氢气具有原料、燃料双重属性，来源丰富、用途广泛。在碳中和战略目标引领下，我国能源生产消费方式逐渐转向绿色低碳，将推动氢能供应体系逐步以绿氢为基础进行重塑。绿氢作为新能源供给消纳体系的重要组成部分，进一步加强供应体系建设将有助于能源生产消费方式变革。

2022年3月国家出台的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》对绿氢产业的发展起到了积极的推动作用。该政策明确了氢能在国家能源战略中的地位，并提出了具体的产能目标和发展路径，鼓励各地积极发展绿氢项目。

那么什么是绿氢？

绿氢如何制取？

绿氢发展到现在到了什么阶段？

01 绿氢的定义

氢气（hydrogen）是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。

氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时，氢也是一种理想的二次能源。

绿氢是通过使用可再生能源（如太阳能、风能、核能等）制造的氢气。这种氢气在生产过程中基本没有碳排放，因此也被称为“零碳氢气”。

绿氢的生产过程中使用的电力必须来自于可再生能源，如太阳能、风能、水能等，这使得绿氢成为一种清洁能源，与传统的通过化石燃料（如煤炭、石油、天然气等）燃烧产生的氢气（灰氢）有着明显的区别。

02 绿氢制取技术

绿氢制取技术包括利用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水制氢、太阳能光解水制氢及生物质制氢，其中可再生能源电解水制氢是应用最广、技术最成熟的方式。

除此以外，还有热化学水解、生物质重整、微生物电解槽在内的一系列制氢技术。以下是几种常见的绿氢制取工艺：

1.水电解制氢：

这是最常见的绿氢制取方法，通过电解水来将水分解为氢气和氧气。电解过程中使用的电力来自可再生能源，如太阳能和风能。这种方法是目前最常用和商业化程度最高的绿氢制取技术。

（水电解制氢 图片来源：艾邦氢科技网）

2.生物质气化制氢：

利用生物质材料（如木材、农作物残留物）进行气化反应，产生可燃气体（主要是氢气、一氧化碳和二氧化碳）。然后通过气体处理和纯化步骤，将氢气提取出来。这种方法利用了可再生的有机资源，但仍需要注意气化过程中产生的二氧化碳排放。

（生物质气化制氢 图片来源：生物质化学工程）

3.光催化制氢：

利用光催化剂，如半导体材料，在可见光或紫外光的作用下，通过水的光解反应产生氢气和氧气。这种方法在实验室中已有研究，但目前仍在发展阶段，面临着效率和经济性等挑战。

（光分解水制氢 图片来源：化说氢能）

4.生物制氢：

利用特定的微生物或酶类反应，将有机废弃物或有机底物转化为氢气。这种方法具有潜力，可以利用废弃物资源，但仍需进一步的研究和开发。

（生物质催化气化制氢 图片来源：新能源技术与装备）

5.热化学分解制氢：

利用高温和化学反应将化合物转化为氢气。例如，通过高温蒸汽与天然气或甲烷进行反应，可以产生氢气和固体碳。这种方法可以减少二氧化碳的排放，并且可以将产生的固体碳用于其他应用，如碳捕获和储存。

（热化学硫碘循环水分解制氢 图片来源：国家绿色技术交易中心）

6.高温电解制氢：

使用高温电解技术进行水电解，以提高效率。相比传统水电解，高温电解可以降低电能消耗，并提高氢气产率。这种技术通常需要较高的温度和特殊的电解材料，但可以提供更高的制氢效率。

（高温电解制氢 图片来源：研之成理）

7.微生物电解制氢：

利用微生物的代谢活动，在适宜的条件下，通过电化学反应产生氢气。这种方法结合了微生物和电解过程，利用微生物产生的电子来催化水分解反应，从而制取绿氢。这是一个新兴的技术领域，仍在研究和开发阶段。

（微生物转换制氢 图片来源：氢眼所见）

8.太阳能热化学制氢：

利用太阳能集热系统，将光能转化为热能，并通过化学反应将水分解为氢气和氧气。这种方法结合了太阳能和化学反应，可以在可持续的条件下制取绿氢。

（太阳能热化学制氢 图片来源：CRES太阳能热发电专委会）

这些是几种常见的绿色氢制取技术，每种技术都有其优势和适用场景，选择适当的制取方法取决于可再生能源资源可用性、经济可行性、技术成熟度和环境影响等因素。

03 绿氢的优点

作为能源，绿氢零污染、零碳、无次生污染，是公认的清洁能源，有着极具竞争力的优势：

1. 生态友好：与传统的化石燃料不同，氢气和氧气可以通过燃烧产生热能，也可以通过燃料电池转化成电能。而在氢转化为电和热的过程中，只产生水，并不产生温室气体或细粉尘。

2. 利用高效：氢气不仅来源广泛，还具有导热良好、清洁无毒和单位质量热量高等优点。相同质量下的氢所含热量约是汽油的3倍，是石油化工重要原料和航天火箭动力燃料。

3. 储运方式灵活便利：与化石燃料不同，氢能是二次能源，可以通过分解天然气、石油、煤和水来制造。而除了气态，氢气还能以液态或固态氢化物出现。在-263℃液化时，氢的体积会减少到原来的1/800，在高压罐中压缩后，便于储存和运输。

