俞红梅：到2050年电解制氢将增长12倍

“目前的电解氢到2020年基本上是5%，到2050年它的占比是62%，12倍的增长。也就是说，至少在目前用氢的需求下，电解制氢的增长是10倍或者是更多的增长。”中科院大连化物所俞红梅在SNEC国际储能和氢能与燃料电池（上海）技术大会上发言。

直播专题：SNEC第十五届(2021)国际太阳能光伏与智慧能源(上海)大会

俞红梅：我现在跟大家分享的是，今天来的是很靠近太阳能的展会，我是做氢的，今天终于把氢和可再生能源有要结合的趋势了。氢能，氢不仅仅是一个能量载体，用氢和做氢也不是新鲜的事情。我们开始从柴到煤炭、石油天然气，我们不知不觉地逐渐地减少碳的用量，增加氢的用量，这已经是一个不争的事实，我们要讨论的是未来的若干年是不是要完全摆脱碳作为能源载体这样一个角色，有没有可能把氢既作为一个化工原料，又来做一个能源载体。

如图，左边是美国DOE提出来的。右边是国内用得比较多的图。我们可以发现这两个图之间有一个共同点，氢是作为一个核心元素，它的来源可以从风光、水、核能过来，制完以后可以作为能源载体或者是冶金、交通、建筑、发电来用。所以氢的角色非常明确的体现了它是能量载体和物质原料的特性。

前面有电网的同仁讲电网和氢的关系，实际上在我们生活中用的是两张网，一张网是电网，另一张网是氢网。以往储能关注的点是储的是电，能源基本上等同于电，如果氢进入以后，其实并不仅仅是电，它还有可能从电之外到化工领域，化工冶金、水泥建材的行业。作为第一号元素，氢的重要性慢慢体现出来了。氢从哪里来？讲到了灰氢、蓝氢、绿氢，从定性的概念来讲，从煤炭或者是化石能源制氢，没有加二氧化碳的捕获和利用，我们称之为灰氢，如果把二氧化碳捕获利用以后，颜色变得好一点，所以是蓝氢。如果没有任何二氧化碳排放的话就是绿氢，这是国际上最早期的颜色的划分。今年我们国家中国氢能联盟做了一个定量分析，也就是说在制氢过程中排出多少二氧化碳，定性地划定了低碳氢、清洁氢和可再生氢。水制氢毫无疑问属于绿氢。如果是能源载体的话，煤或者木柴烧的时候不在乎它的纯度是多少，只要能够取暖发电就好了。如果作为物质的角色来讲，氢的原料就有纯度的问题了。燃料电池主要以氢为反应物，氢可多可少，但是万万不可有一些硫的化合物或者氮化物，这是比较强的毒物，如果氢直接用来作燃料电池，就需要比较高深的纯化过程，对于氢的品质要求还是比较高的。

我们来看全球目前氢气的生产和应用状况。全球氢气生产过程中，为了特殊目的制氢是三分之二，剩下三分之一是工业副产氢。右图可以看到，有一多半要求是纯氢，而不是可以混杂其他杂质的氢，对于目前现有的工业应用，氢的纯度超过50%需要纯氢。最近几年全球氢能计划不断地涌现出来，特别是在欧洲超过55%的氢能计划在欧洲进行实施的，现在亚洲也逐渐地赶上来。通过欧洲的努力，在欧洲大地上他们预计在2025年，蓝氢和绿氢应该差不多。到2030年绿氢将要赶上灰氢的价格，这样可以预期在2030年绿氢从制造成本上，它和灰氢是相当的。也就是说，经济上可用。

氢制备出来以后，氢的储运是一个问题，氢目前仅仅是用高压处灌运氢，或者用天然气管道掺氢运输。比如电解质掺到甲烷里面对氢是拉低的作用，现在欧洲在策划和制造、铺设纯氢管路的规划，这就为未来纯氢的输送奠定了一定的基础设施的基础。

从氢的用途来讲，制成纯氢以后可以做成各种燃料。如果氢直接应用的话，效率是62~87%，这个数据是来自于UK的气体管道分析的报告。如果转化为合成天然气或者合成燃料的话，最高60%，正好达到纯氢的最低线。如果纯氢能得到很好的利用的话，在能量效率上还是比较划算的。

讲到电解制氢现在有几种技术，流行比较流行的是液体制氢，经济成本比较吸引眼球，欧洲相当一部分是纯水制氢，其中一个原因是国外碱水制氢经济成本在里面起到很大作用。碱水制氢目前用的是多孔膜，氢气和氧气分别在阴极和阳极有可能成为两种气体混合的媒介，这样在波动性情况下，碱水制氢不是特别得适用，所以碱水制氢接入可再生能源的话要加储能的原因。目前有质子交换膜和阴离子交换膜正在得到产业界的重视。

