作者：杜忠明，鄭津洋，戴劍鋒，施建峰，花爭立，李博，張彤楓，侯孟婧

 

來源：我國綠氫供應體系建設思考與建議。中國工程科學，2022,24（6）：64-71.

 

編者按：氫氣具有原料、燃料雙重屬性，來源豐富、用途廣泛。在碳中和戰略目標引領下，我國能源生產消費方式逐漸轉向綠色低碳，將推動氫能供應體系逐步以綠氫為基礎進行重塑。綠氫作為新能源供給消納體系的重要組成部分，進一步加強供應體系建設將有助于能源生產消費方式變革。

 

在中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第6期發表的《我國綠氫供應體系建設思考與建議》文章中，闡述綠氫供應體系建設必要性的基礎上，剖析了綠氫供應體系建設面臨的挑戰，如綠氫資源與需求空間分布不匹配、綠氫生產與消費時間特性不匹配、現有體制機制及標準與綠氫供應體系不匹配；凝練了強化氫儲運關鍵基礎問題研究、加快氫儲運技術裝備攻關、提升氫儲運裝備安全檢測技術水平等重點研究方向，力求以氫儲運環節的高質量發展支撐綠氫供應體系建設。文章基于中國氫能聯盟碳中和情景下氫能產業發展研究提出，采用氫電融合發展的系統性思維，統籌構建我國綠氫供應體系；氫儲運是連接上游電解水制氫、下游氫消納應用的關鍵環節，在調節綠氫供需時空錯配、實現綠氫靈活供應方面發揮重要作用。文章建議，注重頂層設計、統籌規劃布局，建設基礎設施、化解時空錯配矛盾，開展試點示范、驅動技術創新，完善體制機制、營造發展環境，以此促進綠氫供應體系高質量建設。

 

 

 

原文如下：

 

一、前言

 

在碳中和戰略目標引領下，能源生產消費體系綠色低碳轉型進程加速。氫氣具有原料、燃料雙重屬性，來源豐富、用途廣泛。《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確了氫的能源屬性，將氫能確定為用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體。工業、交通等終端用能領域在能源消費轉型過程中，對氫能的需求將會顯著增長。

 

氫氣制取技術路線主要有 4 種：基于煤炭、天然氣的化石能源制氫；基于焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業副產氣分離提純制氫；基于新能源、可再生能源的電解水制氫；新型制氫技術，如太陽能光解水制氫、熱化學循環分解水制氫等。利用可再生能源生產的綠氫可規模性地替代化石能源制氫，將有效降低能源生產消費伴生的碳排放。近年來，能源行業積極探索綠氫應用，包括新能源電解水制氫、制氫 / 加氫一體站、燃料電池熱電聯供綜合能源系統等在內的氫能示范工程項目正在實施；新型高效電解催化劑、燃料電池熱電聯供系統優化等成為技術研究熱點。也要注意到，現有的綠氫大規模推廣應用研究多著眼于氫氣制取、氫能利用等單一環節，忽略了系統化綠氫供應體系建設短板對綠氫替代的掣肘。

 

本文從綠氫供應體系建設的角度出發，闡述發展必要性，剖析面臨的挑戰；在辨識氫儲運環節重點研究方向的基礎上提出針對性發展建議，以期為推進綠氫供應體系建設提供技術參照和管理啟示。值得說明的是，在綠氫作為新生力量加入能源行業的發展初期，有必要統籌規劃氫能生產供應體系，促進綠氫加快融入新型能源體系，支撐國家構建新發展格局。

 

二、綠氫供應體系建設的發展態勢與價值

 

（一）氫能供應體系將逐步以綠氫為基礎進行重塑

 

2020年，我國氫氣產能約為4.1×107 t，產量約為3.342×107 t，其中化石能源制氫占比為78%，工業副產氫占比為21%，而綠氫在氫能供應結構中占比可以忽略（電解水制氫占比僅為1%）。在消費側，氫氣主要作為原料用于化工（如合成甲醇、合成氨）、煉油等工業領域（見圖1）。

 

著眼中長期，預計2060年我國氫氣需求量超過1×108 t，氫能占終端能源消費的比重約為20%，主要作為原料、燃料應用于工業和交通領域（分別占需求總量的60%、30%，見圖1）。在碳中和情景下，若基于目前以化石能源制氫為主體的氫能供應體系，氫氣生產的碳排放量預計為1×109 t/a，遠高于碳匯所能中和的碳排放量。因此，在推動實現碳中和目標的過程中，氫能供應體系需逐步以綠氫為基礎進行重塑，輔以加裝碳捕集裝置的化石能源制氫方式，才能改變氫能生產側的高碳格局。預計在碳中和情景下，氫能生產側的綠氫產量為1×108 t/a，在全部氫能中的占比超過80%。綠氫生產總量和占比均逐步提升，在推動氫能供應體系變革的同時，為氫能在能源電力轉型中發揮更大價值創造了條件。