4. 可持续性：绿氢可以通过可再生资源生产，因此可以持续提供动力。这种可持续性是普通天然材料所不具备的。传统能源的总量非常有限，但传统天然材料的使用会对自然环境造成很大的破坏。

绿氢不仅环保而且具有可持续性，其应用广泛且有助于推动能源系统的转型和升级，具体在以下几个方面：

1.化工领域：

绿氢可用于化学工业的氢源，用于合成氨、甲醇、氢化物等化学品的生产。它可以作为高温、高压加氢反应的氢源，用于加氢脱氧、氢解等重要反应。绿氢可用于石化行业，如高压裂化反应、催化重整和加氢镍等。

合成氨生产：合成氨是目前规模最大的氢气消费途径，全球超过37%的氢气用于生产合成氨。氨是化肥的主要原料，也是重要的工业原料和中间产品。在工业领域中，合成氨用于生产氮素化肥、有机或无机化工产品等。

制备甲醇：甲醇是基础的有机化工原料，可以用来生产烯烃、甲醛、二甲醚等多种有机化工产品。现代工业利用甲醇制烯烃，相对于传统石脑油制烯烃具有较强的成本优势，已逐渐成为甲醇的主力消费市场。

石油化工：氢气是石油化工领域不可或缺的原料之一，加氢裂化、加氢精制等工艺可以改善重油性质，将重油转化为轻质油品，有效提高石油的精炼效率。

冶金行业：氢气可以取代碳作为还原剂用于冶金行业，减少碳排放。主流的氢冶金技术路线包括高炉富氢冶金与气基直接还原竖炉冶金两种方式，其中气基直接还原竖炉冶金二氧化碳排放量可减少50%以上。

2.交通领域：

绿色氢基能源作为交通燃料，可以应用于公路交通、铁路交通、航空、航海等多种场景，是未来交通运输行业实现低碳转型的有效途径。氢燃料电池汽车和氢基能源内燃机是公路交通中的主要应用形式。

燃料电池汽车以氢燃料电池为动力装置，将绿氢转化为电磁能，从而推动汽车。燃料电池汽车的废气排放为无污染物的水蒸气。

氢内燃机为烧氢气的发动机，其基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸—活塞式的内燃机，同样是按照吸气、压缩、做功、排气4个冲程来完成化学能对机械能的转化，只是氢内燃机里的燃料是氢气。其零排放、长里程里程和快速加注等功能优势，是可持续交通解决方案之一。

3.发电领域：

绿氢可用于燃料电池发电站，将氧气与氧气反应产生电能，供应电力网。它也可以用于氧气燃料电池的备用电源，例如在无法接入电网的偏远地区或应急情况下。燃气轮机发电也可以用绿氢发电。绿氢还可以与传统的沼气燃料组结合使用，以降低碳排放并提高发电效率。

燃料电池发电发电：氢燃料电池是一种利用氢和氧反应引起电能的设备。氢燃料电池可以将绿氢转化为电磁能和热量，同时将污水和有机废气转化为干净的水和二氧化碳。因此，氢燃料电池被认为是一种非常绿色、环保、高效的发电方式。燃料电池发电可用于家庭、商业和工业生产等领域。在日常生活中，氢燃料电池可作为解决突然停电的后备电源；在经济领域，氢燃料电池可用于建筑供电系统及其移动通信基站供电系统；在工业应用中，氢燃料电池可用于加工制造业、农牧业等行业。

燃气轮机发电：气轮机是一种利用超高压高温气体推动涡轮发电机产生电能的设备。气轮机可以通过点燃产生的超高压高温气体来推动涡轮增压，然后产生电磁能量。燃气轮机发电也可以用绿氢发电。燃气轮机发电的优点是能有效利用氢气能量，快速调节发电能力。燃气轮机发电可用于发电站、工业应用等领域。

4.建筑领域：

绿氢可以用于供暖和热水系统，取代传统的天然气或消耗锅炉。通过燃烧绿氢产生的热能，提供建筑物的供暖和热水需求。它可以用于燃料电池发电系统，为建筑物提供电力和热能。绿氢还可以用于氢燃料电池的备用电源，以提供建筑物的应急电力。

05 绿氢存在的问题

绿氢应用广泛同时也将面临一些挑战。主要包括：

绿氢的生产成本目前仍然较高，不仅需要大量的可再生能源和电解设备，而且碱性电解水制氢和PEM电解水制氢，其成本约为21.9和25.3元/kg，远高于传统化石燃料制氢。

2.技术和基础设施挑战

绿氢的核心技术如电解水制氢还在发展中，尤其是如何与可再生能源有效耦合，以及如何处理电网的波动性和间歇性，这些都是需要解决的关键问题。此外，绿氢的输送和储存技术也需要进步，特别是高压气态长管拖车输送和专用管道输送的成本和效率问题。

3.安全和标准问题

绿氢的生产和应用还需要关注安全问题，包括电解水制氢过程中可能的爆炸风险，以及氢能储存和运输中的安全问题。此外，缺乏统一的行业标准也是绿氢发展的一个重要障碍。

本文内容来源于东北电力大学，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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