推动氢能关键技术研发 助力能源低碳转型
——“十四五”能源领域科技创新规划解读之八
顾大钊
“十四五”是能源技术革命的关键时期，也是推进“双碳”战略的重要窗口期。《“十四五”能源领域科技创新规划》（以下简称《规划》）提出了2025年前能源科技创新的总体目标，围绕先进可再生能源、新型电力系统、绿色高效化石能源开发利用等方面制定了技术路线图，部署了示范工程，与《“十四五”现代能源体系规划》等文件有机衔接，相互配合。《规划》就氢能制储输用全链条关键技术提供了创新指引，为氢能的示范应用和安全发展提供了重要指导。
氢能的定位和作用
氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是实现“双碳”战略的重要抓手，开发氢能先进技术和推动氢能产业化，也正在成为深入推进能源供给和消费革命的重要方向，其发挥的作用可以归纳为以下几点：
支撑新型电力系统建设。氢能既可以作为储能侧的“稳定器”，也可以作为用电侧的“燃料源”，是未来新型能源系统的重要补充。氢能可成为部分场景下相较于电力更优的脱碳选择，为能源转型提供更高的灵活转换能力。燃料电池热电联供综合效率高，是发展综合能源的重要技术手段。针对海岛、边防等偏远地区，可构建分布式电—氢耦合清洁供能系统，利用分布式电源制取氢气，利用燃料电池进行热电联供，满足用户多种用能需求。此外，固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）可以直接使用碳基燃料，与现有能源供应系统兼容，在大中小型固定及分布式发电领域都有着广阔的应用前景；以氢气为能源、低温运行的质子交换膜燃料电池（PEMFC），在中重型交通、建筑脱碳领域则有广阔的发展空间。
推动难脱碳领域深度脱碳。在工业领域，钢铁、冶金、石化、水泥的生产过程中需要大量的高位热能，可利用绿色氢能燃烧热值高的特性，作为工业领域深度脱碳的重要抓手。在建筑领域，绿色氢能供热将成为未来天然气供热的替代。在现有天然气管道中掺杂氢气，可满足建筑领域供热需求，同时减少碳排放量，是氢能连接电网和天然气管网的重要途径，也是氢气大规模普及的重要渠道。在交通领域，主要包括道路、铁路、航空和船运这四种方式，在完善的电力基础设施和技术进步推动下，动力电池在道路交通上得到大规模应用，但动力电池特性不适用于重型道路交通和船舶、航空等场景，上述交通方式需要更多依靠氢能等方式满足脱碳需求。
氢基合成绿色燃料和材料。氢气可合成绿色燃料和材料，构建零碳工业产品体系。随着氢的能量属性逐渐被重视，作为替代高碳燃料应用于高热值场景的氢基能源，绿氢合成氨、甲醇、甲烷、煤油等载能燃料进行储运或综合利用成为产业热点，带动了传统火电、航运、航空等多个行业的基础设施再利用和深度脱碳。此外，绿氢与二氧化碳合成制取化工产品，提供大规模二氧化碳利用的机遇，有望成为重大颠覆性技术，对石油化工、煤化工体系产生革命性影响。
氢能的发展现状及建议
从产业层面来看，我国氢能及燃料电池已具备产业化发展基础。产业链企业超过1000家，已初步形成京津冀、长三角和珠三角等氢能及燃料电池产业集群，以分布式能源领域、移动通信基站以及城市客运、物流等商用车型为先导开展了规模化示范运行。从技术层面来看，经过4个五年国家科技计划的组织实施，我国燃料电池从电堆、系统到关键部件技术研发均取得一系列关键突破，形成了涵盖制氢、储氢、氢安全、燃料电池及整车应用等技术的产学研用研发体系。同时，氢能产业发展仍然面临诸多挑战。一方面，地方政府培育氢能产业链的积极性愈发高涨，但产业发展同质化苗头有所显现。另一方面，氢能产业处于产业化前夜，实现关键核心技术自主可控是推动我国氢能产业高质量发展、走向全球产业链中高端的必行之举。基于目前产业发展现状，现提出如下建议：
