氢能 | 美国能源部投入1亿美元推动氢能技术研发

2020年6月23日，美国能源部（DOE）宣布五年内向两个由美国能源部国家实验室牵头的实验室联盟投资高达1亿美元。这笔资金将在“H2@Scale”计划框架下，用于整合国家实验室、高校和产业界研究力量，充分利用国家实验室世界级的科研设施与专业知识联合攻关，以推进氢能和燃料电池关键核心技术突破，进一步降低成本，加速其在电力、交通运输行业中的部署进程。

美国氢气产业链图和H2@Scale

两个联盟聚焦核心研究工作

第一个国家实验室联盟将开发大规模、价格可承受的电解槽。该电解槽将利用多种电力来源（包括天然气、可再生能源、核能等）将水高效分解成氢气和氧气，通过研发更耐用，高效和低成本的电解槽，该研发将补充并帮助支持氢能的大规模部署。

另一个支持的国家实验室联盟，将加快重型车辆（包括长途卡车）所用燃料电池的技术研发。该计划设定了一个五年目标，以证明氢作为重型卡车的能源，能够满足卡车运输行业需要的耐用、成本和性能要求。

美国在燃料电池、电解槽和基础材料方面取得了明显的技术进步，但是在氢基础设施方面仍然存在一些关键障碍。DOE通过推动上述两个方面的研究工作，目的是支撑其部署的“H2@Scale”计划，该计划于2016年11月提出，旨在整合国家实验室、高校和企业的研究力量，共同探索解决氢能规模化应用面临的技术和设施挑战，从而在美国多个行业实现成本合理、运行可靠的大规模氢气生产、运输、储存以及利用。

目前，美国每年生产一千万吨的氢气（其中95％是通过天然气的集中重整），占全球供应量的七分之一。其他方法包括由水分解产生氢气，例如电解、光电化学电池或太阳能热化学系统。如今，氢主要用在炼油和氨工业中，其他新兴应用也包括燃料电池汽车、金属精炼和天然气合成生产等领域。

虽然美国氢产量高，但这些由天然气产生的氢属于灰氢和蓝氢。美国在绿氢方面起步晚.为了进一步降低氢成本，减少碳排放，需要通过风能和太阳能电力将水分解为绿氢。

蓝氢可以为2030年后“绿氢”铺平道路，使绿色氢的运输和储存成为可能

IRENA报告认为，想要脱碳，主要取决于氢是如何产生的。在制氢方面，目前和未来的能源选择可以分为灰色氢(化石燃料为主)、蓝色氢(化石燃料生产+碳捕获、利用和储存)和绿色氢(可再生能源为主)三种。IRENA指出，随着可再生能源成本的大幅下降，同时鉴于限制二氧化碳排放的紧迫性，绿氢的潜力将变得更为显著，特别是对所谓的“难以脱碳”行业以及钢铁、化工、航运和航空等能源密集型行业。 

氢制造流程示意图（Source: U.S. Department of Energy）

为什么绿色氢突然变得如此重要？

未来如果想要实现完全脱碳，其中一个方法是使整个能源系统电气化，并使用清洁的可再生能源。但是使整个能源系统电气化是很困难的，或者至少比将可再生能源发电与低碳燃料相结合要贵得多。绿氢则是可以替代当今化石燃料的几种潜在的低碳燃料之一。

氢作为清洁能源载体

当然，氢远非理想的燃料。因为它密度太低，使其难以存储和运输。易燃易爆的特效导致它存储和运输成本很高，2019年6月挪威的加氢站爆炸就是一个例子。但也有专家认为，氢已经被工业广泛使用，因此与储存和运输有关的技术问题不是不可克服。另外，氢的运用非常普遍，可用于从加热、长期储能到运输等各个领域。

绿氢未来将广泛应用于各个领域，这意味着会有大量的公司可以从迅速发展的氢能经济中受益。传统石油和天然气公司，正日益面临削减化石燃料生产的呼吁，因此转移到氢能变得迫切也更自然而然。几家石油巨头都在争夺绿氢开发的领先地位。例如，壳牌公司在5月份与能源公司Eneco联手竞标荷兰最新海上风电招标项目的产能，以开发荷兰绿氢集群。此后，BP太阳能开发商Lightsource BP透露，考虑在澳大利亚开发一个由1.5GW的风能和太阳能发电供能的绿氢项目。

绿氢成本是否有竞争力？

现阶段，生产绿氢仍然很昂贵。去年IEA发布的一份报告（2018年的数据）， 绿氢的成本大约每公斤3至7.50美元，而使用蒸汽甲烷重整的氢气生产成本为0.90至3.20美元。

降低电解槽的成本对于降低绿氢的价格至关重要，但这不是一蹴而就的事情，不光需要时间，也跟规模有关。IEA 去年的报告指出，到2040年，电解槽的成本可能会从目前的每千瓦约840美元下降一半 。

商业化绿氢需要大量便宜可再生能源电力供应，因为电解过程会损失很多电力。电解槽效率只有60％到80％。如果再将氢作为燃料电池来提供动力，就会进一步损失电量，能源效率会是很大损失。

乐观派认为，只要绿氢发展成一定规模，就可以消纳欧洲大型海上风电场发出的可再生电力。但是，由于电解槽太贵，开发绿氢项目的企业不可能提前建设好电解槽再等海上风电价格大降。更大可能是在资源丰富的地区建造绿氢生产工厂，同时配备专用的可再生能源发电资产。

2020年至2025年预计绿氢项目累计装机容量（MW）

因此，目前绿氢比例还太小，仅占全年氢总产量的不到1％。当然，进入2020年后，绿氢项目越来越多，增长很快，上半年预计的绿氢项目已经超过8.2GW。起码有17个项目的容量达到或超过100MW。预计2027年单个项目平均电解槽容量超过600MW。

全球各国积极推动绿氢的发展

绿氢正火，起码有10个国家提出氢能战略，希望将氢气用于未来的能源安全，并作为能源出口。这些国家包括：

• 澳大利亚，与西门子合作一个5GW的太阳能和风能联合项目；
• 加拿大，Ballard Power Systems将19.9%股份卖给中国维柴动力；
• 中国，绿氢和氢能燃料电池计划2030年100万辆，武汉提出氢能城市计划；
• 法国，对外投资以及部署氢动力客车；
• 德国6月正式部署氢能战略，氢成为能源转型最热话题；
• 日本，氢燃料汽车在丰田、本田等车企推动下，发展很快，计划全球建1万个加氢站；
• 挪威，因水电发电，有望采用水电制氢，但挪威的加氢站爆炸，也引起了全球重视；
• 韩国，计划在2030年85万辆氢能源汽车上市，但韩国也发生了氢爆炸，可能会引起担忧；
• 英国，因海上风电发展最快，正在寻求与氢结合。
• 除了2020年7月份欧盟提出的氢能战略，还包括葡萄牙在今年五月份公布的一项国家氢能战略。
• 美国在氢能方面进展缓慢，和海上风电发展一样动力不足。但加州对氢能特别是绿氢兴趣很大，因为加州脱碳压力非常大。

H2@Scale项目宣传页

www.energy.gov/sites/prod/files/2019/02/f59/fcto-h2-at-scale-handout-2018.pdf