从绿氢到金氢—迎接零碳排放氢能的新纪元

当前，全球气候变化对国际能源形势产生了极为重大的影响，清洁、低碳或零碳排放已经成为世界新能源发展的主流方向。

国际能源署发布的预测报告显示，到2070年全球对氢的需求将达到5.2亿吨。作为应对气候变化、加快能源转型的重要举措，越来越多的经济体越来越重视发展氢能产业。

来源：北极星氢能网 作者：夏风博士 于美国波士顿

国际氢能委员会近期发布的报告还显示，2021年2月以来，全球已启动131个大型氢能开发项目。预计到2030年，全球氢能领域的总投资将达到5000亿美元。世界能源理事会预测，到2050年，氢能将占全球最终能源消耗的25%。世界氢能产业发展如火如荼，各国氢能应用范围不断扩大，规划战略也在陆续公布。

截至2020年底，全球已有约70个在建的绿氢项目，其中GW级项目已超20个。近几年，美洲、欧洲、亚洲、大洋洲的主要经济体竞相出台各种氢能战略。

2021年上半年，我国氢气产量同比增加了25%，其中利用新能源制氢的比例同比提高了30%。

美国能源部2021年提出在10年内实现绿氢成本降低80%的目标，从目前的每公斤5美元降至1美元每公斤。

虽然氢能在新能源转型中的潜力倍受关注，但全球制氢的最主要原料是化石能源。目前，全球氢气年产量约为7000万吨，其中76%以天然气为原料，剩余部分（23%）几乎都以煤炭为原料，水电解法制氢仅占1%。

目前，我国已经是世界上最大的氢能生产国和消费国。全球投入运营的煤气化厂达130座，其中80%位于我国。国家能源集团拥有煤气化炉80座，年产氢气总量达800万吨，约占全球氢气总产量的12%。然而，在中国有超过60%的氢来自于完全属于灰氢的煤制氢，也就是说，它是通过地球上污染最严重的技术获得的。

尽管氢是地球上最丰富的化学元素，宇宙的75%物质都是氢，然而，人们在地球上少有发现大规模独立存在的地下氢气资源。它一般只与其他化学元素结合而存在，如与氧气结合的水或与碳结合的有机化合物，如天然气。所以氢通常不被看成为一种基础能源，而是作为一种类似于电的能量载体，也就是说，它像电力一样，需要通过物理或化学过程来产生它。

人们针对不同的制氢方法建立了一种颜色命名法，用来分辨氢提取过程是否是可持续的。当今大多根据制氢的主要过程分为绿色、蓝色或灰色等色标的氢气。

蓝色氢气主要由天然气结合蒸汽重整的工艺生产，该工艺将天然气和热水以蒸汽的形式结合在一起。产出的是氢气和二氧化碳，后者则通过工业碳捕获、利用和储存（CCUS）项目捕获。CCUS项目试图通过转移捕获的CO2埋入地下洞穴，比如废天然气和油井（由于其引发地震的风险程度不明，迄今没有大规模成功实施的案例），或者为捕获的CO2气寻找工业用途。然而，蓝氢也许可以更好地描述为“低CO2”氢，因为蒸汽重整过程实际上并不能避免温室气体的产生。

灰色氢本质上是任何从化石燃料中产生的氢，但并不捕获过程中产生的温室气体。它取决于使用的碳氢化合物及其释放的二氧化碳量，它也可以被称为棕色氢或黑色氢。如果它是由褐煤制成的，很可被称为棕色氢，如果它是由黑煤制成的，则很可能是黑色氢，尽管也有人称任何由化石燃料制成的氢为黑色或棕色氢。200多年来，煤总是通过“气化”过程制造氢气。目前，不含CCUS的蒸汽重整天然气产生的灰色氢气约占所有氢气产量的76%，而煤的气化制氢则占了其余的大部分。

粉氢指的是通过核能电解产生的氢。也有人用黄氢来指通过太阳能的能量来驱动化学反应产生的氢。 最后，白氢是指在地下矿床中发现的天然地质氢，据称可通过水力压裂提取，尽管目前还没有可行的开采策略。

然而，目前最为受到人们青睐的是绿氢----主要指采用可再生能源驱动的水电解制氢，它一直被人认为将是21世纪的石油，也是社会对液体和气体燃料需求脱碳的主要或唯一的途径。基于绿氢技术，人们可通过电解槽利用太阳能等再生能源驱动电化学反应将水分解成氢和氧，在此过程中达到零碳排放。毋庸置疑，自20世纪20年代以来，水电解得到了广泛应用，首先是碱性技术（TA）水电解器，然后是质子交换膜（PEM）系统。绿色氢气目前占总氢气产量的比例不到1%，然而，不幸的是，近百年来，水电解制氢的成本一直居高不下。迄今为止，在实际工业操作中，考虑水的纯化脱盐等过程，目前的所有电解水制氢工艺制取一公斤氢气总耗电量大约为50~55 kWh，成熟的碱水电解制氢的成本需要30-40元/kg-H2。 以大工业电价均价 0.61 元/ kW·h 计算，当前电解水制氢的成本为 3.69 元/Nm3，相当于煤制氢成本(0.87元/Nm3-H2)和天然气制氢成本（1.1元/Nm3-H2）的大约四倍，成本仍过于高昂,缺乏市场竞争性。

