8月酷暑，位于安徽省六安市的中国首台套兆瓦级氢能综合能源站，正在进行联调试验。这个项目是国家电网科技项目兆瓦级制氢综合利用关键技术研究与示范的对应配套示范工程，由国网安徽电力投资6091万，建设包括年制氢72.3万标立方的质子交换膜（PEM）技术纯水电解制氢，发电127.8万千瓦时的氢燃料电池，具有制氢、储氢及氢发电完整的技术链。
同时，在资本市场上，氢能板块也着实火了一把。氢能源板块（885823）8月份以来涨幅近300点，几乎达到20%。
1. 为什么氢能热起来了？
这个问题看似简单，全球人民都是烧炭翁，温室气体的排放导致气候变暖。二氧化碳是温室气体的主要成分之一，进而有了《巴黎协定》。这个协定是2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过、2016年4月22日在纽约签署的气候变化协定，该协定为2020年后全球应对气候变化行动达成一致。《巴黎协定》的主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2摄氏度以内，并将全球气温上升控制在工业化之前时期水平之上1.5摄氏度以内，全球主要国家承诺要采取行动减碳。作为全球最大的二氧化碳排放国，减排不仅仅是环境问题了，也涉及复杂的道义，经济和政治问题。中国也承诺了2030年碳排放达到峰值，2060年达成碳中和。
氢是不含碳的燃料，进而被认为是有助于大规模减碳的二次能源。过去若干年，发达国家大多制定了自己的氢能战略，目前中国的氢能战略还没有出台。尽管如此，国家制定的双控（能源总消耗和单位GDP能耗）目标已经落实到各个省和自治区。甚至有的地方政府已经把GEP（生态系统生产总值）作为重要的参考指标。
日本的一次能源严重匮乏，对氢能发展高度重视，其国家层面的氢能路线图也非常清晰，有很高的参考价值。对比中国的目前情况，则是另外一番情形，虽然国家层面没有出台清晰的氢能战略，但不少省市争先恐后摸着石头过河先行先试，出台了各自鼓励氢能发展的政策，涉及制氢，储氢，运氢，加氢，和用氢。特别需要指出的是，在用氢方面多围绕着氢燃料电池和燃料电池在交通工具上的应用。
看似国家更想利用看不见的手的市场力量，让市场来发挥作用，分配资源，促进氢能的发展。
氢能是最终脱碳的希望之一，然而，就目前状况而言，减排方面有很多工作比起开发氢能应该给予更高的优先和重视。比如，提高能源利用效率的各种节能技术，减少各种资源浪费，减少各种高耗能的生活方式，二氧化碳捕捉等等。
2. 不同方法制取的氢，对减碳的贡献不同？
不忘初心，才能把握方向，我们推进氢能发展的初心是减少二氧化碳的排放。按照制氢过程中产生的二氧化碳对环境的影响程度不同，现在一般把氢划分成灰氢，蓝氢和绿氢。简单地讲，在制氢过程中，如果产生了二氧化碳，对二氧化碳不做处理直接排放，这样制取的氢为灰氢，如对制氢过程中产生的二氧化碳进行捕捉，储存或者利用（CCSU）而制取的氢为蓝氢；在制氢过程中，不产生二氧化碳的为绿氢。还有其他颜色的氢，这里就不赘述了。
很显然，利用绿氢对环境产生的影响是最少的，但目前技术水平看，绿氢的成本是最高的。某公司在西北荒漠建立大规模的光伏发电站，并用所发的电通过电解水制氢，如此制得的氢，基本上就算是绿氢，因为在光伏电站运行的过程中，并不产生二氧化碳。再比如氯碱工业，其工艺过程本身并不产生二氧化碳，这样获得的工业副产氢算绿氢吗？不一定，大部分情况下可能不是，典型的传统氯碱企业通常拥有自备电站以满足大量用电的需求，而这些自备电站通常是燃煤的，而对发电过程中排放的二氧化碳就没有做扑捉和储存。