 

 

圖1 | 我國氫氣生產與消費的現狀及預測值

 

（二）綠氫將是新能源供給消納體系的重要組成部分

 

根據我國當前的風能、太陽能資源稟賦進行測算，風電、光伏發電的技術可開發規模超過1.3×1010kW。綜合考慮氫能供應體系低碳化、技術成熟度、與現代能源體系契合度等因素可以認為，采用風電、光伏發電等新能源的電力進行電解水制氫，是最有可能規模化發展的綠氫制備途徑，將逐步成為氫能供應的主要來源。

 

以2060年綠氫需求量計算，新能源發電裝機容量、發電量分別超過22×109 kW、5×1012 kW·h，在總發電裝機容量、發電量中的占比分別超過25%、20%。而根據中國電力企業聯合會的統計數據，有色金屬冶煉是我國目前用電量占比最高的行業，2021年占全社會用電量的比重僅為8.4%。因此，在碳中和情景下，綠電制氫很可能超越金屬冶煉等高耗能工業，成為新型電力系統中最大的單一用電負荷。

 

在中長期開展大規模綠電制氫，將綠氫作為新能源電力的重要轉換形式，推動氫電融合并實現綠電和綠氫的靈活高效轉化，主要有三方面價值。

 

1、發揮氫能連接新能源、終端用能的耦合作用，將新能源電力轉化為物質形態，豐富新能源消納途徑；促進更高比例的新能源應用，滿足下游大規模用氫需求，減少交通等領域對油氣的需求，降低油氣對外依存度。

 

2、發揮氫能長時儲能優勢，解決新能源出力和負荷需求存在的長周期、季節性電量不匹配問題；通過氫能發電為電網提供容量支撐，提升新型電力系統的韌性，改善綠色電力安全可靠供應水平。

 

3、綠電制氫過程中產生的綠氧，可滿足冶金、化工、機械制造等行業的用氧需求。

 

三、我國綠氫供應體系建設面臨的挑戰分析

 

（一）綠氫資源與需求的空間分布不匹配

 

整體來看，用于制備綠氫的新能源資源、綠氫消費需求呈現逆向分布的基本特征。在綠氫生產側，大型風光電基地集中在西北和北部地區的內蒙古、甘肅、青海、新疆、陜西等省份，海上風電基地主要分布在東南沿海地區。在綠氫消費側，關于化工用氫分布，現代煤化工基地規劃布局呈現近煤炭資源的區位特征，以西北能源“金三角”地區為核心、新疆和山西等省份為補充；石油化工規劃布局以七大石化產業基地建設為重點，全部位于在東部沿海地區。根據各省份“十四五”氫能產業發展規劃，交通領域氫能應用布局以北京、上海、廣東、河南、河北五大燃料電池汽車示范應用城市群（以及“以點帶面”拓展形成的產業區域）為主，同樣集中在中東部地區。

 

以氫電融合的形式，統籌規模化輸電和輸氫網絡布局，是破解新能源資源、用氫負荷需求空間錯配的關鍵舉措。考慮終端用氫形式，在局部輸氫基礎設施建設的基礎上，與特高壓輸電結合，共同構建氫電供應網絡體系；積極利用西北地區的風光資源，發揮大電源、大電網優勢，推動綠氫供需在空間上的綠色集約、互聯互通。

 

面向“十四五”時期及中長期，西北地區大型風光電基地的新能源將主要通過特高壓輸電實現遠距離外送中東部地區消納；全國大電源、大電網結構將進一步優化和補強，制氫所需電量可部分采用輸電方式傳輸至中東部地區的負荷中心，實現就地制氫、就地消納。此外，西北地區水資源相對匱乏，大型風光電基地集中的內蒙古、甘肅、青海、新疆、陜西等省份的水資源總量不到全國的10%，采用大規模輸電方式不會因集中式制氫而加重當地的缺水問題。需要指出的是，截至2021年已投運的32個特高壓工程，跨省跨區年輸送電量約為2.4×1012 kW·h；若碳中和情景下制氫所需的5×1012 kW·h電量全部采用輸電方式傳輸，則特高壓輸電線路需成倍增加；鑒于當前特高壓工程站址、線路走廊趨于緊張的現狀，采用大規模輸電方式需結合特高壓網架規劃及線路的外送能力實施。

