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隨著技術(shù)的成熟及經(jīng)濟(jì)性的大規(guī)模布局，氫能的使用有望實現(xiàn)全生命周期的低碳甚至零碳排放，且為實現(xiàn)“碳中和”發(fā)揮重要作用。
同時氫能具有靈活高效的特點：在所有燃料中，氫的單位質(zhì)量能量含量最高，氫氣的熱值約是原油的3.3倍，標(biāo)煤的4.7倍；另外，氫能可以連接氣、電、熱等不同的能源形式，也可以應(yīng)用在能源、工業(yè)、交通、建筑等多個場景，成為跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展的橋梁。
在中國，氫能源的發(fā)展越來越成為主流能源對話的重要內(nèi)容。我國作為世界上最大的氫能生產(chǎn)國，在世界能源革命發(fā)展的大浪潮中緊抓氫能發(fā)展機(jī)遇，結(jié)合本國國情，2020年繼續(xù)發(fā)力相繼出臺一系列氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展扶持政策。
中國加快制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是積極承擔(dān)氣候變化國際責(zé)任和推動國家能源實現(xiàn)安全供應(yīng)、可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)，也是構(gòu)建中國現(xiàn)代能源體系的重要方向。
一、氫能產(chǎn)業(yè)
人類對氫能的研究已有幾百年的歷史。如今，隨著“氫能”主題越來越成為國際社會主流能源對話的重要內(nèi)容，氫能產(chǎn)業(yè)形成了上游制氫、中游儲運氫和下游應(yīng)用日趨完善的產(chǎn)業(yè)鏈。
制氫產(chǎn)業(yè)作為氫能產(chǎn)業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)，是保障氫能產(chǎn)業(yè)鏈良好運行的基礎(chǔ)。中國具有豐富的制氫產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，經(jīng)過多年的工業(yè)積累和發(fā)展，中國氫氣年產(chǎn)量已超過千萬噸規(guī)模，成為世界上最大的氫能生產(chǎn)國。2019年，中國產(chǎn)氫量約2200萬噸，約占世界產(chǎn)氫量的三分之一。
從全球來看，天然氣是目前制氫的主要來源，全球每年約產(chǎn)氫7000萬噸，天然氣制氫約占四分之一。而就中國來看，由于煤炭在中國能源中占主導(dǎo)地位，煤制氫技術(shù)的產(chǎn)氫量在氫氣產(chǎn)能結(jié)構(gòu)中的比重最高。目前中國制氫規(guī)模在不斷擴(kuò)張，產(chǎn)氫量同比增速快，而氫能供給主要依賴化石能源，氫能的清潔經(jīng)濟(jì)供給任重道遠(yuǎn)。
二、制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)
氫作為二次能源，不可直接獲取，但可以通過一系列能源和技術(shù)來生產(chǎn)。目前制氫的技術(shù)多種多樣，且各有特點。那么都有哪些制氫方法呢？
熱化學(xué)方法：用熱量破壞現(xiàn)成化合物中的鍵能，使其重組為氫分子。熱化學(xué)方法是應(yīng)用最廣泛的制氫方法。目前全世界96%~97%的氫氣由化石能源的熱化學(xué)方法制造。
電化學(xué)方法：用電能破壞現(xiàn)成化合物中的鍵能，使其重組為氫分子。由于電的來源廣泛，電解水制氫純度高，對生成氫氣的凈化要求低。
等離子體法：用電能將現(xiàn)成化合物制成等離子體、破壞其原有的鍵能，使其重組為氫分子。使含氫化合物形成等離子體，以提高產(chǎn)氫量。
生物法：通過光合作用，在太陽光的參與下，將空氣中的CO2變成含氫的生物；或通過細(xì)菌的作用將水分解為氫和氧。反應(yīng)溫和、對環(huán)境沒有影響，大自然的重要循環(huán)。
光化學(xué)法：通過光的作用，在催化劑的作用下，將水變成氫和氧。反應(yīng)溫和、對環(huán)境沒有影響，離產(chǎn)業(yè)化有距離。
制氫技術(shù)的另一種分類方法是根據(jù)制氫原料分類，主要可以分為三種制氫路徑：一是以煤、石油、天然氣為主的化石能源直接制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣和醇類為代表的工業(yè)副產(chǎn)品制氫；三是電解水制氫，電作為能源載體，其生產(chǎn)方式可來自化石能源和可再生能源等。
而生物質(zhì)直接制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)路線仍處于實驗和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進(jìn)一步提升，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求。
1.化石能源重整制氫
我國是煤炭資源十分豐富的國家，煤制氫技術(shù)的發(fā)展非常迅速，是目前我國最主要的制氫技術(shù)之一。
煤制氫技術(shù)主要指煤的氣化制氫，在高溫、高壓或者加壓下，與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物。煤制氫技術(shù)路線成熟高效，可大規(guī)模穩(wěn)定制備，是當(dāng)前成本最低的制氫方式。天然氣制氫很早就發(fā)展成為工業(yè)中主流的氫氣制備技術(shù)，在國外許多國家的制氫技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
天然氣的主要成分為甲烷（CH4），是各類化合物中氫原子質(zhì)量占比最大的化合物，同時由于化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要通過水蒸氣、氧氣與甲烷反應(yīng)，先生成合成氣，再經(jīng)過化學(xué)轉(zhuǎn)化與分離制取氫氣。
2.工業(yè)副產(chǎn)品制氫
工業(yè)副產(chǎn)品制氫主要指焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、烷烴脫氫、甲醇、合成氨等工業(yè)副產(chǎn)氫氣。
