制氢、储氢，全球“拾慧”
导读： 李希雯 刘宜宸 近日，乌拉圭公布首个绿氢工厂项目计划，该工厂将耗资3800万美元，位于乌拉圭西南部里奥内格罗省首府弗雷本托斯市，预计于2026年开始运营。该项目建设内容包括8000块太阳能电池板、1个每小时可生产36千克氢气的2兆瓦级电解槽和1个卡车加气站。 随着全球对清洁能源的需求日益增长，氢能源因其高能量密度和零排放特性，被视为未来能源体系的重要组成部分
李希雯 刘宜宸
近日，乌拉圭公布首个绿氢工厂项目计划，该工厂将耗资3800万美元，位于乌拉圭西南部里奥内格罗省首府弗雷本托斯市，预计于2026年开始运营。该项目建设内容包括8000块太阳能电池板、1个每小时可生产36千克氢气的2兆瓦级电解槽和1个卡车加气站。
随着全球对清洁能源的需求日益增长，氢能源因其高能量密度和零排放特性，被视为未来能源体系的重要组成部分。氢能源的制造方式多样，包括电解水制氢、天然气重整制氢、生物质气化制氢等。氢能源作为一种清洁、高效的能源载体，在全球能源转型中扮演着重要角色，其制造成本及市场价格是决定自身商业化进程的关键因素。
本文旨在探讨氢能源的制造成本构成以及氢能源的储存问题，并提出可以降低成本的合理建议。
国内外制氢方式选择存在差异
国内氢能源制造主要依赖化石燃料重整和水解制氢技术，其中煤制氢和天然气重整制氢占据主导地位。近年来，随着可再生能源的发展，国内电解水制氢技术快速发展。国外在氢能源制造方面更加注重可再生能源制氢，如利用太阳能、风能等进行电解水制氢，在生物质制氢、核能制氢等领域也有所突破。
目前，我国电解水制氢方法的效率只有50%~70%，处于较低水平，而且要消耗大量电能及成本。观察我国氢能源价格，2023年3月7日，长三角氢价格为33.69元/公斤，长三角“清洁氢”价格为34.13元/公斤。再细看国内常见的一些制氢方法及价格，轻烃裂解制氢方法主要有丙烷脱氢和乙烷裂解制氢，轻烃裂解的氢气纯度较高，杂质含量低；副产焦炉气制氢价格一般不高于12元/千克，烧碱副产物制氢等价格一般不高于18元/千克；煤制氢价格约为10元/千克～15元/千克；天然气制氢的价格约为15元/千克～20元/千克。值得关注的是，电解水制氢方法绿色环保，生产的氢气纯度高，但能耗较高，电解水制氢的氢气价格在30元/千克～40元/千克。
在国外，灰氢（通过天然气重整）的成本相对较低，大约在1美元/千克~2美元/千克。绿氢（通过电解水）的成本较高，根据国际能源署（IEA）公布的数据，2020年绿氢的平均成本在3美元/千克~6美元/千克，这主要是因为电解水的电力成本较高。随着电解技术的改进和规模化应用，绿氢的成本正在下降。例如，根据彭博新能源财经（Bloomberg NEF）的报告，到2030年，绿氢的成本预计下降到1.4美元/千克~2.3美元/千克，这主要得益于可再生能源成本的降低和电解效率的提升。
纵观目前全球发展状况，日本在氢能利用和专利拥有数方面位居全球第一，已经实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广；美国氢能专利数排名第二，集中在加利福尼亚州示范应用；韩国已掌握一流技术，目前正在推进关键零部件100%国产化；欧盟氢能产业基础最好，拥有世界级的氢气和燃料电池价值链参与者，以及强大的氢研究机构和完善的计划，特别是德国的优势最为明显。
我国可以向国外学习低成本制氢技术，将风能和太阳能发电与电解水制氢相结合，从而降低制氢成本。电解水是目前最常用的绿氢生产方法，通过提高电解槽的效率，减少能量损失，可以降低生产成本。此外，我们还可以通过优化电极材料来提高电解效率，使用高效的催化剂，如铂、钯、镍基合金等，降低电解过程中的过电位，提高反应速率；改变优化电极结构，采用多孔、纳米结构或复合材料的电极，增加电极的表面积，提高电化学反应的效率；改进电解质离子传导性，使用液态电解质，比如在锂离子电池中使用锂盐溶解有机溶剂中的混合物。固态电解质比如氧化物、硫化物或聚合物基的固态电解质，可以在固态电池中使用，提供更高的安全性和能量密度。同时，凝胶电解质结合了液态电解质和固态电解质的优点，有更好的机械稳定性和离子传导性。