 

當受端是規模化穩定用氫需求，而送端具備大規模綠電制氫的新能源資源及水資源等條件時，可在異地制取綠氫后通過“點對點”、規模化純氫或摻氫運輸到下游用氫環節。純氫輸送適合大規模穩定用氫、對氫氣純度要求較高的工業用戶，純氫輸送管道本身具備一定的儲氫功能，但當前的純氫輸送成本相對較高。天然氣摻氫利用經適當改造的已有天然氣管道輸送，結合中長期天然氣管網規劃布局實施，更適合下游可直接采用摻氫天然氣的用戶。

 

（二）綠氫生產與消費的時間特性不匹配

 

新能源資源波動性對制氫波動性的傳導、下游連續穩定用氫需求，二者存在時間錯配問題。不同種類制氫設備的技術特點有差別，如堿性電解水制氫裝置的負載上限可達120%，質子交換膜電解水制氫裝置的負載區間為20%——150%。在上游制氫端，制氫設備為了適應新能源發電的間歇性和波動性，僅從綠氫生產側出發難以保證規模化、連續穩定的氫能供應。在下游用氫端，化工、交通等重點領域在中長期逐步實現綠氫替代后，應用場景需要氫能的連續穩定供應。例如，對于煤化工領域3×105 t/a合成氨項目，設計年運行時間一般在7000 h以上，從運行安全、設備壽命、經濟性出發，需要氫能供應滿足不間斷生產的要求；在交通領域，重點城市群的燃料電池汽車規模化發展后，同樣需要依托加氫站建設可靠的供氫網絡，保證氫氣的連續穩定供應。此外，隨著氫能在發電、供暖等領域的推廣應用，氫氣需求將受到季節用能峰谷特性的影響。

 

為了調節綠氫供需的時間錯配，需統籌規劃儲氫基礎設施，將之作為連接上游新能源波動性發電制氫、下游連續穩定用氫需求之間的緩沖器；在新能源發電的高峰時段，用余電制氫以充分發揮氫能的長時儲能優勢，實現上游制氫、下游用氫的解耦。值得指出的是，相比于電儲能，氫儲能可將上游新能源資源轉化為氫能進行存儲，釋能階段輸出的二次能源品種更為靈活，更有利于支撐終端用能的多元化穩定用氫：直接對下游的化工和交通用戶進行規模化、連續穩定供氫，或與電儲能一樣將氫能再轉化為電能輸出，甚至基于氫能供熱或熱電聯產來滿足下游用戶供暖需求；將棄風棄光轉化為氫能并進行跨季節存儲，在降低制氫成本的同時，增強新能源供給適應下游用能需求季節性波動的能力。

 

（三）現有體制機制及標準與綠氫供應體系不匹配

 

現階段的氫能供應以化石能源制氫為主，將氫氣作為原料就地應用于化工、煉油行業，氫氣按易燃易爆危險化學品進行管控。雖然《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確了氫能在能源體系中的定位，但將氫氣作為能源產品，針對可再生能源電解水制氫、規模化氫儲運等的產業垂直管理與安全監管體系有待建設，產業規劃、安全管理等方面的主管機構沒有明確歸口，跨部門協調、跨領域協作機制亟待完善。隨著綠氫供應全產業鏈、各環節逐步從試點示范轉入推廣應用，有關體制機制與產業發展實際不匹配的短板逐步顯現。

 

現行的氫能標準體系主要針對燃料電池和交通領域應用，綠氫供應相關的標準規范制定滯后于行業發展，缺乏工程數據和實踐案例支撐，不協調、不配套的現象較為突出。目前，在綠氫供應中的制氫、氫儲運等環節，統一的技術導則、行業約束標準缺失，而不同企業的電解水制氫、電氫系統集成、管道輸氫等項目差異性較大（如設計技術水平、性能指標、項目驗收、運行維護、服務條款），對比基準不統一等問題嚴重，制約了行業的規范化發展。需要說明的是，綠氫供應體系涉及電能和氫能的接口與耦合，不同于現有標準體系中按照產業鏈條進行劃分的模式；需基于氫氣的能源屬性，系統研究氫電融合相關的標準體系框架，以此保障綠氫供應體系建設需求，切實發揮標準對產業發展的引領作用。

 

四、以氫儲運環節的高質量發展支撐綠氫供應體系建設

 

