近年來，氫能作為連接間歇性可再生能源與現(xiàn)有能源體系的重要耦合點(diǎn)，受到國家相關(guān)部門及地方政府的高度重視。作為清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，氫能廣泛應(yīng)用于汽車、制造、交通等行業(yè)，發(fā)展氫能對(duì)新時(shí)代能源轉(zhuǎn)型，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”具有重大意義。

　　作為世界最大的制氫國，我國氫氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的比例超過30%，初步形成了包括氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)的全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉稇?yīng)用。隨著能源結(jié)構(gòu)逐步向以可再生能源為主的多元格局發(fā)展，氫氣的需求量將呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2030年，我國氫氣需求量將達(dá)到3500萬噸，到2050年將接近6000萬噸，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元，將成為引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)極。

　　氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加注和下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)，其產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示。

　　制氫環(huán)節(jié)

　　制氫主要包括工業(yè)尾氣副產(chǎn)氫、化石原料制氫、電解制氫等。其中，前兩種方式由于成本低、技術(shù)成熟、可大規(guī)模制備等優(yōu)勢(shì)，在未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將作為供氫主體，但由于制氫方式以化石原料為載體，占比將逐年下降。可再生能源電解制氫作為全周期零排放技術(shù)，將有效緩解我國棄風(fēng)、棄電等問題，使氫能成為連接間歇性可再生能源與現(xiàn)有能源體系的耦合點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多種能源跨地域、跨時(shí)間的優(yōu)化配置，推動(dòng)我國能源轉(zhuǎn)型升級(jí)。預(yù)計(jì)到2050年，我國可再生能源電解制氫比例將逐步提升至70%。2020年~2050年主要制氫方法的產(chǎn)氫比例如圖2所示。

　　儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)

　　一是儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)。常用的儲(chǔ)氫方式有氣態(tài)、液態(tài)、固體儲(chǔ)氫3類。其中，氣態(tài)儲(chǔ)氫由于具備充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于航天工程領(lǐng)域，有機(jī)液體和固體儲(chǔ)氫仍處于示范應(yīng)用階段。各儲(chǔ)氫方式的優(yōu)劣勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)見表1。

　　二是氫能運(yùn)輸。氫能運(yùn)輸主要有氣態(tài)、液態(tài)和固體3種運(yùn)輸方式。目前，我國主要采用20兆帕長(zhǎng)管拖車氣態(tài)運(yùn)輸，與發(fā)達(dá)國家45兆帕長(zhǎng)管拖車的單車運(yùn)氫能力仍有明顯差距。未來，隨著管道建設(shè)日趨完善，我國將逐步形成高壓氣態(tài)、管道和液態(tài)多種運(yùn)氫技術(shù)協(xié)同發(fā)展的格局。各種氫能運(yùn)輸方式特點(diǎn)見表2。

　　截至2020年底，我國累計(jì)建成可運(yùn)營(yíng)加氫站118座，其中投入運(yùn)營(yíng)的加氫站101座，加氫站存量?jī)H次于日本的146座（數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2020年9月），居世界第2位。預(yù)計(jì)到2030年，我國將建成加氫站1500座。主要國家和組織的加氫站建設(shè)規(guī)劃見表3。

　　主要下游應(yīng)用領(lǐng)域

　　一是氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車作為氫能重要的下游應(yīng)用領(lǐng)域，已進(jìn)入示范導(dǎo)入期。2020年，受疫情和政策調(diào)整的影響，我國燃料電池汽車產(chǎn)、銷量分別下滑至1199輛、1177輛，同比分別減少57.7%、57.0%。未來，隨著加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善，制氫、儲(chǔ)氫等環(huán)節(jié)技術(shù)的不斷突破，燃料電池汽車低排放、加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)將逐漸顯現(xiàn)，產(chǎn)銷量將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。氫燃料電池汽車將以客車和城市物流車為切入領(lǐng)域，逐步建立完備的燃料電池材料、部件、系統(tǒng)制備與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》預(yù)測(cè)，到2035年，我國燃料電池汽車保有量將達(dá)到100萬輛左右。

