研报 | 美国发展氢能计划：2050年氢能将占美国总能源需求的14%

美国能源部日前发布《氢能项目计划2020》(下称“《计划》”)，为美国的氢能研究、开发和示范应用提供了战略支撑。

《计划》指出，美国政府致力于氢能全产业链的技术研发，并将加大示范和部署力度，以期实现产业规模化。根据美国国家实验室预测，到2050年，美国本土氢能需求将增至4100万吨/年，占未来能源消费总量的14%。

（来源：微信公众号“氢促汇”）

与其他能源不同的是，氢能需要化石能源、核能与可再生能源系统的整合。因此，美国能源部将协同下属所有能源部门，合作推动氢能产业发展。《计划》介绍了美国能源部氢能技术的研究现状，以及美国氢气生产、运输、储存和应用的现状及未来规划。

美国氢能商业化应用初具规模

经过40年的发展，美国的氢能产业及相关技术已逐渐从专业化应用过渡到商业化应用。目前，美国已经在数以千计的乘用车、商用车、铲车、分布式及备用动力装置中应用了燃料电池，并已建成145个加氢站(包括试验项目)。

在发电方面，以氢气/天然气混合物为燃料的大型涡轮机也已经进入到商业化运营阶段。在过去的20年里，美国能源部在氢能和相关领域投资了超过40亿美元，主要包括氢气生产、运输、储存、以及燃料电池和氢能涡轮机发电等技术的研发。这些研究成果与工业项目相结合，取得了许多成功，例如：应用配备碳捕获和储氢装置的制氢技术，以低于2美元/公斤的成本生产无碳氢;燃料电池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。截止目前，美国能源部已颁发了1100多项美国专利，并在市场上推出了30多项商业技术。

当前美国氢能产业的技术瓶颈主要集中在各环节的成本、耐久性、安全性以及缺乏基础设施等方面。为了实现广泛的商业化，氢能应用必须拓展更大的市场，并且能够在成本、寿命、性能、耐久性和环境影响等方面得到提高，同时也需要解决非技术性的障碍，例如制定规范和标准，完善安全测试，最终建立一个健全的氢能供应和应用体系。

多年来，美国能源部为满足每个技术领域的关键需求，已经开发了一些技术选项(如表1)。

表1 美国氢能近中远期关键技术选项

产业目标：

降成本、提性能、扩应用

美国能源部将联合工业部、科技部、国家实验室、联邦和国际机构以及其他相关机构共同推进氢能项目计划。

项目主要任务

加强基础技术和应用的研发，突破氢能产业障碍

通过示范项目验证氢能和相关技术

加快创新，并将专业技术向产业化过渡

制定相关规范和标准，进行技术普及、人才教育和生产教育等

为政府制定发展战略，以促进经济、环境、能源安全可持续发展

项目实施路径

降低全产业链成本，提高氢气生产、输送、储存和应用的性能和耐用性

解决技术、监管和市场壁垒

通过聚合多种氢能供应和应用，探索实现氢能大规模综合利用系统

开发和应用氢能综合能源系统

挖掘氢能新应用

项目具体目标

• 氢气生产成本降至2美元/公斤、输配成本2美元/公斤

• 工业和电力部门用氢价格降至1美元/公斤

• 燃料电池成本降至80美元/千瓦，运行寿命达到25000小时

• 车载氢气成本降至8美元/千瓦时、2.2千瓦时/公斤、1.7千瓦时/升

• 电解槽成本降至300美元/千瓦，运行寿命达到80000小时，转换效率达到65%

美国能源部的最终目标是以多种资源和多种途径制氢，并在各种规模下(从小型分布式到大规模制氢)，都能以最低的成本生产、储运和使用氢能。

表2 美国氢能消费现状和未来消费预测

(百万吨/年)

美国国家实验室还对氢能消费情景进行了评估和预测，结果显示，到2050年美国的氢能需求或将增长至4100万吨/年，是当前消费量的4倍。而随着新应用的出现，氢能的消费潜力还将继续增长，初步预计2050年氢能将占美国总能源消费需求的14%。

图1 美国工业、运输、储能行业中氢能消费潜力

探索氢能大规模综合利用系统

《计划》中列举了当前美国能源部氢能项目的关键技术、需求和挑战，涉及氢气生产、输送、储存、能量转化、终端应用以及标准和教育相关的氢能全产业链。

1氢能项目的关键技术

生产：

氢气可以从各种资源中生产，包括化石燃料、核能和可再生能源(风能、太阳能、地热、生物质能等)。

制氢的主要途径是通过热化学过程，如重整、气化、热解和电解水。氢气可以大规模集中生产或在小型设施分布式生产。

输送：

氢气可以通过多种方式进行运输，包括管道运输，高压气态、低温液态的罐装运输。大量氢气也可以通过铁路或轮船运输。终端应用根据纯度、状态和成本等不同的要求，对基础设施提出了不同的要求。