綠氫供應體系建設面臨的主要技術挑戰包括：規模化、高效率電解水制氫技術，氫電耦合智能調控技術，高安全性、低成本、大規模的氫儲運技術。電解水制氫技術在我國發展時間較長，產業界關注度高，國產堿性電解槽單機制氫量超過1000 m3/h并實現出口，未來研究圍繞提高電流密度、降低直流電耗以增強制氫能力等方面展開；電解槽優化與氫電融合智能調控策略的聯合攻關，也是領域技術的研究重點。

 

氫儲運承擔著連接上游電解水制氫、下游消納用氫的關鍵角色，是調節綠氫供需時空錯配、提升綠氫靈活供應水平的重要保障；相應發展事關氫儲運環節安全、儲運成本降低，成為提升綠氫供應產業競爭力的核心環節。大規模氫儲運技術研究在我國起步較晚，技術儲備、示范應用較為薄弱，運行數據和經驗積累偏少，規范標準體系不健全；雖然我國氫氣產量居世界首位，但氫氣用戶集中在石油、化工等傳統領域，氫氣生產和消耗在區位上通常相鄰，不涉及大規模、長距離輸送問題。因此，氫儲運是我國氫產業鏈發展的短板和弱項，成為氫電融合發展的技術難點；加快氫儲運關鍵技術裝備的研制和產業化，促進綠氫應用成本降低并推動綠氫產業化應用，以此支撐綠氫供應體系建設。

 

（一）強化氫儲運關鍵基礎問題研究

 

氫氣的質量能量密度高（約120 MJ/kg），但標況下的體積能量密度低（約10.8 MJ/m3），降低溫度、提高壓力是實現氫能高效儲運的主要方式。氫儲運分為高壓氣氫、深冷液氫、固態儲氫、有機液體儲氫、液氨、甲醇等形式。

 

長期在深冷、高壓、臨氫條件下運行的氫儲運裝備，其服役性能、損傷及劣化規律相比與常規氣體儲存裝備差異明顯。揭示材料在深冷、高壓、臨氫條件下的性能演化規律與損傷機理，調控服役環境下材料性能，提出創新性的氫儲運裝備設計理念與方法，是開發高性能低成本抗氫材料、保障氫儲運裝備長壽命及安全可靠服役的重要基礎。

 

1、 提升氫儲運裝備材料在極端服役條件下（如-253 ℃液氫、30 MPa以上高壓氫氣）的基礎性能測試與評價能力，支持氫儲運裝備相關的新材料開發、零部件測試與產品認證。

 

2、對于金屬儲氫容器與輸氫管道，探明氫侵入金屬內部的機制及其對材料氫損傷行為的影響規律；對于復合材料輕量化儲氫容器與柔性輸氫管道，研究氫氣環境下聚乙烯、尼龍、橡膠等非金屬材料微觀組織及力學性能演化機制，探明材料、應力與高壓氫耦合作用下非金屬材料的氫鼓包、溶脹等損傷規律及調控方法，為氫儲運裝備選材、設計、制造、維護提供依據。

 

（二）加快氫儲運技術裝備攻關

 

氫氣的規模化儲存主要有高壓氣態儲氫、深冷液態儲氫，規模化的輸運方式主要是長管拖車輸氫、管道輸氫、將氫轉化為氨再進行輸送。在高壓氣態儲氫裝備方向，實現了固定式儲氫高壓容器的自主可控，獨創的鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器技術水平領先；著眼氫能輸送規模的快速增長，研制地下儲氫庫等超大型儲氫裝備，開發高性能、低成本的抗氫材料，以有效降低裝備成本并提高應用經濟性。在深冷液態儲氫裝備領域，形成了噸級 / 天的氫液化能力，氫液化、儲存、轉運的產業鏈；但大規模、高效率的氫液化裝備與技術仍是薄弱環節，液氫泵、加注槍、密封件等核心零部件與材料技術面臨“卡脖子”風險，需加快研制并擴大應用規模。

 

在氫氣規模化輸運裝備方向，國產長管拖車輸氫已具規模，在短距離、500 kg級氫氣輸運方面發揮了積極作用；但輸運效率較低、能耗大，需盡快攻克30 MPa以上輕量化長管拖車輸氫技術。管道輸氫是實現氫氣大規模、長距離、安全經濟輸運的主要方式。在高壓力、大直徑、長距離的金屬輸氫管道方向，國產鋼管在管材與氫氣（或摻氫天然氣）相容性、高強度抗氫性能等方面存在短板；具備耐氫性能的壓力表、安全閥、大流量壓縮機等關鍵零部件未能實現國產化，部件的可靠性、使用壽命、密封性亟需提升。而在中低壓的非金屬輸氫管道方面，國內外均處于起步階段；國內企業擁有柔性非金屬管道知識產權，需加快推進柔性輸氫管道方面的標準制定、設計制造、應用示范。