氢气作为工业的重要原料，市场规模还是很大的。2018年全球氢气需求估计在7000万吨，而中国大约是2000万吨，这些氢绝大部分是作为工业原料的，而非燃料。氢气的需求侧的主要工业包括是石油精炼，合成氨和肥料，金属冶炼，甲醇，食品加工以及电子行业。氢气的供给侧大概有三类，第一类是集中生产的商业氢气供应商，第二类是以自产自用为主的生产企业，第三类是工业过程当中产生的副产品，比如氯碱工业，丙烷脱氢（PDH)—丙烷催化转换成丙烯和氢气的工艺过程。
值得注意的是我们如今有不少副产氢是排空的。仅以氯碱工业为例，2017年我国烧碱产量是3365万吨，一吨折百烧碱（折合成百分之百的纯碱）产生0.025吨副产氢。按照数据估计，大约排空率是30%，也就是说排空25万吨氢气。25万吨氢气不是个小数量，假设使用氢燃料电池城市出租车每天行驶400km，需要10公斤氢气计算，这些氢气可以驱动68500辆氢燃料电池出租车365天不停地运行一年。把现有的被浪费掉的氢资源用好，对减排是绝对有帮助的。
3. 氢气未来减碳的主要应用就是氢燃料电池？
从目前减碳需求看，并非如此。二氧化碳的来源主要是化石燃料的燃烧，常见的化石燃料有三种形式，煤碳，燃油，和天然气。目前各地方关注比较多的燃料电池汽车，只是以氢气替代交通工具燃油的应用场景之一。
国际能源署（IEA）的数据显示，2018年全球二氧化碳排放中44.1%来自于煤炭，34.04%来自于燃油，21.2%来自天然气，其余来源占的占0.68%。由于新冠疫情的全球蔓延，估计2020年的全球排放减少了5.8%，但全球能源相关的二氧化碳排放仍然高达31.5Gt，大气中的二氧化碳年均浓度412.5ppm，比工业革命开始之前二氧化碳浓度高出50%。随着经济在新冠肺炎疫情中逐步复苏，2021年的二氧化碳排放会有所增加，其中14.8Gt二氧化碳来自煤炭，7.35Gt来自天燃气。
显而易见，氢作为一般二次能源如何寻求技术突破，进而以有竞争性的成本替代煤，油，气的应用，是以氢能减排需要提供的答案。比如燃煤发电的锅炉能不能烧氢气？家庭和建筑取暖能不能用氢气替代天然气？钢铁工业能不能用氢作为还原剂替代焦炭？天然气发电能不能改用氢气？等等。当煤炭，煤电，气电，燃油排放的问题解决了，才能真正的脱碳。
技术进步才是应用的驱动力，技术能达成的相对单位成本是其竞争性的重要指标。氢燃料电池就是一种发电技术，只是在成本和规模上，和现在传统的发电技术相比不具备竞争性。如果氢燃料电池技术能够取得和煤电一样的发电成本，那从经济性层面来讲，基本上是应该要替代燃煤发电的。但从目前的情况和趋势来讲，还有相当长的路要走，在这个过程中，不同的利用氢能的技术路径会并行发展。
值得指出的是，氢气（或者氨等）也是不错的储能介质。大家了解可再生能源的发展，尤其是光伏和风能发电的发展，由于其发电的间歇性，给我国煤电为主的传统电网带来了巨大的挑战，我们时常听到弃风弃光弃水的报道。因此，发挥利用好光伏，风能发电的产能，还必须考虑其对应的储能能力，协助电网消峰填谷。目前大规模储能主要是抽水蓄能，压缩空气，飞轮，熔盐等。光伏风能发电制氢制氨，氢气和氨的储存成本相对低廉，可能是解决可再生能源储能的可行方法之一。
4. 为什么不在发电厂用氢气发电？
就全球发电而论，2020年燃煤发电居首位，占全球总量（按TWh计）9421.4/26823.2=35.1%;燃气发电只居全球第二位，占全球总量的6268.1/26823.2=23.4%。就中国发电而论，2020年燃煤发电居首位，占中国发电总量的4917.7/7779.1=63.2%; 其次为水力发电、风力发电、核能发电和太阳能发电。中国天然气发电快速增长，2012年中国才起步，燃气发电量只有110.3 TWh，但是到2020年达到247.0 TWh，居世界第三，但在中国发电总量中居第六位247.0/7779.1=3.2%。
