这充分展示了中国在推动可再生能源发展方面的显著重视。图3揭示了中国在2021年、2022年以及2023年（截至2023年9月）的可再生能源产能情况。
图 3.中国主要可再生能源的能源生产能力
我国主要依赖大坝的水电占中国可再生能源发电量的 05.2022%，其次是太阳能和风能，分别占 32.4% 和 30.09%。与 2021 年相比，太阳能和风能的份额有所扩大;太阳能最终将超过风能，成为仅次于水电的第二大可再生能源。对 2023 年的预测表明，太阳能可能会成为最大的可再生能源发电形式，其次是风能。尽管水电的份额可能会略有下降，但预计其整体容量将增加。这一趋势源于中国政府的政策，包括太阳能补贴、税收优惠和能源规划，这些政策促进了光伏和风力发电的发展。然而，可再生能源本质上具有可变性和间歇性。例如，中国吉林省的统计数据揭示了可再生能源站点在电力浪费方面的问题，常常有数十兆瓦的电力被弃置不用。
图4.（a） 风氢耦合系统吸收的功率波动;（b） 光伏-氢耦合系统吸收的功率波动
弃风和弃光现象对发电的经济效率造成了显著影响，并对可再生能源的可持续发展构成了严峻挑战。然而，能够产生氢气的可再生能源，随后用于燃料电池发电，已经作为一种解决方案浮出水面。通过将未利用的可再生能源转化为氢能，重新利用这些资源成为了一个充满希望的途径。因此，将可再生能源与氢技术相结合，提供了一个应对这些挑战的可行策略。水电解涉及利用电能将水分解成氢气和氧气。这个过程通常发生在电解槽中，电解槽由浸入电解质溶液中的电极组成。当电流通过水溶液时，水分子分解成氢气和氧气。目前，使用的主要电解槽类型是 AWE、质子交换膜 （PEM） 和 SOEC，如图5所示。
图 5.电解水过程的基本原理
表 5表明 SOEC 在电解槽能耗和系统转换效率方面都表现出最有利的结果，其次是 PEM，AWE 表现出相对较差的性能。然而，SOEC 所需的高工作温度和持续的研究不成熟限制了它们目前的商业化。AWE 凭借其成本效益取得了商业成功。
表 5.主要水电解制氢技术
方法AWEPEM SOEC电解 质20–30% KOHPEM 系列Y2O3/ZrO2工作温度 （°C）40–9020–100600–1000电解槽能耗 （kWh/m3)4.5–5.53.8–5.02.6–3.6电解槽价格 （RMB/kW）2000–30007000–12000/系统转换效率 （%）60–7570–9085–100根据自 2020 年中国提出碳中和目标以来的最新研究，涉及非贵金属催化剂材料的 AWE 和 PEM 解决方案可以降低系统资本成本。然而，由于堆叠电解槽的成本较高，PEM 仍然不如 AWE 经济，总成本高出三到四倍。此外，与依赖进口的 PEM 相比，AWE 在中国的完全本地化大大降低了其成本。通过减少薄膜厚度、重新设计催化剂涂层电极和使用具有成本效益的催化剂材料，可以提高 PEM 电解槽的性能。最近的研究表明，阴离子交换膜 （AEM） 使用低成本材料和腐蚀性较小的稀碱性溶液或蒸馏水，从而降低了运营成本。与 PEM 系统相比，AEM 在较低的温度 （50-70 °C） 和压力 （1-30 bar） 下也能高效运行，而 PEM 系统最高可达 76 bar。AEM 的电流密度为 0.2–0.4 A/cm2，电池电压为 1.8–2.2 V，可实现与 PEM 相当的性能，同时结合了 AWE 的成本优势。因此，AWE是中国商业上最成熟的产品；然而，进一步降低PEM 电池成本仍然是一个重要的研究方向。绿色氢气与电解槽相结合以减轻电力废弃已得到广泛研究。Okundamiya 将光伏（PV）技术与水电解相结合的仿真模型来生产氢气，并将其用于氢燃料电池系统。优化后的设置包括一个 54.7 kW的光伏组件、7 kW的氢燃料电池和 3 kW 的水电解装置，这些都是通过数学优化确定的。氢燃料电池以 70% 的效率运行，将发电成本大幅降低了 88% 以上，每年每千瓦时从 2.52 日元降至 0.30 日元。这种设置实现了发电的零碳排放，并解决了依赖环境条件的可再生能源固有的间歇性挑战。通过水电解制氢的预期迈出了重要一步，在中国兴化港成功进行了试点测试，将海水电解与海上风电相结合。
图6.光伏耦合水电解制氢系统模型示意图
