近年來(lái)，隨著(zhù)全球對能源危機和溫室效應的持續關(guān)注，氫能的發(fā)展被各國政府上升到國家戰略發(fā)展的高度。氫能被稱(chēng)為21世紀最具發(fā)展潛力的清潔能源。

隨著(zhù)技術(shù)的成熟及經(jīng)濟性的大規模布局，氫能的使用有望實(shí)現全生命周期的低碳甚至零碳排放，且為實(shí)現“碳中和”發(fā)揮重要作用。

同時(shí)氫能具有靈活高效的特點(diǎn)：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，也可以應用在能源、工業(yè)、交通、建筑等多個(gè)場(chǎng)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(lái)越成為主流能源對話(huà)的重要內容。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)展機遇，結合本國國情，2020年繼續發(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，是積極承擔氣候變化國際責任和推動(dòng)國家能源實(shí)現安全供應、可持續發(fā)展的重要體現，也是構建中國現代能源體系的重要方向。

一、氫能產(chǎn)業(yè)

人類(lèi)對氫能的研究已有幾百年的歷史。如今，隨著(zhù)“氫能”主題越來(lái)越成為國際社會(huì )主流能源對話(huà)的重要內容，氫能產(chǎn)業(yè)形成了上游制氫、中游儲運氫和下游應用日趨完善的產(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。中國具有豐富的制氫產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，經(jīng)過(guò)多年的工業(yè)積累和發(fā)展，中國氫氣年產(chǎn)量已超過(guò)千萬(wàn)噸規模，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(wàn)噸，約占世界產(chǎn)氫量的三分之一。

從全球來(lái)看，天然氣是目前制氫的主要來(lái)源，全球每年約產(chǎn)氫7000萬(wàn)噸，天然氣制氫約占四分之一。而就中國來(lái)看，由于煤炭在中國能源中占主導地位，煤制氫技術(shù)的產(chǎn)氫量在氫氣產(chǎn)能結構中的比重最高。目前中國制氫規模在不斷擴張，產(chǎn)氫量同比增速快，而氫能供給主要依賴(lài)化石能源，氫能的清潔經(jīng)濟供給任重道遠。

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(guò)一系列能源和技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。目前制氫的技術(shù)多種多樣，且各有特點(diǎn)。那么都有哪些制氫方法呢？

熱化學(xué)方法：用熱量破壞現成化合物中的鍵能，使其重組為氫分子。熱化學(xué)方法是應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：用電能破壞現成化合物中的鍵能，使其重組為氫分子。由于電的來(lái)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(guò)光合作用，在太陽(yáng)光的參與下，將空氣中的CO2變成含氫的生物；或通過(guò)細菌的作用將水分解為氫和氧。反應溫和、對環(huán)境沒(méi)有影響，大自然的重要循環(huán)。

光化學(xué)法：通過(guò)光的作用，在催化劑的作用下，將水變成氫和氧。反應溫和、對環(huán)境沒(méi)有影響，離產(chǎn)業(yè)化有距離。

制氫技術(shù)的另一種分類(lèi)方法是根據制氫原料分類(lèi)，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；二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣和醇類(lèi)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(lái)自化石能源和可再生能源等。

而生物質(zhì)直接制氫和太陽(yáng)能光催化分解水制氫等技術(shù)路線(xiàn)仍處于實(shí)驗和開(kāi)發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進(jìn)一步提升，尚未達到工業(yè)規模制氫要求。

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，轉化為氣體產(chǎn)物。煤制氫技術(shù)路線(xiàn)成熟高效，可大規模穩定制備，是當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)中占據主導地位。

天然氣的主要成分為甲烷（CH4），是各類(lèi)化合物中氫原子質(zhì)量占比最大的化合物，同時(shí)由于化學(xué)結構穩定，主要通過(guò)水蒸氣、氧氣與甲烷反應，先生成合成氣，再經(jīng)過(guò)化學(xué)轉化與分離制取氫氣。