据测算，目前绿氢项目的固定成本中，有三分之一属于工程、项目管理、风险成本。虽然光伏发电的成本很快可以降到最低，但由于光伏发电只有1000多小时的利用小时数，采用光伏制氢在成本上也存在着无法克服的困难。因此，综合考虑电解槽成本、电价和运行时间三个因素，绿氢的高昂的制造成本和不稳定的电价可能永远是一个挥之不去的梦魇。实际上，业界已经认识到，试图用不稳定，且不连续的可再生能源驱动高成本水电解槽稳定持续地生产绿氢，从而取代传统稳定的煤炭、天然气和石油，几乎无法成为一个可行的目标。

然而，科学界一直在思考，如何通过某种特殊催化材料分解水提取氢气，并尽量避免氧气的生成，从而减少完全分解水分子所需要的能耗，那么就有可能达到真正的大规模生产绿色氢气的目标。

最近，美国HWT的科学家正在发展另一类绿氢计划---“金氢”计划，并且已经获得显著的进展。基于这个低能耗“金氢”技术，可通过特殊催化材料部分分解水资源产生氢气，从而减少分解水的能耗。该技术可利用不同的连续加热源（如，工业余热、废热蒸汽、低谷电和各种地热），提供连续稳定的可转化能源，在不同的温度,通过加热催化材料，驱动水分子催化部分分解生产氢气，降低了能耗。该水热催化过程不同于电解过程，不需要碱性电解质，只要用过滤的清水，即可以达到低能耗生产。基于这项技术，水热催化制氢的成本（已经接近大约1美元/kg-H2的美国能源部目标）相当于当前天然气制氢和煤制氢成本，经济上非常具有竞争力，并且可以达到零碳排放。利用该技术，人们可以让过滤的海水或河水流入特制的催化反应器以较低的能耗部分分解水连续提取其中氢气，并通过燃料电池或燃氢发电机发电。由于此技术可以随时随地用水制氢，有望最大限度地避免使用不安全的高压储氢罐和高压输氢管道，最终构造一个安全、低成本和零碳排放氢能和氢能发电系统。

目前美国的科学家正在开发大规模水热催化制氢及发电与供暖一体化系统。据悉，未来建造一个100万千瓦的水基氢能发电系统，总投资成本有可能约为50~80亿元。相比之下，目前建造一个100万千瓦的燃煤发电厂总投资也要大约50~80亿元。但由于海水免费，不需要采购煤炭，也不会排放任何二氧化碳和硫-氮氧化物污染，只排放水蒸气，发电成本将非常低廉，永久绿色可持续，环保效益巨大。

在2020年，中国年发电量为74170亿千瓦时，燃煤电厂占93%，每年碳排放达68亿吨（燃煤电厂的CO2排放量约0.76~0.92kg/kWh）。假设发电时间为8000小时，则有9.27亿千瓦的发电机组服役。假如未来十五年有一半电厂替换成海水或河水热催化制氢及氢能发电系统，则全国需要新建464座100万千瓦级的海水或河水氢能发电厂，水基氢能发电设备的总产值将达到9280亿元，每年可减少碳排放约34亿吨。如果海水氢能电力并网价为0.30元/kWh，则每年产值大约为11125亿元。若碳指标的市场价格为50元/吨，每年销售34亿吨碳指标的额外收益可达到1700亿元，年总产值可达12825亿元。假设中国的自然森林植被可以吸收发电产业产生碳排放的50%，用海水氢能发电机组取代全国一半的燃煤发电机组，必然也减少50%碳排放，则中国的电力行业有望在未来二十年左右时间达到碳中和。

尽管目前许多光伏企业也瞄准“光伏制氢”，以期解决光伏电力的消纳问题，但光伏发电的波动性和随机性较大，以及发电设备的低抗扰性和弱支撑性给电网带来高效消纳、安全运行的挑战，实际上，以光伏电力为基础发展绿色氢能的方向是不现实的。

理想的做法是发展金氢技术，摒弃脱离现实的以光伏为基础的绿氢发展方向，利用稳定的工业废热和绿色资源实现大规模水热催化生产氢气。

未来，“金氢+绿电”将成为全球实现碳中和的长远发展方向。一方面，可以在能源供给侧和消费侧完成“煤炭+石油+天然气”向“金氢电气化”的转换；另一方面，还能借助“金氢与水储能”，建立全新的零排放绿色能源供应。

多年来，水制氢绿氢发展的本质问题是能耗和成本问题，但以水热催化制氢为基础的金氢技术已经解决了高能耗和成本问题，下一步需要全新政策推动、全新产业整合和全新市场优化方式推进，在未来15年期间，在全国各地大规模推广水热催化制氢系统及氢能发电厂，彻底摆脱国民经济对煤炭、石油和天然气的依赖，开创中国零碳排放氢能的新纪元。