　　二是氫冶金。在環(huán)保政策趨嚴(yán)的背景下，氫冶金技術(shù)可助力實(shí)現(xiàn)不同程度的減排，成為鋼鐵綠色發(fā)展的重點(diǎn)之一。氫冶金主要包括富氫還原高爐和氣基直接還原豎爐兩類。其中，前者仍以焦炭作為主要還原劑，但相比傳統(tǒng)高爐煉鐵，碳減排幅度可達(dá)10%以上；后者采用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵（DRI），再通過電爐冶煉，噸鋼二氧化碳排放量可減少40%以上。

　　在國家、地方相關(guān)政策鼓勵(lì)引導(dǎo)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的趨勢(shì)下，鋼鐵企業(yè)涉足氫能源，有利于完成自身技術(shù)轉(zhuǎn)型與業(yè)務(wù)拓展，探索新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，追趕國際先進(jìn)冶金水平。我國鋼鐵企業(yè)融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈SWOT（企業(yè)戰(zhàn)略分析法，S即優(yōu)勢(shì)、W即劣勢(shì)、O即機(jī)會(huì)、T即威脅）分析見表4。

　　總體上看，氫能產(chǎn)業(yè)仍處于培育階段，鋼鐵企業(yè)應(yīng)搶抓氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)，提前謀劃，持續(xù)跟蹤氫能源發(fā)展動(dòng)向，積極融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈，利用國家先期發(fā)展優(yōu)惠政策和自身優(yōu)勢(shì)，加快培育氫能產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，拓展新業(yè)務(wù)新領(lǐng)域，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)。

　　那么，應(yīng)如何融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈呢？

　　一是適時(shí)介入制氫環(huán)節(jié)。鋼鐵企業(yè)具有制氫成本低、制氣經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢(shì)，其氫氣來源主要為焦?fàn)t煤氣。目前，焦?fàn)t煤氣主要用于制氫、制LNG（液化天然氣）、發(fā)電3種途徑，若以10000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)富余焦?fàn)t煤氣測(cè)算，上述3種途徑的年效益分別約為2500萬元、1000萬元、800萬元。由此可見，采用焦?fàn)t煤氣制氫可獲得最佳效益。但受市場(chǎng)及提純技術(shù)的影響，目前焦?fàn)t煤氣中的氫氣主要用于回爐助燃、城市煤氣、發(fā)電及化工生產(chǎn)中。未來，鋼鐵企業(yè)要綜合考慮氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域，適時(shí)介入制氫環(huán)節(jié)，加大碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)及蒸汽甲烷重整技術(shù)（SMR）的研發(fā)投入，全面提升氫產(chǎn)率，降低反應(yīng)能耗，減少溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)“藍(lán)氫”的制備。

　　二是在儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，鋼鐵企業(yè)前期可探索開展氫氣運(yùn)輸服務(wù)。待氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模后，鋼企應(yīng)加快介入氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，規(guī)劃建設(shè)配套液氫工廠，利用液氫運(yùn)輸槽車實(shí)現(xiàn)氫氣液態(tài)運(yùn)輸。同時(shí)，為降低用氫成本，鋼企可利用管道運(yùn)輸氫氣至自建加氫站。

　　三是加快發(fā)展氫冶金。氫冶金途徑主要包括：氣基豎爐生產(chǎn)直接還原鐵，該技術(shù)較為成熟；高爐內(nèi)噴吹氫氣或焦?fàn)t煤氣，處于研究、示范階段。下一階段，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)將通過與奧鋼聯(lián)、特諾恩、蒂森克虜伯等國外公司合作開展氫直接還原煉鐵的示范應(yīng)用。其中，2020年河鋼集團(tuán)與特諾恩簽訂合同，建設(shè)120萬噸氫冶金示范性工程項(xiàng)目，包括1座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原廠。除制氫氣—?dú)饣Q爐—電爐短流程新工藝外，鋼企還可積極探索構(gòu)建焦?fàn)t煤氣制氫—還原鐵粉—粉末冶金新材料—制品制件的新型產(chǎn)業(yè)鏈。