2.工業(yè)副產(chǎn)品制氫

工業(yè)副產(chǎn)品制氫主要指焦爐煤氣、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)叫焦爐煤氣，其中含有55%~60%的H2，可通過(guò)高溫高壓提純制氫。焦爐煤氣制氫裝置具有自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，節能降耗的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在易產(chǎn)生廢氣，清潔度較低的缺點(diǎn)。

氯堿行業(yè)在燒堿生產(chǎn)的過(guò)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(dòng)化程度高以及無(wú)污染的特點(diǎn)。

丙烯是重要的化工原料，而丙烷脫氫制丙烯的生產(chǎn)過(guò)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(huì )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(diǎn)，甲醇的生產(chǎn)主要來(lái)自于煤基甲醇和由天然氣制取的甲醇。

甲醇是傳統的化工行業(yè)，目前甲醇主要通過(guò)一氧化碳、二氧化碳的加壓催化氫化法來(lái)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(guò)程中未參與反應的氫氣會(huì )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(guò)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，應用最為廣泛。

綜上所述，通過(guò)對制氫技術(shù)的梳理，分別從能源技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境三個(gè)角度綜合總結對比我國制氫技術(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(jià)格高、制取成本高溫室氣體排放較煤制氫技術(shù)低。

石油制氫，缺油、產(chǎn)量高，原料價(jià)格高，制取成本高，溫室氣體排放較煤制，氫技術(shù)低。工業(yè)副產(chǎn)品制氫，工業(yè)副產(chǎn)資源豐富；節能降耗投資成本低、制取成本低，溫室氣體排放低。電解制氫，產(chǎn)品純度高，產(chǎn)氫速率低，費用高，清潔低碳。

三、制氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑的理論基礎

1.節能減排理論

隨著(zhù)國際氣候變化和能源市場(chǎng)動(dòng)蕩的加劇，全球各國都在致力于尋找一種實(shí)現經(jīng)濟、環(huán)境和社會(huì )價(jià)值協(xié)調統一的新發(fā)展模式。眾多發(fā)達國家走了先發(fā)展經(jīng)濟、后治理污染的道路，并付出巨大的發(fā)展代價(jià)。前車(chē)之鑒，中國意識到并不能一味的追求“金山銀山”，經(jīng)濟發(fā)展中的“綠水青山”更為可貴。所以要適當的節能減排。

2.可持續發(fā)展理論

可持續發(fā)展最早是由環(huán)境經(jīng)濟學(xué)家和生態(tài)學(xué)家提出的：要維持經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。經(jīng)濟水平不再是評估國家或區域發(fā)展水平的唯一標準，而是通過(guò)能源、經(jīng)濟、環(huán)境和社會(huì )等要素之間的作用水平進(jìn)行綜合評估，這是人類(lèi)社會(huì )進(jìn)步的重要體現。

可持續發(fā)展涵蓋了三個(gè)重要的原則：公平性、可持續性和共同性原則。其中公平性是可持續發(fā)展理論的核心，包括代內公平、代際公平、資源利用和發(fā)展機會(huì )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(chǎng)對牲畜的供養能力。隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )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(gè)重要分支得到發(fā)展延伸。經(jīng)過(guò)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(zhù)重研究人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟活動(dòng)與環(huán)境資源的協(xié)調發(fā)展問(wèn)題，其內涵是一定時(shí)期和區域內在維持資源結構和環(huán)境功能穩態(tài)可持續發(fā)展的情況下，資源環(huán)境系統所能承載的社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展規模。

它涉及到多個(gè)要素的集合，既包括礦產(chǎn)、能源等支撐性要素，同時(shí)涵蓋各類(lèi)環(huán)境約束，也涉及技術(shù)經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展水平為資源環(huán)境所造成的壓力，各個(gè)要素之間相互影響，相互制約。

結語(yǔ)

為推動(dòng)經(jīng)濟和資源環(huán)境的協(xié)調可持續發(fā)展，資源環(huán)境承載力研究不能僅局限于資源環(huán)境系統內部，應將社會(huì )技術(shù)經(jīng)濟系統和資源環(huán)境系統作為整體來(lái)分析內部運行機制，找到二者結合的最佳平衡點(diǎn)。資源環(huán)境承載力是一個(gè)貫穿于資源、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的復雜系統。