 

（三）提升氫儲運裝備安全檢測技術水平

 

氫儲運裝備在制造和服役過程中不可避免地存在缺陷或產生損傷，可能在載荷與環境共同作用下失效。氫氣易泄漏、高壓密封難，侵入傳感材料后導致檢測信號漂移，加大高壓氫環境下檢測傳感的難度。國產氫儲運裝備的質量和技術水平不適應氫能產業快速發展的需要，需攻克超高壓、極低溫氫能裝備安全檢測評價技術，建立檢驗檢測、技術實證等平臺；發展氫儲運裝備的缺陷分類方法，分析在高壓、深冷、臨氫環境下的缺陷演化規律，探明缺陷演化對裝備服役性能及失效的影響機制。

 

開發氫儲運裝備的在線檢測與監測技術，對氫儲運裝備制造、服役過程中的典型缺陷和損傷進行檢測與識別，針對結構健康狀態進行診斷評估。改進大容量復合材料高壓儲氫容器制造缺陷的無損檢測、低溫絕熱液氫儲氫容器的絕熱性能喪失與氫氣泄漏快速監測、輸氫管道泄漏檢測及監測、缺陷在線檢測、結構健康狀態診斷等技術，完善氫儲運裝備安全檢測、監測技術等標準。運用信息技術和設備參數實時監測數據，增強設備運行狀態分析能力。開發氫能裝備和應用終端的風險狀態評價與預警工具，形成氫能裝備的性能檢測、試驗方法、標準規范、基礎設施，發展“材料+部件+裝備+系統”的全鏈條檢測與評估體系。

 

五、有關綠氫供應體系建設的發展建議

 

以綠氫為基礎重塑氫能供應體系，不是單一考慮加快發展上游的新能源電解水制氫并逐步替代化石能源制氫，而是統籌綠氫上 / 下游規模化供需和儲運網絡布局，以系統性思維推動氫電融合發展、調節綠氫供需時空錯配。

 

（一）注重頂層設計，統籌規劃布局

 

綠氫供應體系建設是系統工程，應協同推進產業鏈上“制、儲、輸、用”各環節，與新型電力系統建設進程相協調。建議采用氫電融合發展的系統性思維，開展綠氫供應體系頂層設計；統籌全產業鏈的中長期規劃布局，集中式與分布式并舉，大規模、長距離儲運與就地消納利用結合，確保整體資源的優化配置。發揮綠氫供應體系在促進大規模、高比例新能源消納方面的關鍵作用，增強新型電力系統的長時儲能與靈活調節能力，提高整個能源供應體系的魯棒性。

 

（二）建設基礎設施，化解時空錯配矛盾

 

綠氫供應體系供應側、需求側的時空錯配矛盾需要化解。建議依據氫電融合理念，統籌各地區、各領域發展規劃，穩步推動輸電與輸氫、制氫與儲氫相關的基礎設施建設。特高壓輸電線路、氫儲輸系統互為補充，消除新能源資源與用氫需求的空間錯配，實現可再生能源的充分利用，提高綠氫大規模推廣應用的技術及經濟可行性。制氫與儲氫相互協同，開展綠氫供需的時間錯配調節，提升綠氫供應的靈活性和可靠性，為高比例可再生能源接入新型電力系統提供大規模的儲能能力支撐。

 

（三）開展試點示范，驅動技術創新

 

在綠氫供應體系發展初期，市場機制尚未成熟，需要為新技術創造成長環境、提供產業化機遇。發揮領軍企業在產業發展方面的“龍頭”作用，以“產學研用”協調發展模式構建行業技術創新體系。從原始技術創新、單項技術攻關及優化升級、領域技術集成創新三方面著手，把握資源稟賦和能源供需特點，因地制宜開展多類場景、不同規模的試點示范，從而引導甚至驅動技術創新成果的應用轉化落地。

 

（四）完善體制機制，營造發展環境

 

綠氫作為未來新型能源體系中的重要組成部分，相應的管理機制尚不健全，制約綠氫工程項目高效率實施、綠氫供應體系高質量建設。建議論證并修訂審批核準、建設運營、安全監管等行業政策，完善跨部門協調模式，探索碳稅、差別電價、特別路權等綠氫價格補償機制；加快構建多層次、全方位的氫能技術標準體系，涵蓋國家標準、行業標準、團體標準、企業標準。盡快將氫氣按照能源屬性管理，匹配氫能規模化發展、多元化應用的實際需要。