爆发式增长下的难题

根据国际氢能理事会预测,到2050年,氢能将满足全球18%的终端用能需求,减排二氧化碳达60亿吨。鉴于此,近年来,全球大约80个国家提出了氢能发展规划,将氢能作为脱碳能源的重要组成部分和绿色经济复苏的新引擎。比如,美国已发布国家清洁氢能战略路线图,加速清洁氢的生产、加工、交付、储存和使用;德国发布新版《国家氢能战略》,计划于2027或2028年前改造和新建超过1800千米的氢气管道,2030年将德国电解氢能力提高一倍。

在我国,2022年国家发展和改革委正式发布《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》并指出,到2050年,氢气需求量将接近6000万吨,实现二氧化碳减排约7亿吨,氢能在我国终端能源体系中占比超过10%,产业链年产值达到12万亿元。

然而,受氢能制备、储运及使用的成本居高不下,基础设施配套不足,产需脱节等多重因素影响,火热的赛道背后,氢能产业的发展瓶颈不容小觑。

在制氢环节,目前主流的制氢手段以化石能源制氢和工业副产制氢为主,技术成熟,且成本相对较低,但存在着碳排放的问题;水电解制氢可实现无碳排放且制取的氢气纯度高,但却面临耗电量大、投入资金高等难题。在氢储运环节,安全性和效率制约着产业的发展。氢能从业者们亟需通过新材料新技术的推广应用,为氢能产业提速。

绿氢距规模化制备还有多远

目前,氢能可分为绿氢、蓝氢和灰氢。绿氢是通过使用可再生能源制备的氢气,生产过程中基本没有碳排放,因此这种类型的氢气也被称为“零碳氢气”;灰氢是通过化石燃料(煤炭、石油、天然气等)燃烧产生的氢气,生产成本较低,碳排放量最高;蓝氢是在灰氢的基础上,应用碳捕集、利用与封存技术,实现低碳制氢。

从产量结构来看,目前化石能源制备的灰氢占比较高,2021年全球灰氢占比达到99%,蓝氢及绿氢占比均未达到1%,绿氢全球占比仅为0.04%。推动化石能源制氢、工业副产氢向电解水制氢(绿氢)转变是必然趋势。

对于绿氢制备来说,突破核心技术是重中之重。当前,绿氢制备技术在关键材料、制氢成本方面还存在着短板。

绿氢制备技术包括碱性水电解技术(AEL)、质子交换膜水电解技术(PEM)、阴离子交换膜电解水技术(AEM)等制氢技术。

其中,AEL最为成熟、应用较为普遍,在中国乃至全球都居于电解水制氢的主导地位。AEL的原理是在高浓度碱性溶液中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,生成氢气和氧气。为了确保分隔开反应产物,AEL在电解槽的阳极与阴极之间需设置一层多孔结构的隔膜,因而限制了设备在受压条件下的操作。和AEL相比,PEM具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点,但由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行,因此设备对于价格昂贵的金属材料(如铱、铂、钛等)更为依赖,成本高昂。目前,全球市场电解水制氢基本被AEL和PEM瓜分,两者占比分别约为80%和20%。

AEM相对来说是一项较新的技术。AEM电解槽的结构与PEM相似:使用可以传导氢氧根离子(OH-)的固体聚合物阴离子交换膜作为电解质,两个电极分别位于膜两侧,其上涂敷催化剂,电解液可以是纯水或者弱碱性溶液。与PEM不同的是,AEM的电解槽可以依靠镍基等非贵金属催化剂,从而有效减少材料成本。而与AEL相比,AEM设备体积更小、电流密度更高、动态响应快、能更好地适应可再生能源发电的波动性。因此,AEM兼具了碱性低成本和纯水高效率的双重优势,是目前较为前沿的电解水技术之一,也是未来绿氢大规模应用的首选技术之一。

然而,AEM至今尚未实现产业化,究其原因,其最大的发展瓶颈在于关键材料的研发,特别是阴离子交换膜。

阴离子交换膜是AEM电解槽的核心部件,膜的性能直接影响了AEM电解槽的稳定性、寿命、运行效率以及生产成本等。目前,AEM膜研发的痛点包括耐化学性、氢氧根离子传导率低,电流密度低、化学稳定性差、无法兼顾性能和使用寿命等。全球范围内只有少数企业和高校在研究开发AEM膜。

未来,随着相关材料不断革新,绿氢的制备成本有望持续降低,继而随着规模化的提升,最终实现普及。

寻找氢能储运的最优路线

目前,氢能的资源侧与市场侧极度不平衡,需要大规模的储运调配。氢储运成本在整个氢能产业链中的占比约为30%-40%,影响着氢能的降本空间和规模化发展。

氢气单位质量的能量密度极高,单位体积的能量密度又很低,且易燃、易爆、易泄漏,这为氢的储运带来了诸多挑战。

在储氢方面,高压气态储氢是发展最成熟的储氢技术之一,具有成本较低、能耗低、易脱氢、工作条件较宽等特点。目前,高压储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I型),钢制内胆纤维环向缠绕瓶(II型),铝内胆纤维全缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)4个类型。后三种采用复合材料的耐压容器以消除氢气泄露与容器爆破等不安全因素。其中,IV型瓶质量最轻,适合于车载,是未来车用储氢体系发展的主流技术路线。

内胆是这种储氢瓶的核心部件之一,需要具备耐氢气渗透性和耐热性、良好的高低温力学性能、良好的工艺性等特性。高性能纤维复合材料是气瓶外壳的重要增强体,需要高性能固化剂提供核心材料性能。

液氢具有较高的体积能量密度,可实现大规模、远距离氢气运输,且对于跨洋运输与国际氢贸易具有显著优势。直接将氢气低温液化的过程能耗较高且存在氢的蒸发损失和安全性问题。而液态有机储氢(Liquid organic hydrogen carrier,LOHC)技术将氢气存储在不饱和液体有机物中,通过可逆的加氢和脱氢反应实现氢气的储放,兼具储氢量大和常温常压下氢运输安全性的特点。目前,德国、日本等均处于LOHC技术开发和应用的前列,代表企业包括德国Hydrogenious LOHC Technologies、日本千代田公司等。

在氢运输方面,管道运输是一种更具成本效益的大规模、长距离氢能源运输方式。利用现有天然气管线掺氢和新建纯氢管道输氢都是现实可行的方案。

氢气管道面临的主要挑战是材料的氢腐蚀。现有的输气管道通常为金属材料,在高浓度氢气的高压环境下会造成其性能的劣化,导致氢脆、气体泄漏等问题。因此,目前输氢管道的研究方向主要是纤维增强的聚合物材料。聚合物材料制成的非金属柔性管具有轻质、高强度、耐腐蚀的性能,且具有连续结构,可以生产更长管段。采用全聚合物结构则能保证管道在更高的压力下也不会产生氢脆,大幅降低氢气泄漏风险。

化工在赋能氢能产业链中扮演了至关重要的角色,在未来还将继续助推氢能产业的飞速发展。有很多新材料、新技术都将在氢能产业增长的过程中获得用武之地,扛起能源转型和低碳发展的重任。