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氫能源作為綠色零碳的二次能源，是解決我國能源問題、能源體系轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和碳達峰、構(gòu)建能源領域雙循環(huán)體系、保障國家能源安全的必經(jīng)之路。在政府端持續(xù)政策紅利釋放、產(chǎn)業(yè)端需求驅(qū)動、技術迭代支撐下，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已迎來窗口期中國可再生能源消納能力提升遠遠滯后于發(fā)電占比的提升。

氫的制備

二次能源可以分為“過程性能源”和“含能體能源”，電能是目前應用最廣的“過程性能源”，汽油、柴油是應用最廣的“含能體能源”。目前“過程性能源”尚不能大量直接儲存，人們也將目光投向?qū)ふ倚碌?ldquo;含能體能源”。氫能正是一種人們期待的新的“含能體能源”。

從能效上看，氫能是除核燃料外發(fā)熱值最高的，其熱值約為140MJ/kg，高達煤炭、汽油等傳統(tǒng)燃料的3倍以上，燃燒性能好、燃點高、燃燒速度快。氫能應用主要是直接燃燒和燃料電池技術。燃料電池是繼水力發(fā)電、熱力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術，作為電解水的逆過程，反應產(chǎn)物是水，發(fā)電效率可以達到50%以上。

氫氣的制取主要有三種主流的技術路線：以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源重整制氫（灰氫）；

以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)物提純制氫（藍氫）。使用碳捕捉與封存（CCS）技術，可以使碳排放量能夠減少90%以上，采用CCS 技術制取的氫氣被稱為“藍氫”（CCS 技術將大幅增加制氫成本）；

以電解水制氫為代表的可再生能源制氫（綠氫），這是未來制氫的主流技術。

技術分析

電解水制氫是指在直流電作用下將水進行分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣的技術，目前主要分為堿性電解水ALK、質(zhì)子交換膜電解水PEM、高溫固體氧化物電解水SOEC和陰離子交換膜電解水AEM。在技術成熟度上，堿性電解水和PEM質(zhì)子交換膜電解水處于成熟規(guī)?；瘧秒A段；高溫固體氧化物電解水處于生產(chǎn)測試到系統(tǒng)驗證階段；陰離子交換膜電解水AEM處于技術開發(fā)階段。中短期內(nèi)的大規(guī)模電解水制氫項目，仍將以堿性電解水和PEM電解水技術為主；長期來看SOEC和AEM技術，具備光明的應用前景。

堿性電解水ALK制氫技術是目前最為成熟，已大批量商業(yè)化規(guī)模使用的制氫技術，單槽產(chǎn)氫量在2000~3000Nm3/h，其工作溫度介于70~90℃，工作壓力介于1~3MPa，電流密度通常小于0.8A/cm2，制氫直流能耗介于4.0~5.0kWh/Nm3，能源效率介于60%~80%。

較之于其他制氫技術，堿性電解水制氫可以采用非貴金屬催化劑且電解槽具有15~20年左右的較長使用壽命，因此具有成本上的競爭力。但是該技術使用的電解質(zhì)是強堿，具有腐蝕性和危害性，加之其啟動、調(diào)節(jié)速度較慢，運行功率范圍較窄，與可再生能源發(fā)電的適配性還有待進一步提升。

質(zhì)子交換膜PEM制氫技術近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，目前PEM電解單槽產(chǎn)氫量在400~500Nm3/h，其工作溫度介于50~80℃，工作壓介于3~7MPa，電流密度通常介于1~4A/cm2，直流制氫能耗介于3.8~4.8kWh/Nm3，能源效率略高于堿性電解。

質(zhì)子交換膜電解技術流程簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積遠小于同規(guī)模的堿性電解系統(tǒng)，且運行功率范圍更寬10%～150%，啟動更快，適應可再生能源發(fā)電的波動性特征，易于與可再生能源相結(jié)合。但是，PEM電解槽需要使用含貴金屬（鉑、銥）的電催化劑和特殊膜材料，成本較高，使用壽命也不如堿性電解槽，目前仍處于示范推廣階段。

電解水制氫當前行業(yè)內(nèi)的技術攻克目標主要是負荷響應范圍、交（直）流電耗、系統(tǒng)耗水量等，負荷響應范圍主要是針對新能源發(fā)電的隨機性、波動性實現(xiàn)電解水制氫設備的0%~150%寬功率響應、交（直）流電耗從5.0kWh/Nm3水平降至4.0kWh/Nm3水平、系統(tǒng)耗水量從每噸氫耗水20t降至10t。

高溫固體氧化物SOEC制氫技術目前處于研究驗證階段，其工作溫度介于500~1000℃，工作壓約0.1MPa，電流密度通常介于0.3~1A/cm2，能源效率在實驗室測試可達90%。