这是三年前碱水制氢、质子膜制氢、PEM制氢的状况，可以看到，三年前碱水制氢在国际上还是比较多的，但是也注意到PEM制氢的量在减少。全球PEM制氢可以看到，在欧美的示范项目里比较大的兆瓦项目还是以PEM为主，国内做的家数不多，只有寥寥几家，尺度达到了一兆瓦。非常有意思的是，国外PEM制氢厂家里面，NEL公司原来是做碱水制氢，收购一家公司以后同时做两条技术路线。从整个技术发展来看，国内和国外PEM制氢都是原有对于宇航员的呼吸用氧和潜艇员呼吸用氧发展的。70年代有一个小型的发展，2000年国内的规模尺度和国外差不多。在过去十年，国内在规模化方向上速度慢了一点。最近在一两年内，速度又开始加速，比如我们所最近完成了兆瓦级电解制氢的单元模块的示范，现在正在安徽电网进行安装。在国外兆瓦级项目里面，现在也是用兆瓦的模块进行叠加组合，进行规模化制氢。

从技术角度来讲，技术将来是否可用跟大家分享一下。从技术角度讲，PEM制氢现在专利技术一多半在日本企业手里，四分之三在欧美和研究机构里面，中国企业和研究所占不到20%。PEM制氢关键材料里面有催化剂，是核心的催化剂，这个催化剂是酸性的电解质，目前的催化剂还是局限于贵金属催化剂，因为它对稳定性有很高的要求。其次是质子交换膜，燃料电池发展过程中，也带动了质子交换膜的发展，PEM制氢的质子交换膜可以借用燃料电池现有产业链进行修改或者升级。PEM制氢最关键的是，它的活性和贵金属单量。下面这一行是目前在商业电解制氢产品里面用到的是毫克级的Ir黑和白金。从研究结果来讲，目前还没有用到商品上面。

另外一个关键部件是双极板，燃料电池单节电压不会超过1.0伏，电解制氢反应的起始电位是1.5伏，对于极板的要求比燃料电池高。整个部件叠加起来，PEM制氢的特点可以比较快速地响应可再生能源的波动性，比较好的跟动。整体来讲，如果要发展PEM制氢的话，要从关键材料、部件到系统集成，到批量制造都要有所顾忌。

可以看到，从前面的技术路径来讲，里面的电解槽的成本一多半在双极板和催化剂上，双极板和催化剂的技术进步将为电解制氢是否可用，或者是否可以经济的用是一个很好的技术支撑。从产业规模上来讲，对贵金属的储量还是有所担忧的。举一个例子，这个数据我是拿日本人的数据，也就是说它在催化剂的用量从1.5毫克到0.2毫克每平方厘米的情况下，常规的电极制备不可以忍受大幅度催化剂载量的降低，但是如果改变电极的结构，用0.2毫克的催化剂和0.8毫克的催化剂比较接近，稳定性长期也没有问题。这是我们所最新的研究结果，我们把贵金属催化剂做成包覆性的电极，高效地利用了催化剂的分散性，这样一个分散性如果用比较低的传统的方法做电极，和用包覆性的电极用四分之一的量就可以达到传统电极的性能，它的稳定性也要远远超过传统电极，所以目前我们可以把它的用量降到四分之一或者更低。

我们看将来对氢的需求，这是欧盟去年发布的到2030年全球氢气增长的预测。到2030年低碳氢和可再生氢的需求比现在几乎是一个非常抖的指数性的上升，2020年和2021年的绿氢几乎没有，到2030年几乎四分之一到一多半是绿色氢和可再生氢。

最后借用半个月前国际能源署发布的2050年报告里面的两张图，其中一张图预测了全球的氢气和氢相关的燃料的应用，从现在到2050年的变化趋势。我们看到里面包括了冶炼、炼钢、化工以及交通应用的氢的状况。整个氢的用量是指数性的上升。

具体来讲不用看别的，看红圈的部分，从目前的电解氢到2020年基本上是5%，到2050年它的占比是62%，12倍的增长。也就是说，至少在目前用氢的需求下，电解制氢的增长是10倍或者是更多的增长。通过这样的产业化和规模化，可以回顾原来的太阳能在过去15年的发展，产业化规模化对它的成本的降低，将起到多大的拉动作用。

通过这样的工作，我们可以预期通过可再生能源发电，氢和可再生能源发电绿氢结合起来做绿氢，为碳中和做一点事，我们可以维护地球更蓝更绿，谢谢！

（发言为北极星氢能网根据速记整理，未经本人审核）