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李希雯 劉宜宸
近日，烏拉圭公布首個綠氫工廠項目計劃，該工廠將耗資3800萬美元，位于烏拉圭西南部里奧內格羅省首府弗雷本托斯市，預計于2026年開始運營。該項目建設內容包括8000塊太陽能電池板、1個每小時可生產36千克氫氣的2兆瓦級電解槽和1個卡車加氣站。
隨著全球對清潔能源的需求日益增長，氫能源因其高能量密度和零排放特性，被視為未來能源體系的重要組成部分。氫能源的制造方式多樣，包括電解水制氫、天然氣重整制氫、生物質氣化制氫等。氫能源作為一種清潔、高效的能源載體，在全球能源轉型中扮演著重要角色，其制造成本及市場價格是決定自身商業化進程的關鍵因素。
本文旨在探討氫能源的制造成本構成以及氫能源的儲存問題，并提出可以降低成本的合理建議。
國內外制氫方式選擇存在差異
國內氫能源制造主要依賴化石燃料重整和水解制氫技術，其中煤制氫和天然氣重整制氫占據主導地位。近年來，隨著可再生能源的發展，國內電解水制氫技術快速發展。國外在氫能源制造方面更加注重可再生能源制氫，如利用太陽能、風能等進行電解水制氫，在生物質制氫、核能制氫等領域也有所突破。
目前，我國電解水制氫方法的效率只有50%~70%，處于較低水平，而且要消耗大量電能及成本。觀察我國氫能源價格，2023年3月7日，長三角氫價格為33.69元/公斤，長三角“清潔氫”價格為34.13元/公斤。再細看國內常見的一些制氫方法及價格，輕烴裂解制氫方法主要有丙烷脫氫和乙烷裂解制氫，輕烴裂解的氫氣純度較高，雜質含量低；副產焦爐氣制氫價格一般不高于12元/千克，燒堿副產物制氫等價格一般不高于18元/千克；煤制氫價格約為10元/千克～15元/千克；天然氣制氫的價格約為15元/千克～20元/千克。值得關注的是，電解水制氫方法綠色環保，生產的氫氣純度高，但能耗較高，電解水制氫的氫氣價格在30元/千克～40元/千克。
在國外，灰氫（通過天然氣重整）的成本相對較低，大約在1美元/千克~2美元/千克。綠氫（通過電解水）的成本較高，根據國際能源署（IEA）公布的數據，2020年綠氫的平均成本在3美元/千克~6美元/千克，這主要是因為電解水的電力成本較高。隨著電解技術的改進和規模化應用，綠氫的成本正在下降。例如，根據彭博新能源財經（Bloomberg NEF）的報告，到2030年，綠氫的成本預計下降到1.4美元/千克~2.3美元/千克，這主要得益于可再生能源成本的降低和電解效率的提升。
縱觀目前全球發展狀況，日本在氫能利用和專利擁有數方面位居全球第一，已經實現燃料電池車和家用熱電聯供系統的大規模商業化推廣；美國氫能專利數排名第二，集中在加利福尼亞州示范應用；韓國已掌握一流技術，目前正在推進關鍵零部件100%國產化；歐盟氫能產業基礎最好，擁有世界級的氫氣和燃料電池價值鏈參與者，以及強大的氫研究機構和完善的計劃，特別是德國的優勢最為明顯。
我國可以向國外學習低成本制氫技術，將風能和太陽能發電與電解水制氫相結合，從而降低制氫成本。電解水是目前最常用的綠氫生產方法，通過提高電解槽的效率，減少能量損失，可以降低生產成本。此外，我們還可以通過優化電極材料來提高電解效率，使用高效的催化劑，如鉑、鈀、鎳基合金等，降低電解過程中的過電位，提高反應速率；改變優化電極結構，采用多孔、納米結構或復合材料的電極，增加電極的表面積，提高電化學反應的效率；改進電解質離子傳導性，使用液態電解質，比如在鋰離子電池中使用鋰鹽溶解有機溶劑中的混合物。固態電解質比如氧化物、硫化物或聚合物基的固態電解質，可以在固態電池中使用，提供更高的安全性和能量密度。同時，凝膠電解質結合了液態電解質和固態電解質的優點，有更好的機械穩定性和離子傳導性。
此外，我們還可以優化電解槽設計，使用堿性陰離子交換膜電解水制氫技術，堿性陰離子交換膜電解水制氫技術采用非貴金屬催化劑，相較于傳統堿性電解水技術成本較低，可達到更高的電解電流密度。大量減少電解槽體積的缺點是，催化劑為貴金屬和需要較高的投資成本。這不利于降低制氫成本，但是能減少電能損耗，可以作為一個備用選項。