我们国家的自然禀赋是煤炭资源丰富，是全球第三大富煤国，而天然气资源缺乏，所以煤电在我国发电行业占有统治地位。现在主流的煤电技术，是在锅炉中燃烧煤粉，产生高温高压的水蒸气，然后进入蒸汽轮机膨胀做功进而驱动发电机发电。我们国家的煤电技术已经在全球傲视群雄，然而残酷的现实是，先进发达国家已经逐步退出煤电技术。天然气（甲烷CH4）发电更加清洁，排放的二氧化碳更少，项目土地占用少，建设周期短，快速反应能力强，燃料适应性高，单位建设成本低，所以发达国家新增的发电产能更多使用燃气轮机燃烧天然气发电。而较大型的发电项目，通常采用燃气轮机蒸汽轮机联合循环，随着燃气轮机第一级涡轮进口温度的提高，H级的燃气轮机联合循环发电效率可高达60%。天然气发电比用煤发电一般可减排45%的二氧化碳，如果使用H级的燃气轮机联合循环，比燃煤发电减排60%，如果燃气轮机使用氢气燃烧发电，这是零碳的。
所以， 燃烧氢气发电关注的核心是如何使用燃气轮机直接燃烧氢气替代甲烷，即所谓氢气轮机或者氢气燃气轮机。大型燃气轮机对中国来讲仍然是一个卡脖子的关键技术，所以中国有两机（航空发动机和重型燃气轮机）专项，试图解决这个瓶颈问题。去年东方电气F级（第一级涡轮进口温度1350℃）50MW燃气轮机实现满负荷运行，无疑，这是我们国家工业领域的重大突破。然而我们和国际先进水平还有较大的差距，尽管如此，这并没有妨碍东方电气对氢汽轮机的相关项目和研究。
全球主要燃气轮机厂家美国通用电气，德国西门子，日本三菱等，都高度重视使用氢气作为燃料替代或部分替代甲烷，这是全球发电行业脱碳的重要方向。虽然经过十多年的不懈努力，目前仍没有办法达成百分之百燃烧氢气，好消息是，预计2023年全球首台100%燃氢的燃气轮机将投入生产运行。
氢气和天然气的价格差是影响氢气替代天然气发电的重要经济因素。除此之外，氢气和甲烷的性质相差较大，燃气轮虽然天然具有适应多种燃料的优势，但原先为燃烧甲烷所设计的燃烧器也要进行重新设计以适应燃烧氢的需求。改变燃料时，既要考虑燃气轮机原设计参数和整个电厂的综合平衡，也要考虑氢燃料的参混程度。与天然气相比，氢气突出的特点是火焰传播速度快，燃烧温度高，进而造成回火（火焰向上游传播），和氮氧化物（NOx）超标。目前大体上天然气掺混30%氢气（按体积比例计算），并控制氮氧化物排放技术上是比较有把握的。干式低氮氧化物排放（DLN）燃烧室目前看来是主流的技术方向，一般估计能够燃烧百分之百氢气的DLN技术走向成熟大概还要十年左右。
尽管中国在国产设备上还有较大的差距，但具备条件的特定现场仍然可以在氢气燃气轮机蒸汽轮机联合循环上实施世界级先进水平的项目。
5. 电解水制氢规模化投入运营，会不会加剧供水的危机？
按照电解水制氢的化学方程式，理论上每电解9吨水可以生产1吨氢气。如果目前国内氢气的总需求是2000万吨，全部由电解水制取，那么每年需要消耗1.8亿顿水。这些水相当于95238个国际泳联标准泳池的蓄水量（50*21*1.8m）; 三峡水库的蓄水量是393亿立方米，1.8亿立方米，占三峡总库容的1/218。中国氢能联盟预计到2050年，中国氢气的需求是6000万吨，如果全部由水电解制取，需要用水5.6亿立方米。
中国属于干旱，人均水资源缺乏的地区，特别是西北沙漠地区，而这些地区又是我国光照资源比较好的地方，那么在西北干旱的沙漠地区，大规模建设光伏电站，用电解水来制氢，会不会加剧当地水资源的进一步短缺？长期来讲对当地气候或生态环境的影响如何？有很多问题都是需要时间来解答的。
这是不是就可以得出在西北沙漠地带大规模用光伏发电制氢不可行的结论呢？可能还为时太早。当电解水制氢的时候，每生产1吨氢气，同时还8吨氧气，而氢气燃烧/氢燃料电池中的过程一定会产生水。我们应该得到的启示是在缺水地区的光伏发电电解水制氢，需要综合利用和资源的循环。
海上风电制氢不受水资源的制约，因为现场是可以淡化海水的。
6. 氢能源对中国减排的重要性?
