为应对世界气候变化及能源结构调整的需求, 欧美发达国家如美国、加拿大、德国、法国等均在2020年制定了本国的氢能战略, 将发展氢能产业提升到国家能源战略的高度, 旨在于2030— 2050年间完成CO₂减排目标及能源结构调整^{[5, 6, 7, 8]}。其他发达国家如韩国、荷兰、挪威、葡萄牙、西班牙、新西兰等也于2020年发布了氢能战略以应对国内的能源需求压力^[5]。

美国的氢能战略主要服务于能源安全和经济增长^[5]。加拿大的氢能战略旨在构建净零排放的未来: 国家经济将由电力和低碳燃料驱动, 预计两者将满足超过60%的能源需求, 其中氢能对能源密集型产业和难脱碳产业的减排起着重要作用^[6]。德国计划通过开发氢能技术的国内市场为经济创造新的价值链, 并开展国际能源政策合作以确保氢能市场的平稳运行和足够的氢能进口, 具体目标是到2030年将氢能发电水平提高到原有的200倍, 达到5 GW^[8]。法国的氢能战略为到2030年利用氢能实现6.5 GW的发电容量, 并使绿氢/低碳氢(在制取过程中不产生碳排放的氢能称为绿氢, 在制取过程中产生较低碳排放的氢能称为低碳氢)占工业部门所用氢能的20%~40%^[9]。

发达国家制定氢能战略的背景大都基于《巴黎协定》, 战略目标是减少国家对化石能源的依赖, 在能源消耗中增加氢能的使用占比, 达成减排目标。由于氢能作为一种二次能源和工农业生产的重要原材料都是不可或缺的, 因此发展氢能也可以满足促进国家经济发展的需求^{[9, 10, 11]}。

世界主要发达国家为了促进氢能在本国的发展, 纷纷对相关法律法规进行了修订来保证氢能战略的平稳实施。澳大利亚已准备在2021年由其联邦政府起草并颁布针对氢能长期发展的适应性法规^[7]。美国目前主要依靠现有的国内和国际标准使用、分配和储存氢能, 尚未出台国家层面的氢能法规, 但一些州政府已经制定了氢能的相关法律。欧盟修订了相关能源法案来使氢能源战略平稳运行^[5]。德国为使氢能战略能够顺利实施修正了与能源相关的法案, 涵盖了制氢、输氢以及监管等多个领域^[8]。法国于2019年11月8日通过了一项关于能源和气候的法律, 其中包含了与氢能有关的若干条款^[9]。

除了目前在工业上的应用, 氢能在许多领域都有长期的应用前景。一旦氢能的生产和利用成本形成相对于其他燃料的竞争力, 那么交通、建筑和电力部门都有使用氢能燃料的潜在需求, 具有巨大的市场潜力^{[12, 13, 14]}。图1展示了到2050年全球氢能的使用潜力和市场份额。为使氢能在本国经济和社会发展中创造更大的效益, 各国均出台了相应的法律法规来建立自己的氢能市场, 如澳大利亚为建立氢能市场准备颁布相应的氢能市场法规^[7]。

图1

Fig.1

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	图1 2050年全球使用氢能的市场潜力[5]Fig.1 Future global hydrogen market potential in 2050[5]

氢能对经济产生的影响是巨大的, 如当制氢技术成熟后各个国家的氢能进出口贸易会直接影响国家的外汇收入。为了应对气候变化, 各个国家势必要开展大规模的制氢活动, 但限于每个国家的资源条件和社会发展水平, 制氢的成本和需求均存在着较大差异^[10], 这会形成巨大的经济增长潜力。

制氢成本因地区而异。目前欧洲和日本的制氢成本较高且政策支持力度较大, 有可能成为大量进口氢能的国家, 而美国、加拿大、澳大利亚等国的制氢工艺成熟、成本较低, 更有可能成为氢能出口大国^{[5, 6, 7, 8, 9]}。中国对氢能有着巨大的需求, 但目前的氢能产量还无法做到自给自足, 加拿大自然资源部规划的本国未来氢能贸易网络中已将中国列为主要氢能贸易出口对象之一^{[6, 15]}。

氢能不仅能够为国家带来巨额的外汇收入, 还可以保障国家内需, 使经济平稳运行。现今氢能相关的工业规模大, 有许多来源和用途。在能源方面, 全球每年对氢能的需求总量约为3.3亿t石油当量, 超过了德国的初级能源供应量^{[5, 8]}。图2展示了2015年美国各工业部门对氢能的需求概况, 其中对商用氢能的年需求量因行业而异。商用氢能的生产者可以提供液态或气态的氢能产品, 其中气态高压氢的运输距离相对较短, 可通过管式拖车出售, 亦可以气体形式通过管道运输或以液体形式通过船舶运输, 这与液化天然气的运输方式非常相似^[5]。与传统化石能源相比, 氢能势必会带来巨大的经济收益。除了能源和运输领域, 氢能经济将减少国家对化石能源的依赖, 把握新兴的碳中和市场机会。例如: 公共事业规模的氢能发电与能源储存, 钢铁及高级合金制造, 水泥、化肥、化工生产, 船舶、铁路和重型运输车辆使用的燃料, 可再生能源发电的各种电气应用。在这些行业中推广氢能可以产生巨大的经济效益^[15]。

图2

Fig.2

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	图2 2015年美国各工业部门的用氢需求[5]Fig.2 US industrial demand for hydrogen by different sectors in 2015[5]