為了提高電解效率，我們還可以提高操作條件，比如精確控制電解槽的工作電壓，過高的電壓會導致能量浪費和副反應。這可以在保證電極壽命的前提下，適當提高電流密度，以提高單位面積的產氫速率。此外，建議使用其他制氫技術。得益于風、光等可再生能源資源豐富、電價便宜，歐洲和北美地區的制氫加氫一體站普遍采用堿性水電解（ALK）或質子交換膜電解（PEM）水制氫技術。堿性電解槽結構簡單、操作方便、價格較便宜，比較適用于大規模的制氫，但缺點是效率不夠高。
美國對氫能產業發展格外重視
美國的氫能政策變化值得研究。2002年，美國能源部發布了《國家氫能源路線圖》。這是美國首個全面的氫能源發展計劃，旨在推動氫能源技術的研發和商業化。2020年11月份，美國能源部發布了最新版的《氫能項目計劃2020》，提出了到2050年氫能滿足全美14%能源需求的目標，并強調了氫能全產業鏈的技術研發。2023年6月份，美國政府發布了《美國國家清潔氫能戰略路線圖》，旨在加速綠氫的生產、處理、交付、存儲和應用，旨在到2030年實現每年生產1000萬噸綠氫的戰略目標，到2050年每年生產5000萬噸。
2023年6月5日，美國能源部宣布加快“清潔氫”的產生和利用。美國新澤西州、康涅狄格州、馬薩諸塞州、緬因州和羅德島州等6個東北部州已組成1個財團，以建立1個區域清潔H2hub（直譯，氫氣俱樂部），涉及來自各行各業的60多個利益相關者，以實現氣候和清潔能源目標。當然，美國也面臨氫能源制造成本高等問題。
近期，美國政府宣布利用《兩黨基礎設施法案》提供的70億美元資金，在全美建立7個地區性綠氫中心。根據這一聲明，被選中的7個地區性綠氫中心將催生超400億美元私人投資，并創造數以萬計的高薪工作崗位，從而使該項目的公共和私人投資總額達到近500億美元。這是美國政府歷史上對清潔生產以及相關就業所做出的最大投資之一。
氫儲存問題也需重點解決
氫能源的儲存也是急需解決的問題。氫能源的儲存要考慮儲存效率和安全問題。氫氣的體積能量密度低，無論是壓縮氫氣還是液態氫，其儲存效率都遠低于傳統的化石燃料。固態儲存技術，如金屬氫化物和納米材料，雖然理論儲存密度高，但實際應用中的效率和穩定性仍有待改善。從成本來看，制造儲存裝置，尤其是液態氫的制備和儲存，需要大量的能源和特殊設備。固態儲存材料，如金屬氫化物和納米材料的制備成本也較高，且規模化生產技術尚未完全成熟。從安全性來看，氫氣具有易燃易爆的特性，高壓儲存和液態儲存都存在一定的安全風險。氫氣的泄漏可能導致火災或爆炸，因此需要嚴格的安全措施和標準。
對于氫能源儲存，我們可以使用物理方式，通過高壓氣氫、液氫、低溫壓縮氫、漿氫以及物理吸附等方式進行儲存。同時，我們還可以使用低溫液氫，這是大規模儲運的有效方式。高壓氣態儲氫的單位質量儲氫密度為1.0%~5.7%, 在常溫和20兆帕條件下的儲氫密度為17.9千克/立方米, 每千克僅需2千瓦時的耗電，目前我國電費最高為0.8653元/千瓦時，儲運能效超過90%，技術成熟、能耗低、成本低。化學儲氫是指將氫儲存在有較高儲氫能力的化合物中或使氫氣與能夠氫化的金屬/合金相化合, 以固體金屬氫化物的形式將氫氣儲存起來，包括氫化物儲氫（金屬氫化物、復合氫化物、化學氫化物和間隙型氫化物）、有機液態儲氫的體積儲氫密度達到60千克/立方米，存儲運輸方便，儲運能效約為85%，可循環使用，但成本高且操作條件苛刻。金屬氫化物在適當的溫度和壓力下可以以固態形式儲存氫氣，與氣態、液態儲氫相比更具安全性。
總結來說，氫氣可以通過電解水、天然氣重整、生物質氣化等方式生產。我們可以通過使用更簡便的方法并且配合更精湛的工藝來降低氫能源制造的成本。氫氣儲存主要有3種方式：壓縮氫氣儲存（CGH2）、液態氫儲存（LH2）和固態儲存（如金屬氫化物、化學氫化物和納米材料），我國的儲氫技術研究集中在金屬氫化物、碳納米管等幾個方面。未來10年, 高壓氣態儲氫和液態儲氫依然是主要的儲氫方式，也是接下來值得研究的方向。