高溫固體氧化物電解多采用陶瓷作為電解質(zhì)，材料成本低，具有很高的能源效率，但工作溫度要求高，需要額外的熱源，可與核電站、光熱、地熱等系統(tǒng)的熱源相結(jié)合。高溫固體氧化物技術最大優(yōu)勢在于可雙向運行，既可以利用高溫固體氧化物電解（SOEC）將電轉(zhuǎn)化為氫，亦可利用高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）將氫轉(zhuǎn)化為電，便于為電網(wǎng)或微網(wǎng)提供平衡服務，并提高設備的整體利用率，降低成本。SOEC電解槽進料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣（氫氣和一氧化碳的混合物），再進一步生產(chǎn)合成燃料。因此SOEC技術有望被廣泛應用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學合成品等，這是歐盟近年來的研發(fā)重點。

SOEC電解技術尚需解決諸如高溫下電堆衰減、熱力系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)的熱安全問題等，國外已有企業(yè)開展小規(guī)模商業(yè)應用，國內(nèi)目前仍處于實驗室規(guī)模的驗證示范階段。

陰離子交換膜AEM制氫技術，通常采用純水或低濃度堿性溶液作為電解質(zhì)，與PEM電解的根本區(qū)別在于將膜的交換離子由質(zhì)子改換為氫氧根離子。該技術工作溫度較低，介于40~60℃，工作壓力低于3.5MPa，電流密度介于1~2A/cm2，能源效率介于60%~80%。

陰離子交換膜電解使用的電極和催化劑是鎳、鈷、鐵等非貴金屬材料，原材料成本低廉，同時將堿性電解槽的低成本與PEM的簡單、高效相結(jié)合，其系統(tǒng)響應快速，亦匹配可再生能源發(fā)電的特性。若實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，亦存在降本推廣的潛力。

AEM目前仍然存在著諸多不足：如氫氧根離子導通率較低，膜的傳導性低，膜的機械、化學穩(wěn)定性不高，電極結(jié)構(gòu)和催化劑動力學需要優(yōu)化等。AEM性能的提升通常是通過調(diào)整膜的傳導性，或通過添加支持性電解質(zhì)（如KOH、NaHCO3）來實現(xiàn)，但這又會降低耐久性。因此AEM將面臨更大的挑戰(zhàn)，需要研制更薄或具有更高電荷密度的膜，同時對BOP輔助系統(tǒng)也提出了較高的要求。

國產(chǎn)化分析

我國堿性電解技術已實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化，堿性電解裝備實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能與國際先進水平同步，部分指標優(yōu)于國外競爭者。而產(chǎn)品成本遠低于國際水平，在市場上具備較強競爭力。早期聚焦堿性電解制氫技術與設備制造的廠商包括派瑞氫能、考克利爾競立、天津大陸等深耕多年的老牌企業(yè)，近年來風電、光伏、化工、燃氣等產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)先后布局堿性電解槽業(yè)務，同時依托大量可再生能源制氫項目的驅(qū)動，行業(yè)產(chǎn)銷量大增，涌現(xiàn)一大批包括陽光氫能、隆基氫能、華電重工、長春綠動、石化機械等新秀企業(yè)。據(jù)公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當前國內(nèi)電解水制氫設備廠商規(guī)劃的總產(chǎn)能已達到38GW，以堿性電解槽為主。

我國PEM電解技術實現(xiàn)了大部分的國產(chǎn)化，少量核心部件如質(zhì)子交換膜主要依賴進口。國內(nèi)當前具備質(zhì)子交換膜初步生產(chǎn)能力，處于驗證階段，但核心材料，如膜樹脂、膜溶液、催化劑等多為進口。國內(nèi)第二代膜電極的制造技術已比較成熟，實現(xiàn)對外出口。國內(nèi)PEM電解裝備廠家，主要包括國氫科技、山東賽克賽斯、湖南淳華、派瑞氫能、中科院大化所等，已實現(xiàn)小規(guī)模商業(yè)化應用，但設備價格遠高于同等規(guī)模的堿性電解槽，在電流密度、電解效率、可靠性方面，與國外存在差距。

我國高溫固體氧化物電解技術總體產(chǎn)業(yè)化程度不高，推出的商業(yè)化產(chǎn)品較少。現(xiàn)階段國內(nèi)企業(yè)SOEC電解制氫功率以千瓦級為主，集中在2~25kW，電流密度約0.5~1.0A/cm²。設備廠家包括質(zhì)子動力、上海翌晶、武漢華科福賽等，其中質(zhì)子動力于2023年3月在青島投運一期兆瓦級產(chǎn)線，上海翌晶于4月下線年產(chǎn)能達百兆瓦的SOEC電堆自動化產(chǎn)線。

