近日，烏拉圭公布首個(gè)綠氫工廠項(xiàng)目計(jì)劃，該工廠將耗資3800萬(wàn)美元，位于烏拉圭西南部里奧內(nèi)格羅省首府弗雷本托斯市，預(yù)計(jì)于2026年開始運(yùn)營(yíng)。該項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括8000塊太陽(yáng)能電池板、1個(gè)每小時(shí)可生產(chǎn)36千克氫氣的2兆瓦級(jí)電解槽和1個(gè)卡車加氣站。

隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)，氫能源因其高能量密度和零排放特性，被視為未來(lái)能源體系的重要組成部分。氫能源的制造方式多樣，包括電解水制氫、天然氣重整制氫、生物質(zhì)氣化制氫等。氫能源作為一種清潔、高效的能源載體，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色，其制造成本及市場(chǎng)價(jià)格是決定自身商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。

本文旨在探討氫能源的制造成本構(gòu)成以及氫能源的儲(chǔ)存問(wèn)題，并提出可以降低成本的合理建議。

國(guó)內(nèi)外制氫方式選擇存在差異

國(guó)內(nèi)氫能源制造主要依賴化石燃料重整和水解制氫技術(shù)，其中煤制氫和天然氣重整制氫占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來(lái)，隨著可再生能源的發(fā)展，國(guó)內(nèi)電解水制氫技術(shù)快速發(fā)展。國(guó)外在氫能源制造方面更加注重可再生能源制氫，如利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等進(jìn)行電解水制氫，在生物質(zhì)制氫、核能制氫等領(lǐng)域也有所突破。

目前，我國(guó)電解水制氫方法的效率只有50%~70%，處于較低水平，而且要消耗大量電能及成本。觀察我國(guó)氫能源價(jià)格，2023年3月7日，長(zhǎng)三角氫價(jià)格為33.69元/公斤，長(zhǎng)三角“清潔氫”價(jià)格為34.13元/公斤。再細(xì)看國(guó)內(nèi)常見的一些制氫方法及價(jià)格，輕烴裂解制氫方法主要有丙烷脫氫和乙烷裂解制氫，輕烴裂解的氫氣純度較高，雜質(zhì)含量低；副產(chǎn)焦?fàn)t氣制氫價(jià)格一般不高于12元/千克，燒堿副產(chǎn)物制氫等價(jià)格一般不高于18元/千克；煤制氫價(jià)格約為10元/千克～15元/千克；天然氣制氫的價(jià)格約為15元/千克～20元/千克。值得關(guān)注的是，電解水制氫方法綠色環(huán)保，生產(chǎn)的氫氣純度高，但能耗較高，電解水制氫的氫氣價(jià)格在30元/千克～40元/千克。

在國(guó)外，灰氫（通過(guò)天然氣重整）的成本相對(duì)較低，大約在1美元/千克~2美元/千克。綠氫（通過(guò)電解水）的成本較高，根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）公布的數(shù)據(jù)，2020年綠氫的平均成本在3美元/千克~6美元/千克，這主要是因?yàn)殡娊馑碾娏Τ杀据^高。隨著電解技術(shù)的改進(jìn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，綠氫的成本正在下降。例如，根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（Bloomberg NEF）的報(bào)告，到2030年，綠氫的成本預(yù)計(jì)下降到1.4美元/千克~2.3美元/千克，這主要得益于可再生能源成本的降低和電解效率的提升。

縱觀目前全球發(fā)展?fàn)顩r，日本在氫能利用和專利擁有數(shù)方面位居全球第一，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)燃料電池車和家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化推廣；美國(guó)氫能專利數(shù)排名第二，集中在加利福尼亞州示范應(yīng)用；韓國(guó)已掌握一流技術(shù)，目前正在推進(jìn)關(guān)鍵零部件100%國(guó)產(chǎn)化；歐盟氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)最好，擁有世界級(jí)的氫氣和燃料電池價(jià)值鏈參與者，以及強(qiáng)大的氫研究機(jī)構(gòu)和完善的計(jì)劃，特別是德國(guó)的優(yōu)勢(shì)最為明顯。