煤在隔絕空氣的條件下高溫焦化制取焦炭后的副產(chǎn)叫焦?fàn)t煤氣，其中含有55%~60%的H2，可通過高溫高壓提純制氫。焦?fàn)t煤氣制氫裝置具有自動化程度高，操作簡單，節(jié)能降耗的優(yōu)點，但是也存在易產(chǎn)生廢氣，清潔度較低的缺點。
氯堿行業(yè)在燒堿生產(chǎn)的過程中析出混有氫氣的陰極氣體。氯堿工業(yè)副產(chǎn)物氫氣，依次除去氯、硫、氧，然后經(jīng)變壓吸附提純制得高純度氫氣。氯堿副產(chǎn)制氫具有氫氣提純難度小、耗能低、自動化程度高以及無污染的特點。
丙烯是重要的化工原料，而丙烷脫氫制丙烯的生產(chǎn)過程中將釋放副產(chǎn)氫氣，同理還有乙烷高溫裂解脫氫制乙烯會得到副產(chǎn)氫氣。烷烴脫氫副產(chǎn)品中氫氣含量高，雜質(zhì)少。
國外的甲醇中95%由天然氣生產(chǎn)，在中國由于“多煤、缺油、少氣”的資源稟賦特點，甲醇的生產(chǎn)主要來自于煤基甲醇和由天然氣制取的甲醇。
甲醇是傳統(tǒng)的化工行業(yè)，目前甲醇主要通過一氧化碳、二氧化碳的加壓催化氫化法來合成制取。本質(zhì)上，甲醇生產(chǎn)的直接原料是氫氣、一氧化碳和二氧化碳。在甲醇合成生產(chǎn)過程中未參與反應(yīng)的氫氣會被排出。
合成氨的生產(chǎn)原料多為煤、天然氣、重油等化石原料。合成氨同甲醇生產(chǎn)過程相似，都是以氫氣為直接原料。且在馳放氣中有大量未完全反應(yīng)的原料氣。
3.電解水制氫
目前主流的電解水制氫技術(shù)主要有三種，分別為堿性水電解槽（AE）、質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM）和固體氧化物水電解槽（SOE）。其中堿性水電解制氫技術(shù)最成熟，應(yīng)用最為廣泛。
綜上所述，通過對制氫技術(shù)的梳理，分別從能源技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三個角度綜合總結(jié)對比我國制氫技術(shù)的發(fā)展特征：煤制氫，富煤、工藝成熟，能耗、水耗高、生產(chǎn)成本低、污染嚴(yán)重，溫室氣體排放量大。
天然氣制氫，少氣；產(chǎn)量高、水耗較煤制氫技術(shù)低原料價格高、制取成本高溫室氣體排放較煤制氫技術(shù)低。
三、制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑的理論基礎(chǔ)
1.節(jié)能減排理論
隨著國際氣候變化和能源市場動蕩的加劇，全球各國都在致力于尋找一種實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會價值協(xié)調(diào)統(tǒng)一的新發(fā)展模式。眾多發(fā)達(dá)國家走了先發(fā)展經(jīng)濟(jì)、后治理污染的道路，并付出巨大的發(fā)展代價。前車之鑒，中國意識到并不能一味的追求“金山銀山”，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的“綠水青山”更為可貴。所以要適當(dāng)?shù)墓?jié)能減排。
2.可持續(xù)發(fā)展理論
可持續(xù)發(fā)展最早是由環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)家和生態(tài)學(xué)家提出的：要維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)之間的動態(tài)平衡關(guān)系。經(jīng)濟(jì)水平不再是評估國家或區(qū)域發(fā)展水平的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而是通過能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會等要素之間的作用水平進(jìn)行綜合評估，這是人類社會進(jìn)步的重要體現(xiàn)。
可持續(xù)發(fā)展涵蓋了三個重要的原則：公平性、可持續(xù)性和共同性原則。其中公平性是可持續(xù)發(fā)展理論的核心，包括代內(nèi)公平、代際公平、資源利用和發(fā)展機(jī)會等多方面的公平性。
3.資源環(huán)境承載力理論
“承載力”最初用于研究牧場對牲畜的供養(yǎng)能力。隨著人類社會的發(fā)展進(jìn)步，“資源環(huán)境承載力”作為承載力研究的一個重要分支得到發(fā)展延伸。經(jīng)過從生態(tài)承載力、資源承載力、環(huán)境承載力的一系列研究，進(jìn)而將理論提升發(fā)展為資源環(huán)境承載力。
資源環(huán)境承載力著重研究人類社會經(jīng)濟(jì)活動與環(huán)境資源的協(xié)調(diào)發(fā)展問題，其內(nèi)涵是一定時期和區(qū)域內(nèi)在維持資源結(jié)構(gòu)和環(huán)境功能穩(wěn)態(tài)可持續(xù)發(fā)展的情況下，資源環(huán)境系統(tǒng)所能承載的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模。
它涉及到多個要素的集合，既包括礦產(chǎn)、能源等支撐性要素，同時涵蓋各類環(huán)境約束，也涉及技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為資源環(huán)境所造成的壓力，各個要素之間相互影響，相互制約。
結(jié)語
為推動經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，資源環(huán)境承載力研究不能僅局限于資源環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部，應(yīng)將社會技術(shù)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和資源環(huán)境系統(tǒng)作為整體來分析內(nèi)部運行機(jī)制，找到二者結(jié)合的最佳平衡點。資源環(huán)境承載力是一個貫穿于資源、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)。
原標(biāo)題：氫能產(chǎn)業(yè)：被稱為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，那么制氫技術(shù)有哪些？
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