我國陰離子交換膜制氫技術正處于小型研發(fā)示范階段，清華大學、吉林大學、山東東岳集團、山東天維膜技術有限公司進行了陰離子交換膜研制相關工作，中科院大連化物所重點開展了催化劑的研發(fā)工作，中船718所開展了AEM電解槽的集成與基礎研發(fā)工作。北京中電綠波于2023年8月發(fā)布全國首臺在線運行10Nm³/h的AEM離子膜電解槽，穩(wěn)石氫能于12月發(fā)布10kW的AEM電解槽，并擬搭建一期產(chǎn)能4GW的陰離子交換膜產(chǎn)線，北京申乾科技則是引進了德國Enapter公司AEM產(chǎn)品。整體來看，AEM還是一項前沿技術，其產(chǎn)品壽命、產(chǎn)氫規(guī)模等方面，離大規(guī)模商業(yè)化還有一段距離。

綠氫合成氨分析

合成氨是成熟的生產(chǎn)工藝，國際上先進的合成氨技術均采用低壓合成工藝，常用的大型氨合成有凱洛格（Kellogg）、托普索（Topsøe）、卡薩利（Casale）、布朗（Braun）等公司所開發(fā)的工藝，國內(nèi)早期所應用的工藝多數(shù)從國外引進，各種工藝均從不同角度力爭提高氨凈值和熱量回收效率、降低觸媒層高度及整個塔的阻力降。

自2015年起，我國合成氨行業(yè)出現(xiàn)過產(chǎn)能過剩現(xiàn)象，但現(xiàn)如今該行業(yè)又邁入轉(zhuǎn)型升級的快速發(fā)展階段。大型合成氨工業(yè)中，大型空分技術國內(nèi)已十分成熟，低壓合成氨技術我國已步入國際先進水平，已建成諸多大型合成氨基地，同時涌現(xiàn)了云天化、湖北宜化、華魯恒升等一大批具有較高技術水平、較大生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)開始研發(fā)設計合成效果更佳的氨合成系統(tǒng)，最有代表性的企業(yè)有南京國昌、南京聚拓與湖南安淳等等。現(xiàn)如今所設計的合成塔，塔徑為600~3200mm，合成塔的合成能力相比之前有較大提升，提升最為明顯的就是合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的流程所設計的醇烴化工藝搭配醇烴化產(chǎn)生的氣體進行精制時應用的工藝所結(jié)合的新型氨合成工藝，此工藝目前設計領先，運行成熟?？傮w來看，國內(nèi)合成氨研究基本處于國際領先地位，綜合考慮從可再生能源制氫到合成氨一體化技術，基本上已達到國際領先水平。

合成氨工藝發(fā)展趨勢是大型化、低壓化、節(jié)能化、安全環(huán)?；３说蜏氐蛪汉铣砂?，還有直接電催化合成氨、低溫常壓合成氨、等離子體法合成氨等新技術。

可再生能源電解水制氫合成氨的設計與運行存在諸多挑戰(zhàn)，需要在合成氨工藝柔性優(yōu)化與調(diào)控、大規(guī)模電解水制氫平穩(wěn)運行、制氫負荷參與電網(wǎng)調(diào)控和全系統(tǒng)技術經(jīng)濟性等方面展開研究。可再生能源電解水制氫合成氨負荷的調(diào)控策略和動態(tài)控制技術是當前正全力突破的關鍵技術領域。具體包括：高效低溫低壓合成氨技術；可再生能源波動條件下的合成氨工藝流程優(yōu)化和柔性調(diào)控技術；考慮“電-熱-質(zhì)”耦合的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動態(tài)控制技術。

綠氫制備綠氨下一步需要進行的突破，主要是需考慮可再生能源供給和綠氨市場消費需求的波動，同時充分考慮操作安全性和過程經(jīng)濟性，研究復雜變工況條件下的催化劑動力學機制、適應柔性生產(chǎn)的合成氨工藝流程技術等，主要是：波動性可再生能源與氨合成塔、壓縮機、氣體分離、換熱網(wǎng)絡等適配方案與協(xié)同控制，實現(xiàn)冷熱電互濟，提升系統(tǒng)靈活性，提高綜合轉(zhuǎn)換效率。