氢能的社会效益主要体现在对碳中和的贡献上, 包括改善空气质量与居住环境、稳定气候变化等方面。大力推广氢能有助于缓解交通运输的能源需求紧张, 促进社会和谐稳定发展。H₂可以转化为CH₄与电力, 为居民生活和工业发展提供动力, 也可以转化为汽车、卡车、船舶和飞机的燃料, 改变人们的出行方式^[16]。

在推广氢能的过程中能够创造就业岗位, 进而缓解就业问题带来的社会压力。另外氢能发电可以为社区家庭供暖, 使取暖更低碳、更高效。在欧盟国家的家庭中, 取暖和热水占能源使用的79%, 而目前用于供暖的能源主要为天然气。氢能提供了一个更高效的低碳替代品, 并可以在已有的基础设施上运行, 利用现有的气体传输网络即可用于电厂或家庭, 部署和更新氢能设施的过程中还会带来新的就业岗位。全球范围内, 氢能产业正经历着前所未有的政治和商业势头, 相关项目的数量也在迅速增加, 这将对社会发展产生巨大的影响^[17]。

由于电解水制氢会消耗大量的水资源与电力, 经济成本过高, 因此发达国家一般不将电解水作为主要的H₂生产方式, 如美国只有1%的氢能是通过电解水生产的(图3)。目前, 澳大利亚、加拿大等国正在推广使用风能、太阳能等清洁能源发电, 再将产生的电能用于电解水制氢, 这种方法可以降低制氢成本。但风电站、太阳能电站需要建在海岸等水源充足的地区^{[5, 6, 7]}, 制氢的成本仍远高于化石燃料制氢。

图3

Fig.3

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	图3 美国与全球氢能主要来源对比[5]Fig.3 Comparison of major sources of hydrogen energy between the US and the world

目前, 发达国家90%以上的H₂产量来自化石燃料, 其中95%来自蒸汽甲烷重整(Steam Methane Reforming, SMR)工艺, 4%通过在煤气化过程中将天然气部分氧化制氢^[5]。如美国每年生产超过1 000万t的H₂中约60%是在SMR氢生产设施中生产的, 这已成为美国的主要氢能来源^[5]。SMR工艺是指天然气和水蒸汽在镍基催化剂上反应, 将天然气中的CH₄分解为CO和H₂, 再进行水气变换反应, 尽可能增加产物气体中的 H₂含量^{[20, 21, 22]}。

SMR建立在已有的天然气管道输送基础设施上, 是一种成熟的H₂生产技术, 而我国作为产煤大国主要采用煤气化生产H₂^[22]。SMR和煤气化制氢的过程中都会排放大量CO₂(图4), 因此2种工艺都适合使用碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)技术或碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilisation and Storage, CCUS)技术减少碳排放(图4)。煤气化和SMR工艺的成本在配备CCS或CCUS技术后仍然低于使用可再生能源电解水。配备CCS或CCUS技术的化石燃料制氢方法可实现CO₂捕集与减排的有机结合, 增加清洁能源的使用效率, 实现双赢。鉴于甲烷重整配备CCS技术具有巨大的经济优势, 其在未来有机会成为成本最低的大规模制氢方法^[23]。

图4

Fig.4

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	图4 配备CCS的化石燃料制氢与电解水制氢成本(美元)对比[5]Fig.4 Cost comparison between fossil energy hydrogen production equipped with CCS and hydrogen production by electrolysis of water[5]

根据国际能源署的报告, 到2050年化石燃料仍将是美国(75%)、欧洲(65%)和日本(85%)的主要氢能来源^{[10, 23]}。因此, 加大对化石能源的勘探开发对保证充足的制氢原料尤为重要。由于我国天然气资源供需紧张^[24], 仍需要大量进口天然气, 将天然气用于制氢势必会增加制氢成本, 因此通过天然气重整制氢并不适合我国, 目前我国的主要制氢手段仍是煤气化^[22]。

如前文所述, SMR和煤气化制氢的过程中会产生大量的CO₂, 此时便需要使用相关技术将CO₂封存起来, 地质工作可以在这一环节大显身手。

目前地质封存CO₂的技术主要分为3类^[22]: 一是利用深部盐水层的构造封存CO₂, 使CO₂与深部盐水发生化学反应生成碳酸盐矿物, 进而达到封存的目的; 二是将液态CO₂注入到石油与天然气储层中进行驱油, 在提高采收率的同时封存CO₂; 三是利用煤层封存CO₂, 继而提高煤层气的采收率。

将碳封存在地下, 需要对地下储层的储集特性和盖层的完整性进行勘察与评价^[1]。岩溶封存、海洋封存等同样离不开系统的地质工作。全球CCS技术研究院的研究显示全球可通过CCS技术封存CO₂的地质储量能够达到几十亿t^[25]。

氢能的广泛使用建立在有效的存储机制上。目前, H₂通常以气体或液体的形式储存在小型的移动或固定容器中。一般来说, 储罐更适合短期和小规模的氢能储存, 而地质储存是大规模长期储存H₂的最佳选择。盐穴、盐水含水层、枯竭的天然气藏或油藏都可以用于地质储氢, 工程硬岩油藏也可以作为长期存储H₂的目的层^{[26, 27]}。世界已有许多国家开展了针对H₂的地下储存项目, 但我国尚未开展H₂地下存储方面的系统性研究。