“先立后破”，逐步推动氢源结构低碳化。与化石燃料制氢相比，可再生能源制氢成本近期较高，考虑氢能应用经济性，“煤制氢+CCUS”、工业副产氢提纯将有效发挥过渡支撑作用，与可再生能源制氢技术将共同构成未来清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系。在多元化的供应格局中，技术发展程度取决于不同发展阶段的适用性、经济性、能源效率和环境效益。对于可再生能源制氢而言,重点是提升现有制氢装备技术水平以及规模化降本；对于化石能源制氢而言，重点是研发CCUS技术来控制碳排放；工业副产氢则应聚焦提纯技术，在近期应得到优先利用。从中长期看，加速推动可再生能源制氢规模化发展，降低可再生氢成本，逐步替代化石燃料制氢，是实现氢能可持续发展的应有之义。
加速推进核心技术、关键装备自主化。在核心技术、关键装备自主化过程中应坚持重点突破与协同推进相结合的原则，对于产业需求迫切、“卡脖子”现象严重、降本效益显著的技术与装备应予以重点突破，对于前瞻性技术、储备性技术、配套技术则协同推进。结合现有产业基础与需求，制氢领域应以可再生能源制氢为重点突破，攻关与可再生能源耦合负荷波动下电解水系统，探索多能互补可再生能源电解水最优容量配置，同时提升碱水制氢设备电流密度，综合提高和优化PEM制氢电耗、设备成本与寿命性能，协同推进副产氢提纯技术以及SOEC、光解水制氢、热化学循环制氢等前瞻性技术。储运领域近期需聚焦氢能短途运输密集、液氢民用开启与天然气掺氢示范三大发展趋势，攻克50兆帕压力等级长管拖车运输；降低氢气液化能耗、氢气液化成本和液氢制备与储运装置自主化以及管道运氢核心技术，协同推进轻质化固体材料、有机液态储氢等技术。加注领域以降低加注成本为核心目标，重点攻关氢气压缩机、70兆帕加氢机、传感器、流量计等核心零部件及整机的自主化，协同推进液氢储氢加氢站、制氢加氢一体站技术研发。燃料电池领域考虑多应用场景兼顾低温与高温燃料电池，长寿命PEM系统、关键零部件自主化、低载铂量催化剂开发；高耐久性SOFC电极材料、低成本量产技术，性能提升、集成优化设计；MCFC堆叠技术优化，百千瓦级功率放大是主要攻关目标。氢安全领域关键在于要着力加强氢能安全的基础理论研究，例如氢能设施与设备的材料适用性与相容性研究、氢泄漏的预防与监测技术研究、应急处置装备等。
完善顶层设计体系，促进产业健康有序发展。氢能纳入能源管理范畴，以推进氢能服务经济发展，同时加强安全监管。安全是氢燃料电池产业健康持续发展的命脉，从氢能使用的设计、制造、建设、生产、运行和维护各个环节都应有足够高的可靠性，包括人员的可靠性。
强化产业引导手段，准确把握氢能产业发展趋势，充分吸取国内风电、光伏以及新能源汽车发展的经验和教训。一是宜氢则氢、准确定位，确立清洁低碳和灵活高效的氢能技术发展布局。基于氢能在能源转型与“双碳”目标下的发展定位以及技术发展现状，我国氢能产业发展必须紧紧围绕上述氢能的核心优势领域，重点布局氢能与可再生能源协同发展、工业清洁化生产以及基于燃料电池技术的交通运输动力系统。二是把技术水平作为制定氢能发展路径的依据。在氢能产业发展的初期阶段，坚持“示范先行”原则，在基于技术自主可控的前提下推动燃料电池汽车示范应用上，探索开展制氢示范、装备技术研发示范，并结合各地资源禀赋设立综合发展示范区，逐步在制氢、储能、氢冶金、绿色化工等其他应用领域开展示范，按照成熟一个、推进一个的原则以点带面地推动多领域示范推广应用，带动全产业链技术进步与产业规模化、商业化发展，以避免产业链重复建设和无序发展。（作者系中国工程院院士）