综上所述，中国在利用电解质耦合氢技术降低可再生能源发电成本方面走在世界前列。热化学水分解制氢主要利用太阳能或核能发电或其他可再生能源的余热作为热能输入。许多中国研究人员一直对研究这项技术感兴趣，该技术基于热量破坏水中的氢键形成氢和氧的原理。然而，由于氢氧键的高能量，需要超过 2500 K 的温度。研究人员通过拆分反应步骤降低了温度极限;因此，最常见的热化学制氢方法是两步法 （ZnO/Zn）、三步法 （V-Cl）甚至多步法（Mg-Cl、Cu-Cl）。
图 7.两步 ZnO/Zn热化学循环图
Cu-Cl和 Mg-Cl方法，尤其是 Cu-Cl热化学循环，因其成本效益和在较低温度下利用工业余热的能力而前景广阔。值得注意的是，Cu-Cl 循环在 78 °C 的中等温度下表现出令人印象深刻的 2.5% 的能源效率，使其成为一种可行且环保的热化学氢气生产方法。从本质上讲，对多级热化学制氢方法的进一步研究有可能加强优化两个关键参数：能源效率和工作温度。此外，中国发达的化学工业使热化学循环能够促进绿色氢经济的发展，并有望在未来降低生态和经济成本。考虑到制氢的成本和工业生产规模，最成熟和成熟的制氢方法是煤气化和甲烷蒸汽重整。电解水制氢是目前中国政府大力推动的发展方向。比较中国和全球的制氢技术表明，中国灰氢、蓝氢（无 CCS）和绿氢的成本较低，而 CCS 的成本高于国际成本。此外，同种技术中国的碳排放量较低。
表 6.制氢技术比较
类型科技能源效率 （%）H2产量（g/kg feedstock)成本（¥/kg H2)碳足迹（CO2-eq/kg H2)中国国际中国国际灰氢煤气30–6040–1907–117.1–21.417.8–21.622–26SMR 型74–8540–1309–189.3–45.08.9–9.810–13蓝氢使用 CCUS 进行煤气化30–6040–1909–2010.7–25.71.0–2.22.6–6.3带 CCS 的 SMR74–8540–13013–2410.7–51.40.5–0.61.5–6.2 CCS（捕获率 93 %）−−2–91.4–6.4−−绿氢水电解（风力发电）55–8011120–6224.3–85.70.3–0.80.5相较于蒸汽甲烷重整（40–130 g/kg feedstock）技术和水电解技术（111 g/kg feedstock）的制氢速率，化石能源气化原料的制氢速率介于 40-190 g/kg feedstock之间。此外，与蒸汽甲烷重整制氢（9–18 ¥/kg H2）和水电解（20–62 ¥/kg H2）的成本相比，通过化石燃料燃烧产生的氢气是成本最低的制氢技术。然而，将灰氢与碳捕集与封存（CCS）技术相结合，会使氢气生产成本提高20-34%。
图8.不同氢能技术的成本比较
毫无疑问，灰氢的碳排放量最高。煤气化产生 20-26 CO2 -eq/kg H2的碳排放，直接通过天然气水蒸气重整的总碳排放量为 10-13 CO2-eq/kg H2。结合捕获率为 93% 的 CCS 技术，灰氢 CCUS 的排放量减少到 2.6–6.3 CO2-eq/kg H2，碳排放量减少 76-88%。通过可再生能源（风能）电解水生产氢气，碳排放量仅为 0.5 CO2-eq/kg H2。由于水电解预计将成为中国生产氢气的主要方法，因此降低这一过程的成本非常重要。可再生能源装机容量的增加将降低电解水的电力成本，以及水电解关键技术（例如催化剂和 PEM）的开发将推动水电解制氢。总之，对中国制氢技术的比较揭示了不同的格局，每种方法都有明显的优缺点。主要由煤炭和天然气生产的灰氢仍然是最成熟且最具成本效益的，但其碳排放量很大。采用 CCS 技术的蓝氢提供了一种排放更低的过渡解决方案。适当的碳定价可以促进 CCUS 等低碳技术的广泛采用，清洁能源的发展也将受益。使用可再生能源生产的绿氢是可持续氢气生产的最终目标。未来的研究应侧重于开发具有成本效益的绿色氢气生产方法，例如水电解和光催化工艺的进步。此外，改进 CCS 技术以使蓝氢生产更具经济可行性也至关重要。《国际碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展战略与技术布局分析》《国际碳捕集、利用与封存科技战略与科技发展态势分析》《Comprehensive review of development and applications of hydrogen energy technologies in China for carbon neutrality: Technology advances and此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。