目前，商用電解槽法，能耗水平約為4.5~5.5kWh/Nm3H2，即50~67kWh/kgH2。由此推算，水電解制氫成本中電費成本超過20元/kg(電價按0.4元/kWh計算)。因此，水電解制氫的關鍵在于降低用電價格或是降低電解過程的能耗，提高能量轉換效率，然而后者也是技術難點所在。目前，日本再次突破技術，提高了電解水制氫的能量轉換效率，但能耗水平依然在3.8kWh/Nm3H2。

據(jù)云南省科技廳消息，云南省正在編制“綠色能源牌”三年科技行動計劃，重點是水電鋁、水電硅、新能源汽車、水電氫、材料基因工程等“綠色能源牌”重點領域。其中，水電氫作為清潔載能產業(yè)，首次被列入云南省“綠色能源牌”打造工程。

隨著經濟發(fā)展，全球能源需求不斷增長，煤、石油等化石燃料因不可再生，終有枯竭的一天。同時，使用化石燃料產生的二氧化碳等溫室氣體造成全球變暖、冰雪融化、海平面上升等環(huán)境問題，也越來越被社會重視。

近年來，隨著應用技術發(fā)展逐漸成熟，氫能作為清潔的二次能源，與其相關的產業(yè)備受世界各國關注，美國、德國、日本等發(fā)達國家相繼將發(fā)展氫能產業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。

2016年，國家發(fā)改委、國家能源局等聯(lián)合發(fā)布的《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》，提出了能源技術革命重點創(chuàng)新行動路線圖，將“氫能與燃料電池技術創(chuàng)新”列為15項重點任務之一。這意味著，氫能產業(yè)也被我國納入了國家能源戰(zhàn)略。

氫能或為能源的終極形態(tài)

隨著石油煉制工業(yè)，以及石油化學工業(yè)飛速發(fā)展，氫氣消耗量也在迅速增加。在石油、化工、精細化工、醫(yī)藥中間體等行業(yè)中，氫氣是重要的合成原料氣;在冶金、電子、玻璃、機械制造等行業(yè)中，氫氣也是不可缺少的保護氣，同時氫氣也被用作特種航天燃料。現(xiàn)在，氫氣作為清潔能源，在歐美日等發(fā)達地區(qū)被廣泛使用。

國內外的實踐表明，氫氣作為清潔的二次能源，可廣泛應用于燃料電池車輛(包括乘用車、商用車、特種車、軌道車等)、發(fā)電(包括熱電聯(lián)供分布式發(fā)電、備用電源等)，也可摻入天然氣用于工業(yè)和民用燃氣。此外，氫能具有可規(guī)模化儲存的特性，是未來能源結構的重要組成部分。其廣泛應用可部分替代石油、天然氣等化石能源，是解決目前能源危機、環(huán)境污染的良方。

從歷史上三次能源革命來看，化石燃料時代向綠色能源時代的轉變是能源開發(fā)利用的自然規(guī)律和趨勢。傳統(tǒng)燃料中碳原子與氫原子數(shù)目之比從固態(tài)的煤(1∶1)，到液態(tài)的石油(1∶2)，再到氣態(tài)的天然氣(1∶4)。加氫減碳的趨勢，決定了零碳綠色氫能或為未來新能源的終極形態(tài)。氫能具有能量密度大、轉化效率高、儲量豐富、適用范圍廣和環(huán)保無污染等特點，從開發(fā)到利用全過程可實現(xiàn)零排放、零污染，是最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉础?/p>

目前，我國可再生能源持續(xù)高速增長，但能源結構中火電占比仍然過高，與美日等發(fā)達國家相比，我國可再生能源的發(fā)展前景更大。截至今年6月底，我國包括水電在內的可再生能源發(fā)電裝機容量達到6.8億千瓦，不到全國發(fā)電總裝機容量的40%。

不過從長遠發(fā)展來看，在化石燃料枯竭后，可再生能源中目前發(fā)電裝機最多的水電、風電、光伏均在時間、空間具有一定局限性，難以完全填補化石能源發(fā)電的缺位。尤其我國水電主要分布于西南和南方地區(qū)，其汛期與枯期發(fā)電能力季節(jié)性不平衡，是西南地區(qū)棄水的重要原因;裝機容量第二的風電，除了占用土地(海洋)面積較多外，還存在發(fā)電不穩(wěn)定、不可控的明顯缺陷;光伏不僅存在晝夜間歇性工作的特點，還有轉換效率不高、占地面積大等劣勢。如何在水、風、光外，進一步豐富我國可再生能源類型，是我國進一步優(yōu)化能源結構，促進綠色發(fā)展面臨的重要命題。

制約我國可再生能源發(fā)展的另一個問題是，可再生能源生產地遠離我國用電負荷中心，造成供需不平衡，并導致棄水、棄風、棄光的現(xiàn)象突出。去年，全國棄水電量515億千瓦時，棄風電量419億千瓦時，棄光電量73億千瓦時。今年上半年，全國棄風電量182億千瓦時，棄光電量30億千瓦時，主要流域水電棄水電量約38.5千瓦時。雖然風電和光伏發(fā)電消納形勢有所好轉，棄電量和棄電率“雙降”，但情況仍然不容樂觀，部分地區(qū)(新疆、甘肅)棄風率依然高于20%。利用可再生能源富余電量制備氫氣，并發(fā)揮氫能的儲能作用，平衡可再生能源峰谷矛盾，不失為解決問題的一計良策。