从整个能源系统来看，全世界各国对能源系统的要求基本上有三点是普遍共识的。第一是能用得起，能惠及90%以上的人。光伏发电，核电池技术存在已久，在航天领域早有应用，可惜老百姓用不起。随着技术进步，光伏现在便宜了，发电成本基本上可以和煤电比了。第二是可持续性，换一种说法，低排碳或者不排碳。这一点无需多说，所有的减碳减排都是为了全球环境的可持续。第三点就是可靠性。电力作为能源储存成本高，生产和消费是同步的，整个供电系统要适应不同需求时的变化。从这个意义上讲，一个没有储能的光伏电站想作为独立的供电系统，可靠性是很低的，因为没有光的时候，没有办法生产电力。风能发电作为独立系统，有类似的问题。
这三个维度为定性评估中国现在的能源系统，和未来的氢能，提供了一个清晰简单明了的尺度。中国属于低能源价格国家， 尤其民用电价格更低，价格上受政府影响较大。 今年上半年，受煤价上涨、燃煤采购价格大幅攀升影响，上市火电公司上演亏损大潮。在中国特定的环境下，脱贫，建成小康社会，讲共同富裕，用得起的能源是供能技术的最基本的条件。
我们国家发电系统以煤电为主，我们国家的煤电技术，以及装机的总体技术水平可以傲视全球，但遗憾的是煤电度电排碳是在现有不同发电技术里边最高的。逻辑上讲，煤电的减碳，其紧迫性和重要性是最高的。煤电减碳的途径就两个，要么在燃烧前把煤加工成含碳更低的燃料，比如煤气化，要么在燃烧后把产生的二氧化碳捕捉，封存或利用。技术是有，但问题的核心是不能增加煤电的价格太大以至于影响人民生活和国民经济。显然，这是一块硬骨头，遗憾的是政策和资本对这一点的关注远比时髦的氢能要低。我们不可能摒弃现有的煤电资产，去搞一套全新的能源系统，那样的话可能会太过昂贵了。
改造煤电的紧迫性还在于碳交易带来的经济压力。2021年7月16日9时32分42秒，全国碳市场第一单成交价50.10元/吨，成交量3000吨。相当于8.17美金一吨，有人预计2030年中国的碳价格，估计会达到150～160一吨，相当于二十四五块钱美金（按现在汇率一个美元折6.46人民币）。8月30日，欧盟排放权配额（EUA）12月期货主力合约价格破了60欧元/吨大关。按照国际能源署提供的全球不同发电技术的成本数据，以目前一般情况设定其他基本条件，碳价在53美金（342人民币每顿）的时候，中国超超临界347MW煤电和和燃气蒸汽联合循环（CCGT）475MW发电的平准化千度电成本（LCOE）达到相等，为92美金/MWh。
氢气可以帮助中国发电，工业过程，交通行业脱碳，前景是无限好的，技术突破也是必须的，以降低成本。同时为了利用氢能，还需要一系列的配套技术，比如说燃料电池，燃气轮机等等，而重型燃气轮机和氢气燃烧器都是我们的短板。在燃料电池技术上，中国和国外先进水平差距相对比在燃气轮机上的差距可能更小一点儿，估计这是国内氢燃料电池热度高，而对氢气燃气轮机关注的程度低的原因吧。
很多人热衷于谈氢的全产业链制储运加氢，如果简单把清看做普通一个产品，而不深入研究氢的特性，可能会是误导性的。氢，是自然界储量最多的元素，但是自然界的氢气是极少存在的，那么我们要制取氢气，就要消耗能量。更重要的是，氢是元素周期表排第一位的元素，是最轻的气体，H2分子量是2，而我们用的天然气CH4分子量是16，氢气的分子量是甲烷的1/8。这样为了让一个氢分子获得和甲烷分子同样的动量，我们得把氢气的分子加速到甲烷分子的2.828倍，用来压缩甲烷的设备可能无法同样有效压缩氢气。氢气的燃烧值为142500千焦/千克，根据空气产品公司的数据，把20bar 30℃（303K）的氢气（达到此状态所需能量1.02kWh/kg）压缩到700bar，并冷却到-20℃（253K），所需的能量是2.67＋0.18＝2.85 kWh/千克，总和为3.87kWh/千克，即13932千焦千克。氢的供应链是相当昂贵的，氨供应链的会好很多。
希望这个短文能够引起大家对氢能更多的思考。