储存：

物理储存，包括高压罐和液态氢;或化学氢载体、金属氢化物等储氢技术，在不同的环境温度和压力下具有更高的容量。大规模、长期的氢储存可能需要其他方法，如地质储存。

能量转化：

通过使用燃料电池的电化学转换，或通过使用涡轮机、往复式发动机的燃烧来实现。与传统技术相比，混合动力系统，如天然气/其他燃料混合循环燃料电池系统有更高的效率和更低的排放。

终端应用和综合能源系统：

氢能可用于多个系统的不同应用。它可以直接为终端应用(重型运输、常规电力供应、工业和化学应用等)提供价值，并作为综合能源系统的组成部分，提高现有和新兴发电机组的经济性和性能。

安全、规范和标准：

技术上可靠的规范和标准将为氢能和相关技术的安全性、一致性和商业化提供重要基础。

教育和劳动力：

高技能劳动力能够有效应对氢能相关产业的增长，并能够支持和维持国家的竞争优势。对氢和相关技术的普及，可以建立安全使用氢气作为能源载体的信心。

2需求和挑战

生产：

成本更低、效率更高、更耐用的电解槽

重整、气化和热解的先进技术

利用可再生能源、化石能源和核能资源，包括混合能源的创新制氢技术

利用水、化石燃料、生物质和废弃物的低成本、高效率制氢技术

低成本和无污染的碳捕获、利用和储存技术

输送：

低成本、安全的氢气储运和分配系统

氢能储运的先进技术和概念，包括液化和基于材料的化学载体(金属氢化物、有机化合物、吸附等)

通行权、许可权、降低基础设施的投资风险

储存：

低成本储氢系统

更大的存储容量，重量和体积更小

大规模储存，包括应急供应和地质储存

优化储存策略，将储存的氢气与终端应用共同定位，以满足需求量和动态响应要求，并降低投资成本

能量转化：

可批量生产的低成本，耐久性高，安全的燃料电池

可在高浓度氢气或纯氢气下运行的涡轮机

大型混合动力系统的开发和示范

终端应用和综合能源系统：

系统集成、测试和验证，以识别和解决每个应用系统特有的技术瓶颈

终端应用示范，包括钢铁制造、氨生产以及利用氢气和二氧化碳生产合成燃料的技术

验证氢能储存和电网服务的电网整合示范

安全、规范和标准：

适用、统一的规范和标准，以解决所有终端应用，包括燃烧应用(如涡轮机)以及燃料电池(例如重型应用的高流量燃料，包括卡车、船舶和铁路)

改进安全信息，分享最佳做法和经验教训

教育和劳动力：

针对不同从业人员的教育资源和培训计划(例如，关于氢气和相关技术的操作、维护和处理)

获取有关氢能和相关技术的准确信息

《计划》中还重点提及了氢能在混合能源系统中的应用。广义而言，混合能源系统(HES)将发电、储能和能源转换技术结合起来，通过总体控制系统将这些技术集成在一起。与独立能源系统相比，混合能源系统拥有更强的性能和更低成本(如图2)。HES中集成的氢能技术在电网和非电网电力应用中都具有独特的优势：中长期/季节性储能;利用电解槽快速动态响应的电网调峰功能;生产氢气、其他氢基燃料、化学品及其他多种产品的能力。

图2 混合氢能系统示例

随着电网的发展，各种可再生能源的渗透性越来越高，电网集成氢能相关技术可以提供储能和其他电网功能：通过电解产生的氢气可以作为一种双向储能载体，通过燃料电池或燃烧涡轮机等低排放发电技术，按需将其转换回电能;也可用于单向化学能源应用，例如注入天然气管道基础设施，或作为原料生产氨或甲醇等增值商品;氢能技术还有稳定电网电压和频率的辅助功能。

目前，美国能源部正在与电力公司合作进行技术经济分析，以确定将氢能与可再生能源整合在电网、微电网和离网应用的最佳配置。

氢能发展将推动美国能源变革

美国能源部下属的可再生能源、化石能源、核能、电力和科技部门参与了此项目。该项目还与其他相关的部门进行协调合作，包括高级能源项目部门(ARPA-E);网络安全、能源安全和应急响应部门;以及能源部以外的国家相关部门，如储能技术，先进制造业、电网现代化、综合能源系统和人工智能。每一个部门都管理与其任务有关的氢能项目，所有部门经过协调合作，以实现战略管理和项目执行的凝聚力。

为了使氢能产业从专项应用过渡到大众市场，开发大规模制氢、配套设施、氢能应用的技术和工艺至关重要。强大的自主供应链也将确保美国在全球氢能产业中处于领先地位。受快速增长的市场需求影响，研发工作需要克服技术挑战并加快进展。通过研发，将提高氢能产业的工艺和技术，并逐渐扩大应用规模，实现制造业的规模经济。同时，通过系统集成还可以带来更多的技术改进，从而进一步降低产业链成本。

总的来说，美国能源部主导的氢能和相关技术研发，在其各部门的一致努力下，以及广泛的利益相关者的投入和协作下，该计划的实施将有助于实现美国氢能产业的发展愿景：清洁环保、成本低廉、安全可靠的氢能广泛应用于各类场景，并成为美国能源体系中的重要组成部分，推动美国的能源体系变革。

来源：中国产业发展促进会氢能分会