我國(guó)可以向國(guó)外學(xué)習(xí)低成本制氫技術(shù)，將風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電與電解水制氫相結(jié)合，從而降低制氫成本。電解水是目前最常用的綠氫生產(chǎn)方法，通過(guò)提高電解槽的效率，減少能量損失，可以降低生產(chǎn)成本。此外，我們還可以通過(guò)優(yōu)化電極材料來(lái)提高電解效率，使用高效的催化劑，如鉑、鈀、鎳基合金等，降低電解過(guò)程中的過(guò)電位，提高反應(yīng)速率；改變優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，采用多孔、納米結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料的電極，增加電極的表面積，提高電化學(xué)反應(yīng)的效率；改進(jìn)電解質(zhì)離子傳導(dǎo)性，使用液態(tài)電解質(zhì)，比如在鋰離子電池中使用鋰鹽溶解有機(jī)溶劑中的混合物。固態(tài)電解質(zhì)比如氧化物、硫化物或聚合物基的固態(tài)電解質(zhì)，可以在固態(tài)電池中使用，提供更高的安全性和能量密度。同時(shí)，凝膠電解質(zhì)結(jié)合了液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，有更好的機(jī)械穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)性。

此外，我們還可以優(yōu)化電解槽設(shè)計(jì)，使用堿性陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)，堿性陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)采用非貴金屬催化劑，相較于傳統(tǒng)堿性電解水技術(shù)成本較低，可達(dá)到更高的電解電流密度。大量減少電解槽體積的缺點(diǎn)是，催化劑為貴金屬和需要較高的投資成本。這不利于降低制氫成本，但是能減少電能損耗，可以作為一個(gè)備用選項(xiàng)。

為了提高電解效率，我們還可以提高操作條件，比如精確控制電解槽的工作電壓，過(guò)高的電壓會(huì)導(dǎo)致能量浪費(fèi)和副反應(yīng)。這可以在保證電極壽命的前提下，適當(dāng)提高電流密度，以提高單位面積的產(chǎn)氫速率。此外，建議使用其他制氫技術(shù)。得益于風(fēng)、光等可再生能源資源豐富、電價(jià)便宜，歐洲和北美地區(qū)的制氫加氫一體站普遍采用堿性水電解（ALK）或質(zhì)子交換膜電解（PEM）水制氫技術(shù)。堿性電解槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格較便宜，比較適用于大規(guī)模的制氫，但缺點(diǎn)是效率不夠高。

美國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展格外重視

美國(guó)的氫能政策變化值得研究。2002年，美國(guó)能源部發(fā)布了《國(guó)家氫能源路線圖》。這是美國(guó)首個(gè)全面的氫能源發(fā)展計(jì)劃，旨在推動(dòng)氫能源技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化。2020年11月份，美國(guó)能源部發(fā)布了最新版的《氫能項(xiàng)目計(jì)劃2020》，提出了到2050年氫能滿足全美14%能源需求的目標(biāo)，并強(qiáng)調(diào)了氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)。2023年6月份，美國(guó)政府發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家清潔氫能戰(zhàn)略路線圖》，旨在加速綠氫的生產(chǎn)、處理、交付、存儲(chǔ)和應(yīng)用，旨在到2030年實(shí)現(xiàn)每年生產(chǎn)1000萬(wàn)噸綠氫的戰(zhàn)略目標(biāo)，到2050年每年生產(chǎn)5000萬(wàn)噸。

2023年6月5日，美國(guó)能源部宣布加快“清潔氫”的產(chǎn)生和利用。美國(guó)新澤西州、康涅狄格州、馬薩諸塞州、緬因州和羅德島州等6個(gè)東北部州已組成1個(gè)財(cái)團(tuán)，以建立1個(gè)區(qū)域清潔H2hub（直譯，氫氣俱樂(lè)部），涉及來(lái)自各行各業(yè)的60多個(gè)利益相關(guān)者，以實(shí)現(xiàn)氣候和清潔能源目標(biāo)。當(dāng)然，美國(guó)也面臨氫能源制造成本高等問(wèn)題。

