【制氢篇】:灰氢、蓝氢、绿氢,谁拥有未来?

日期: 2022-04-27

【制氢篇】:灰氢、蓝氢、绿氢,谁拥有未来?


3月23日,国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,《规划》确定了氢能清洁低碳发展原则,提出构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系,重点发展可再生能源制氢,严格控制化石能源制氢。

【制氢篇】:灰氢、蓝氢、绿氢,谁拥有未来?

在氢能利用途径中,制氢是前提。我国是世界上最大的制氢国,年制氢产量约3300万吨,其中,达到工业氢气质量标准的约1200万吨。在制氢环节,目前国内制氢以化石能源制氢、工业副产氢为主,太阳能制氢、生物质制氢等技术处于研究和示范阶段。按照碳排放量的不同来分类,氢能制备可分为灰氢、蓝氢和绿氢。


灰氢:氢能产业起步阶段



制备技术成熟,但长期不可取


定义:一般来说,利用化石能源如煤炭等制取的氢气,制备过程会产生大量一氧化碳、二氧化碳、甲烷等碳排放产生,故将其称之为灰氢。


国家能源集团以煤化气制氢碳排量为基准来确定特定限值即以煤化气制氢的碳排放量29.02 kg CO₂/kgH₂为基准。




工艺:灰氢制备技术成熟,通过气化技术将煤炭转化为合成气,再经水煤气变换分离处理以提取氢气。


优缺点:制备方法成本较低,操作方法简便,所需设备较少,可满足大规模化制氢要求,是国内生产的主要氢气类别,缺点是在制取过程中会排放大量二氧化碳污染环境,目前所生产的氢能基本全部用于工业领域。


发展趋势:尽管在当下的技术条件下,灰氢制取已规模化,但由于生产过程排放大量二氧化碳污染环境,被视为不完全清洁的“灰氢”,因此长期来看灰氢路径并不可取。


蓝氢:氢能产业过渡阶段




存在局限性,短期具备发展空间




定义:蓝氢,是在灰氢制备过程中采用无碳的技术手段,通常指生产过程中所产生的的温室气体排放值低于14.51kg CO₂e/kgH₂。


工艺:主要由天然气等化石燃料产生而来,通过碳捕捉、碳封存等技术进行处理所得,是氢能产业的过渡阶段。




优缺点:蓝氢具有两个明显的优势,一是电力需求较低,第二是融入了碳捕获与储存(CCS)技术。因此区别于灰氢,蓝氢的生产无需以可再生能源的强劲增长作先决条件,并且生产过程碳排放量较低。但由于蓝氢制取的资本支出和运营成本高昂,需要有天然气供应,且CCS技术需要相对罕见的地质条件,因此蓝氢推广受限。


发展趋势:作为一种能源策略,蓝氢只有在有可能无限期地长期储存二氧化碳,而不泄漏回大气的前提下才能被称为清洁能源,实际上蓝氢只是在向绿氢过渡阶段的产物,从成本角度看,也很难有持续性降低。


绿氢:氢能产业终极形态




2030年左右电解水制氢将成有效供氢主体




定义:绿氢则是可再生能源通过电解水方式制备的氢气,通常指生产过程中所产生的的温室气体排放值低于4.90 kg CO₂e/kgH₂。


优缺点:其制备过程环保无碳,且氢气纯度高、杂质含量少,但受到目前技术及制造成本限制,实现大规模应用还需要时间。




工艺:电解水制氢是目前最主要的制取绿氢的方法,在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,即可分解成氢气和氧气,整个过程可实现零排放,具有工艺简单、无污染、氢气纯度高等优势,是氢能的终极形态。


【制氢篇】:灰氢、蓝氢、绿氢,谁拥有未来?