理論上，氫儲能系統(tǒng)只需要制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫發(fā)電系統(tǒng)三個部分。工作原理也比較簡單：制氫系統(tǒng)利用富余電量電解水制氫，由高效儲氫系統(tǒng)將制得的氫氣封存起來，待需要通過燃料電池發(fā)電回饋到電網(wǎng)。同時，氫儲能系統(tǒng)還可以與氫產業(yè)鏈中的應用領域結合，在化工生產、燃氣、燃料電池汽車等方面發(fā)揮更大的作用。該系統(tǒng)基于電能鏈和氫產業(yè)鏈兩條路徑實現(xiàn)能量流轉，可同時提升電能質量與氫氣作為化學原料的附加價值。

今年6月，青海通過風光水互補，成功實現(xiàn)了連續(xù)9天、216小時使用清潔能源供電。特斯拉在發(fā)布儲能電池(Powerpacks)時做過預測，當美國所有房屋樓頂都鋪滿太陽能板時，其發(fā)電能量足以替代美國所有的其他能源。這意味著，隨著可再生能源發(fā)電裝機的增長，可再生能源的供應不是問題，但如何解決可再生能源周期性的不平衡才是產業(yè)發(fā)展的關鍵。氫儲能系統(tǒng)如果可以成功運用，正好可以解決這一難題。

氫燃料電池前景豐滿但現(xiàn)實骨感

氫燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的裝置，具有轉換效率高、零排放等特點，是目前最有前景的氫能利用場景，同時也是氫儲能系統(tǒng)的核心組成部分。之所以將氫氣運用在燃料電池中，是因為燃料電池使用過程中熱量釋放相對較少，根據(jù)能量守恒定律，其能量轉化效率遠高于內燃機。以氫氣作為能源載體的燃料電池車能效，較使用傳統(tǒng)燃料的內燃機車能效提升2.5倍。

今年5月，李克強總理在日本訪問時，參觀考察了豐田汽車北海道廠區(qū)，深入了解了氫燃料電池汽車Mirai，使得氫燃料電池再次走進公眾視野。充氫3分鐘、續(xù)航650公里兩項數(shù)據(jù)直擊純電動汽車充電時間長、續(xù)航里程短的兩大“痛點”。因此，不少業(yè)內人士認為，氫能源汽車是新能源汽車的終極形態(tài)。

Mirai是日本豐田2014年底推出的全球第一款氫燃料電池量產車型，該車2015~2017年銷售合計約5700輛。目前，Mirai的年產量約為3000輛，根據(jù)豐田計劃，在2020年前后包括Mirai在內的氫燃料電池車銷量將擴大至每年3萬輛以上。

實際上，豐田并不是唯一布局氫燃料電池的車企。上世紀90年代以來，奔馳推出燃料電池汽車necar1，豐田推出FCHV-adv，本田推出FCXClarity，現(xiàn)代推出ix35燃料電池版。上汽集團、宇通客車、中通客車、比亞迪、金龍汽車、北汽集團等國內車企，在氫燃料領域也有布局研究，但因成本造價等問題至今還未大量生產。

與自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等新技術不同的是，氫燃料電池并不是一項比較新的技術。早在1966年，通用汽車就打造出了世界上第一輛氫燃料電池汽車——Electrovan。在該車測試后發(fā)現(xiàn)，燃料電池的耐久度、環(huán)境適應性都有不錯的表現(xiàn)。這套燃料電池系統(tǒng)后被移植到了NASA登月探險車上。

然而，受成本制約，氫燃料汽車至今仍未實現(xiàn)全面商業(yè)化。氫燃料電池在使用過程中需要加氫，但氫氣的儲存和運輸具有一定的門檻，制約了氫能的推廣。目前，儲氫分為氣態(tài)和液態(tài)兩種方式。其中，氣態(tài)儲氫單位體積儲存量小，且安全性差;液態(tài)儲氫在氫液化過程中也會消耗大量能量(壓縮功)，且該方式對儲器的絕熱性能要求也較高。同時，實現(xiàn)氫燃料電池車的普及，也需要建立整套配套設施，與純電動汽車配套充電設施相比，加氫站建設成本更高(約1500萬元)，且靈活性不足。這意味著，氫能汽車產業(yè)的發(fā)展不僅需要借助政府的行政力量加以引導，還需要具有清晰、成熟的商業(yè)模式可循。據(jù)統(tǒng)計，全球目前建成的加氫站僅300多座，其中我國投入運營的加氫站僅為13座。

此外，目前已發(fā)現(xiàn)的最適用于氫燃燒電池的催化劑，是貴金屬鉑。以豐田Mirai為例，大約需要100克鉑(約合1.8萬元人民幣，單車鉑用量持續(xù)下降中)才可以讓車上的燃料電池正常工作。然而價格昂貴并不是主要的因素，金屬鉑容易受環(huán)境影響，空氣中的二氧化硫、硫化氫等雜質都可能導致燃料電池陰極催化劑不可逆轉的損傷，從而導致電池性能下降。