　　四是開發(fā)氫能產(chǎn)業(yè)相關(guān)鋼鐵新材料。一是開發(fā)儲(chǔ)氫運(yùn)氫鋼鐵材料。據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》預(yù)測(cè)，我國將于2030年實(shí)現(xiàn)管道及其他方式儲(chǔ)存、管道運(yùn)輸，并于2050年實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸。由此可見，未來對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)氫無縫鋼管（30CrMo、316L等）的需求量將呈上升趨勢(shì)，鋼鐵企業(yè)應(yīng)加快新型儲(chǔ)運(yùn)氫材料的研發(fā)，突破氫氣管道的技術(shù)瓶頸，搶占市場(chǎng)先機(jī)。二是開發(fā)氫燃料電池用金屬雙極板。雙極板被稱為燃料電池電堆的“骨架”，按照制造材料劃分，可分為石墨板、金屬板和復(fù)合板。鋼企應(yīng)圍繞燃料電池核心部件金屬雙極板的核心基材，加快研發(fā)不銹鋼雙極板基板成型、切割、焊接、涂層、密封一系列解決方案。三是開發(fā)應(yīng)用氫能新能源汽車綜合用材。鋼企應(yīng)聚焦氫能新能源汽車車身輕量化、新材料開發(fā)、成型技術(shù)、超強(qiáng)鋼開發(fā)與應(yīng)用等，加快進(jìn)行技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。

　　五是融入城市氫能源發(fā)展。當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展熱潮，各地政府均在布局推動(dòng)氫能源的發(fā)展，多地市提出氫能源發(fā)展規(guī)劃，鋼鐵企業(yè)應(yīng)依托自身副產(chǎn)氫資源優(yōu)勢(shì)，充分融入城市氫能源發(fā)展。一是發(fā)展鋼化聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。鋼企應(yīng)以國家逐步推廣乙醇汽油為契機(jī)，利用鋼鐵生產(chǎn)尾氣制備乙醇。如中科院大連化物所研發(fā)的DMTE技術(shù)（“二甲醚經(jīng)羰基化、加氫制備無水乙醇”技術(shù)）。按該工藝測(cè)算，27萬噸一氧化碳和1.1萬噸氫氣可生產(chǎn)乙醇約10萬噸，相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)煤約30萬噸，避免了約42萬噸二氧化碳的產(chǎn)出，具有重大的綠色發(fā)展意義。二是探索氫能應(yīng)用場(chǎng)景。目前，河鋼首座加氫示范站于2020年8月在河北邯鄲投入運(yùn)營(yíng)。今后，氫能源汽車購置成本將下降，若氫氣售價(jià)在35元/千克以下，燃料電池壽命將達(dá)到8000小時(shí)以上，氫能源物流車全壽命成本與燃油車相當(dāng)。由此可見，為進(jìn)一步提升清潔運(yùn)輸比例，鋼鐵企業(yè)可以通過加氫站和重卡運(yùn)輸“柴改氫”等應(yīng)用場(chǎng)景商業(yè)示范，積極探索氫能源汽車作為城市間、企業(yè)內(nèi)部物流運(yùn)輸用車，降低運(yùn)輸過程中的污染物排放及碳排放。三是開展“氫進(jìn)萬家”研究。2021年4月，科技部與山東省共同簽署了“氫進(jìn)萬家”科技示范工程框架協(xié)議，雙方將進(jìn)一步探索研究氫能的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在電氫耦合、家庭熱電聯(lián)產(chǎn)和氫能社會(huì)等方面的應(yīng)用，更多地讓氫能進(jìn)入日常生活。

　　為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，中國未來的能源結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)顛覆性的調(diào)整，以氫能為代表的清潔能源未來將有巨大的成長(zhǎng)空間。鋼鐵行業(yè)是碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)領(lǐng)域和責(zé)任主體，鋼鐵業(yè)的能源轉(zhuǎn)型面臨減碳的迫切需求。未來，節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)先、生產(chǎn)效率提高、能耗下降的鋼鐵企業(yè)，將能夠?qū)崿F(xiàn)碳配額的剩余，進(jìn)而在碳交易市場(chǎng)上獲得豐厚收益。由此可見，鋼鐵企業(yè)一方面應(yīng)通過利用氫能等新能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，探索氫的高效生產(chǎn)，平衡氫的資源化與能源化價(jià)值，帶動(dòng)鋼鐵流程的能源消費(fèi)變革，成為清潔能源的供給者；另一方面應(yīng)積極拓展氫能資源優(yōu)勢(shì)，加快氫能應(yīng)用場(chǎng)景的開發(fā)，推動(dòng)用氫多樣化，加快融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈，共同推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的構(gòu)建，成為能源供給革命的示范者。

 

　　（前兩名、后一名作者單位分別為冶金工業(yè)規(guī)劃研究院、泰山鋼鐵）