綠氫合成甲醇分析

目前綠色甲醇主要有兩種生產(chǎn)途徑：一種是生物質(zhì)甲醇，利用生物基原料生產(chǎn)；另一種是綠電制甲醇。

生物質(zhì)制甲醇主要有兩種途徑：一是采用生物質(zhì)氣化-合成氣的途徑，二是生物質(zhì)發(fā)酵制甲烷再制甲醇。

生物質(zhì)氣化制甲醇包含生物質(zhì)氣化和合成氣制甲醇兩個部分，首先是生物質(zhì)氣化形成富碳合成氣，再經(jīng)氣體重整合成甲醇。其中，生物質(zhì)氣化技術是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量合成氣的最具前景的關鍵工藝之一，合成氣制甲醇的技術原理跟煤制甲醇類似，至今已有80年歷史，工藝路線已經(jīng)成熟穩(wěn)定。國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術研究側(cè)重于氣化技術、裝備及原理三個關鍵方面。關鍵設備包括生物質(zhì)氣化爐、蒸汽變換室以及甲醇合成器。研究的關鍵因素為生物質(zhì)氣化當量比、蒸汽變換溫度、氫循環(huán)比等，未來的發(fā)展趨勢是研究如催化氣化技術、等離子體氣化技術等具有更高的轉(zhuǎn)化效率和反應速度的氣化技術，針對生物質(zhì)基合成氣的甲醇合成催化劑，不同工藝方案（氣化劑、反應溫度、壓力）下的生物質(zhì)甲醇合成系統(tǒng)的工藝匹配等關鍵技術。

生物質(zhì)發(fā)酵制甲醇，是利用微生物將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，通過甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣與一氧化碳合成甲醇，或?qū)⑵渲械亩趸挤蛛x，加氫重整，也可合成生物甲醇。受限于生物質(zhì)發(fā)酵技術，目前暫未實現(xiàn)大規(guī)?；I(yè)應用。由于生物質(zhì)發(fā)酵的特性及其在反應過程中的變化比較復雜，制取的甲醇質(zhì)量可能受到一定影響，需要進一步研究和優(yōu)化反應過程，提高轉(zhuǎn)化產(chǎn)量和質(zhì)量。實現(xiàn)反應過程的可控性，提高反應速率和效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、加快工業(yè)化進程是生物質(zhì)發(fā)酵制甲醇技術亟待解決的問題。

綠電制甲醇主要以二氧化碳為原料，其技術路線分為：①綠電制綠氫耦合二氧化碳制甲醇；②二氧化碳電催化還原制甲醇。其中，二氧化碳電催化還原制甲醇工業(yè)化尚存一些關鍵性挑戰(zhàn)，相比之下二氧化碳加氫制甲醇被證明是最具可實施性和規(guī)?；穆肪€。

由CO加H2合成甲醇的工藝技術已經(jīng)成熟穩(wěn)定，而對于以CO2作為原料與氫氣反應制備甲醇，相比于一氧化碳加氫制甲醇，突出的問題主要有三個：一是熱力學平衡限制二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率較低，二是較高溫度下嚴重的逆水煤氣變換反應降低了甲醇選擇性，三是反應生成的水會加速催化劑的失活。

催化劑是CO2加氫制甲醇反應的關鍵，研究側(cè)重于提高催化劑的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，甲醇選擇性、活性及反應穩(wěn)定性等方面。目前可用于合成綠色甲醇的催化劑包括Cu基催化劑、金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑等，但主要側(cè)重于Cu基催化劑的研究。國內(nèi)已有機構(gòu)開發(fā)出銅基、鋅基等催化劑，但總體來看研究尚處于小試階段。

相比于甲醇催化劑的研究，CO2加氫制甲醇的工藝及設備方面的研究相對較少，但從工程角度來看，工藝與設備的研發(fā)同樣具有較好的應用前景。甲醇裝置的大型化是今后行業(yè)發(fā)展的一個方向，研究重點在對反應器工藝的優(yōu)化以提高CO2轉(zhuǎn)化率同時節(jié)能降耗。

日本、德國相繼建成年產(chǎn)100噸和500噸的甲醇試驗工廠，中國科學院上海高等研究院、西南化工研究設計院亦分別建成年產(chǎn)5000噸甲醇工業(yè)試驗裝置。吉利是布局甲醇較早的企業(yè)，從甲醇制備、甲醇輸配、甲醇車輛應用等方面進行多年探索，于2015年投資冰島碳循環(huán)國際公司，利用地熱發(fā)電制氫與捕集的二氧化碳合成可再生甲醇。目前二氧化碳加氫制甲醇技術還處于工業(yè)化初期階段，技術路線已打通，已經(jīng)實現(xiàn)中試示范，接下來還需對技術做進一步改進，解決產(chǎn)業(yè)化問題。

綜上所述,目前甲醇主要的發(fā)展方向包括傳統(tǒng)合成工藝的改進及新合成技術的開發(fā)。裝置超大型化、工藝耦合、技術集成、綠色節(jié)能將是未來甲醇生產(chǎn)工藝發(fā)展的趨勢,以二氧化碳及生物質(zhì)為原料生產(chǎn)甲醇的技術,符合綠色化工、環(huán)境友好的特點,具有很好的發(fā)展前景。

原標題：氫能制備技術有何不同，國產(chǎn)化進程如何？