目前，Mirai車型在日本官方售價是724萬日元(約合44萬元人民幣)，補貼后個人購車約500萬日元(約合30萬元人民幣)。然而，特斯拉入門車型Model3在美國起售價僅3.5萬美元(約合24萬元人民幣)，加上補貼后將更便宜。可見，氫燃料電池汽車在成本方面還不具有競爭優(yōu)勢。

從使用成本來看，目前傳統(tǒng)汽車(1.6L)每公里油錢約為0.65元，純電動汽車每公里耗電費用約為0.1元。氫燃料電池汽車以Mirai為例，該車加滿氫氣(約5kg)可續(xù)航650公里。氫氣價格以50元/kg計算，Mirai加滿氫氣需要250元，每公里成本約0.38元，其日常使用成本低于傳統(tǒng)燃油汽車，但與純電動汽車相比仍然不具優(yōu)勢，亟待通過科技創(chuàng)新，進一步提高氫能利用效率。

此外，氫燃料電池因催化劑容易“中毒”，比較嬌貴，對助燃的空氣要求很高。專門從事儲能電池研究的中國工程院院士楊裕生講過一個案例，我國曾進口過兩臺德國的氫燃料電池電動公交車，原計劃在北京郊區(qū)行駛兩年，結果才行駛一年就用壞了6臺燃料電池發(fā)動機。可以想象，氫燃料電池汽車的后期保養(yǎng)維護費用不低。

實際上，650公里僅為Mirai的理想續(xù)航里程(實際續(xù)航里程約500公里)，50元/kg的價格也是理想價格。以當前的制氫成本來看，在沒有政府補貼的情況下，氫氣的實際生產成本高于50元/kg，算上儲存運輸費用，實際成本更高。

制氫成本下降的空間在哪里

氫氣需要通過化學轉化的方式從烴和水等物質中提取。對于整個氫能產業(yè)而言，除了存儲運輸技術外，氫能的大規(guī)模、低成本和高效制備是首先需要解決的關鍵性難題。

氫氣的生產途徑很多，從生產氫的原料可分為兩類：非可再生能源制氫和可再生能源制氫。

目前，天然氣制氫、甲醇制氫、水電解制氫，是除煤制氫外最主要的制氫方法。其中，天然氣制氫技術最為成熟，工藝流程安全可靠，投資建設成本低;甲醇制氫工藝流程簡單，相對易操作維護，主體設備為常見化工設備，技術也較為成熟;水電解制氫流程簡單，操作簡便，甚至可實現(xiàn)無人值守全自動操作。三種方式制氫純度都較高，其中水電解制氫純度最高。前兩種方式制氫成本主要取決于天然氣和甲醇的價格，水電解制氫則主要取決于電價的高低。

雖然非可再生能源制氫是目前市場制取氫氣的主要方法，但隨著可再生能源邊際成本不斷下降，將逐漸被后者替代。從長遠來看，水能、生物能、太陽能、風能等可再生能源制氫，不管是從對環(huán)境的保護還是可持續(xù)性來看，都具有較強競爭力。尤其隨著因溫室氣體過度排放造成的全球變暖及日益嚴重的環(huán)境污染，可再生能源制氫廢物零排放、環(huán)境零污染的優(yōu)越性逐步體現(xiàn)出來。

如果能充分利用棄水、棄風、棄光所產生電能進行電解水制氫，則意味著不僅能解決可再生能源消納問題，還能實現(xiàn)綠色制氫。電解水制氫工藝，從20世紀初發(fā)展至今已有110多年的工業(yè)化歷程，技術較為成熟。利用兩個不產生化學反應的電極，在無機酸或堿金屬氫氧化物的水溶液傳導直流電流，陰極生成氫氣，陽極生成氧氣。電解水方法大規(guī)模制氫主要有兩條降成本的途徑，一是降低電解過程的能耗，二是降低電價。

目前，商用電解槽法，能耗水平約為4.5~5.5kWh/Nm3H2，即50~67kWh/kgH2。由此推算，水電解制氫成本中電費成本超過20元/kg(電價按0.4元/kWh計算)。因此，水電解制氫的關鍵在于降低用電價格或是降低電解過程的能耗，提高能量轉換效率，然而后者也是技術難點所在。目前，日本再次突破技術，提高了電解水制氫的能量轉換效率，但能耗水平依然在3.8kWh/Nm3H2。

由此可見，電解水大規(guī)模制氫降成本空間最大的途徑，是充分利用可再生能源的富余產能，以降低用電成本的方式降低制氫成本。以云南為例，云南電網(wǎng)2018年目標是棄電量控制在200億kWh，如果將這些電量全部用于電解水制氫。以70kWh/kg計算，可制得2.9億公斤氫氣，足夠240萬輛氫燃料電池汽車每年充氫24次(平均每月兩次)。如果加氫價格以50元/kg計算，經濟效益達145億元。