近期，美國(guó)政府宣布利用《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》提供的70億美元資金，在全美建立7個(gè)地區(qū)性綠氫中心。根據(jù)這一聲明，被選中的7個(gè)地區(qū)性綠氫中心將催生超400億美元私人投資，并創(chuàng)造數(shù)以萬(wàn)計(jì)的高薪工作崗位，從而使該項(xiàng)目的公共和私人投資總額達(dá)到近500億美元。這是美國(guó)政府歷史上對(duì)清潔生產(chǎn)以及相關(guān)就業(yè)所做出的最大投資之一。

氫儲(chǔ)存問(wèn)題也需重點(diǎn)解決

氫能源的儲(chǔ)存也是急需解決的問(wèn)題。氫能源的儲(chǔ)存要考慮儲(chǔ)存效率和安全問(wèn)題。氫氣的體積能量密度低，無(wú)論是壓縮氫氣還是液態(tài)氫，其儲(chǔ)存效率都遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的化石燃料。固態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)，如金屬氫化物和納米材料，雖然理論儲(chǔ)存密度高，但實(shí)際應(yīng)用中的效率和穩(wěn)定性仍有待改善。從成本來(lái)看，制造儲(chǔ)存裝置，尤其是液態(tài)氫的制備和儲(chǔ)存，需要大量的能源和特殊設(shè)備。固態(tài)儲(chǔ)存材料，如金屬氫化物和納米材料的制備成本也較高，且規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)尚未完全成熟。從安全性來(lái)看，氫氣具有易燃易爆的特性，高壓儲(chǔ)存和液態(tài)儲(chǔ)存都存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。氫氣的泄漏可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，因此需要嚴(yán)格的安全措施和標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于氫能源儲(chǔ)存，我們可以使用物理方式，通過(guò)高壓氣氫、液氫、低溫壓縮氫、漿氫以及物理吸附等方式進(jìn)行儲(chǔ)存。同時(shí)，我們還可以使用低溫液氫，這是大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的有效方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為1.0%~5.7%, 在常溫和20兆帕條件下的儲(chǔ)氫密度為17.9千克/立方米, 每千克僅需2千瓦時(shí)的耗電，目前我國(guó)電費(fèi)最高為0.8653元/千瓦時(shí)，儲(chǔ)運(yùn)能效超過(guò)90%，技術(shù)成熟、能耗低、成本低?；瘜W(xué)儲(chǔ)氫是指將氫儲(chǔ)存在有較高儲(chǔ)氫能力的化合物中或使氫氣與能夠氫化的金屬/合金相化合, 以固體金屬氫化物的形式將氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，包括氫化物儲(chǔ)氫（金屬氫化物、復(fù)合氫化物、化學(xué)氫化物和間隙型氫化物）、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫的體積儲(chǔ)氫密度達(dá)到60千克/立方米，存儲(chǔ)運(yùn)輸方便，儲(chǔ)運(yùn)能效約為85%，可循環(huán)使用，但成本高且操作條件苛刻。金屬氫化物在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο驴梢砸怨虘B(tài)形式儲(chǔ)存氫氣，與氣態(tài)、液態(tài)儲(chǔ)氫相比更具安全性。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，氫氣可以通過(guò)電解水、天然氣重整、生物質(zhì)氣化等方式生產(chǎn)。我們可以通過(guò)使用更簡(jiǎn)便的方法并且配合更精湛的工藝來(lái)降低氫能源制造的成本。氫氣儲(chǔ)存主要有3種方式：壓縮氫氣儲(chǔ)存（CGH2）、液態(tài)氫儲(chǔ)存（LH2）和固態(tài)儲(chǔ)存（如金屬氫化物、化學(xué)氫化物和納米材料），我國(guó)的儲(chǔ)氫技術(shù)研究集中在金屬氫化物、碳納米管等幾個(gè)方面。未來(lái)10年, 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫依然是主要的儲(chǔ)氫方式，也是接下來(lái)值得研究的方向。