此外，我们还可以优化电解槽设计，使用碱性阴离子交换膜电解水制氢技术，碱性阴离子交换膜电解水制氢技术采用非贵金属催化剂，相较于传统碱性电解水技术成本较低，可达到更高的电解电流密度。大量减少电解槽体积的缺点是，催化剂为贵金属和需要较高的投资成本。这不利于降低制氢成本，但是能减少电能损耗，可以作为一个备用选项。
为了提高电解效率，我们还可以提高操作条件，比如精确控制电解槽的工作电压，过高的电压会导致能量浪费和副反应。这可以在保证电极寿命的前提下，适当提高电流密度，以提高单位面积的产氢速率。此外，建议使用其他制氢技术。得益于风、光等可再生能源资源丰富、电价便宜，欧洲和北美地区的制氢加氢一体站普遍采用碱性水电解（ALK）或质子交换膜电解（PEM）水制氢技术。碱性电解槽结构简单、操作方便、价格较便宜，比较适用于大规模的制氢，但缺点是效率不够高。
美国对氢能产业发展格外重视
美国的氢能政策变化值得研究。2002年，美国能源部发布了《国家氢能源路线图》。这是美国首个全面的氢能源发展计划，旨在推动氢能源技术的研发和商业化。2020年11月份，美国能源部发布了最新版的《氢能项目计划2020》，提出了到2050年氢能满足全美14%能源需求的目标，并强调了氢能全产业链的技术研发。2023年6月份，美国政府发布了《美国国家清洁氢能战略路线图》，旨在加速绿氢的生产、处理、交付、存储和应用，旨在到2030年实现每年生产1000万吨绿氢的战略目标，到2050年每年生产5000万吨。
2023年6月5日，美国能源部宣布加快“清洁氢”的产生和利用。美国新泽西州、康涅狄格州、马萨诸塞州、缅因州和罗德岛州等6个东北部州已组成1个财团，以建立1个区域清洁H2hub（直译，氢气俱乐部），涉及来自各行各业的60多个利益相关者，以实现气候和清洁能源目标。当然，美国也面临氢能源制造成本高等问题。
近期，美国政府宣布利用《两党基础设施法案》提供的70亿美元资金，在全美建立7个地区性绿氢中心。根据这一声明，被选中的7个地区性绿氢中心将催生超400亿美元私人投资，并创造数以万计的高薪工作岗位，从而使该项目的公共和私人投资总额达到近500亿美元。这是美国政府历史上对清洁生产以及相关就业所做出的最大投资之一。
氢储存问题也需重点解决
氢能源的储存也是急需解决的问题。氢能源的储存要考虑储存效率和安全问题。氢气的体积能量密度低，无论是压缩氢气还是液态氢，其储存效率都远低于传统的化石燃料。固态储存技术，如金属氢化物和纳米材料，虽然理论储存密度高，但实际应用中的效率和稳定性仍有待改善。从成本来看，制造储存装置，尤其是液态氢的制备和储存，需要大量的能源和特殊设备。固态储存材料，如金属氢化物和纳米材料的制备成本也较高，且规模化生产技术尚未完全成熟。从安全性来看，氢气具有易燃易爆的特性，高压储存和液态储存都存在一定的安全风险。氢气的泄漏可能导致火灾或爆炸，因此需要严格的安全措施和标准。
对于氢能源储存，我们可以使用物理方式，通过高压气氢、液氢、低温压缩氢、浆氢以及物理吸附等方式进行储存。同时，我们还可以使用低温液氢，这是大规模储运的有效方式。高压气态储氢的单位质量储氢密度为1.0%~5.7%, 在常温和20兆帕条件下的储氢密度为17.9千克/立方米, 每千克仅需2千瓦时的耗电，目前我国电费最高为0.8653元/千瓦时，储运能效超过90%，技术成熟、能耗低、成本低。化学储氢是指将氢储存在有较高储氢能力的化合物中或使氢气与能够氢化的金属/合金相化合, 以固体金属氢化物的形式将氢气储存起来，包括氢化物储氢（金属氢化物、复合氢化物、化学氢化物和间隙型氢化物）、有机液态储氢的体积储氢密度达到60千克/立方米，存储运输方便，储运能效约为85%，可循环使用，但成本高且操作条件苛刻。金属氢化物在适当的温度和压力下可以以固态形式储存氢气，与气态、液态储氢相比更具安全性。
总结来说，氢气可以通过电解水、天然气重整、生物质气化等方式生产。我们可以通过使用更简便的方法并且配合更精湛的工艺来降低氢能源制造的成本。氢气储存主要有3种方式：压缩氢气储存（CGH2）、液态氢储存（LH2）和固态储存（如金属氢化物、化学氢化物和纳米材料），我国的储氢技术研究集中在金属氢化物、碳纳米管等几个方面。未来10年, 高压气态储氢和液态储氢依然是主要的储氢方式，也是接下来值得研究的方向。
《中国冶金报》（2024年11月08日 02版二版）
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