发展趋势:水电解制氢技术作为制取氢气的重要方法,尤其利用可再生能源电解制氢是目前规模化制取绿氢的唯一方法,具有广阔的市场前景。


根据中国氢能联盟统计,到2030年氢气年均需求约3500万吨,煤制氢配合CCS技术,可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体。目前水电解制氢主要有三种技术路线,分别为碱性电解水制氢(AWE)、质子交换膜电解水制氢(PEM)和固体氧化物电解水制氢(SOE)。



PEM电解水是绿氢最佳制备方式




在水电解制氢的三种技术路线中,碱性电解水制氢是目前规模最大、商业化程度最高的电解水制氢技术,国内单台最大产气量为1000立方米/小时,其生产成本较低,然而其受限于电流密度低、动态响应差,导致其产氢速率低、与可再生能源适配性差。


固体氧化物水电解槽采用水蒸气电解能效最高,但其所需高温条件和启动慢等劣势严重限制其应用场景,尚处于实验室研发阶段。


质子交换膜电解水制氢技术具有结构紧凑、恒定电解质浓度、波动能源适应性强、冷启动快等优点,非常适合以风能、太阳能等可再生能源产生的波动能量为基础,形成动态、高效、清洁的氢气制备工艺,将电能转化为氢能高效储存实现未来全球能源脱碳,因此是制氢的最佳结合方式。目前国内单台质子交换膜电解槽最大产气量为50立方米/小时,因使用贵金属电催化剂等材料成本偏高,尚未规模化应用。


【制氢篇】:灰氢、蓝氢、绿氢,谁拥有未来?

国PEM电解水技术正从研发向工业化过渡



中国仅有三个商业化规模的电解水制氢项目




2020年宝丰能源集团投产建设的太阳能电解水制氢综合示范项目为是目前已知全球单厂规模最大和单台产能最大的电解水制氢项目,具备年产3万标方/小时绿氢产能。该项目是目前中国仅有的三个商业化规模的电解水制氢项目之一,其它两个分别是壳牌在中国启动的2万千瓦电解水制氢项目和位于河北1万千瓦的海珀尔项目。


目前PEM水电解制氢已迈入10 MW级别示范应用阶段,100 MW级别的PEM电解槽处于开发阶段。整体PEM制氢技术正在从研发走向工业化阶段,商业化程度也越来越成熟,在国外已被大规模地应用于钢铁厂等行业进行脱碳。




绿氢的大规模应用或将在2035-2040年实现

围绕2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标,在能量转化以及二氧化碳处理和资源化利用过程中最为关键的就是氢,而经济有效的通过电解水制氢则是规模化应用的前提。


目前可再生能源电解水制氢仍面临成本高的问题。其中电力成本约占绿氢可变成本的60%,因此,获得成本低廉、供应充足的可再生能源为电解槽提供电力显得至关重要。


近日,大连化物所燃料电池系统科学与工程研究中心研制的兆瓦级PEM水电解制氢系统实现满功率运行,率先打通了绿色降本路径,为大规模绿色氢能综合利用新模式的示范奠定了技术基础。随着世界各国加大对可电解槽能耗的提升以及投资增加,推动成本持续降低,绿氢的大规模应用或将在 2035-2040 年实现。


绿氢是未




绿氢是氢能利用的理想形态,在能源转型中被寄予厚望。尽管目前制氢原料多以化石能源为主,绿氢占比较低,但中国已具备大规模生产“绿氢”的潜力。


若要在“十四五”时期实现非化石能源占整体能源结构19%的目标,利用风能、太阳能低成本优势进而加快装机速度,或可每年增加53GW的风能装机容量和每年58GW的太阳能装机容量,实现绿氢生产并出口,助力双碳目标的达成。


不仅如此,利用可再生能源生产绿氢,在一定程度上解决了能源浪费问题即“弃光,弃风,弃水”的问题,使得可再生能源不再仅依靠电网进行消纳,同时还可平衡电网稳定性,具有多方面协同效应,“绿氢时代”已是大势所趋。



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