全球清洁氢项目部署及制备技术研究进展分析

随着全球碳中和目标的提出，美国、欧盟、德国和日本先后制定或更新氢战略，将氢作为深度脱碳的战略选择，提出雄心勃勃的氢经济目标，推动了全球清洁氢[1]项目部署。2023年12月，法国发布更新版《国家氢能战略》草案[2]，提出建设吉瓦级制氢工厂，加速绿氢部署，提升法国在氢价值链的领导者地位。英国发布《氢生产交付路线图》[3]和《氢输运和存储网络发展路径》[4]，通过多举措支持电解制氢项目和氢储运基础设施网络建设。刚刚闭幕的COP28推出了一系列有利于促进氢跨境贸易的旗舰举措[5]，包括氢及氢衍生物认证计划政府间互认意向声明、为基于全生命周期分析的不同来源氢温室气体排放提供全球基准（ISO方法论）、氢及衍生品跨境贸易走廊的公私声明等，旨在释放氢及其衍生物跨境价值链的社会经济效益。本文梳理了近期全球清洁氢项目的最新进展，并从影响氢项目部署的政策和技术角度出发分析了主要经济体氢能战略举措以及清洁氢制备关键技术的研发动向。

  一、全球清洁氢项目总体概况

  根据《2023全球氢能洞察》[6]，截至2023年10月，全球已宣布清洁氢能项目达1418个，较2023年1月的统计数量增长了35%。其中，1011个项目计划到2030年全部或部分投产。从项目实施情况看，处于公告阶段、可行性研究阶段、前端工程设计阶段、在建和运营阶段的项目比例分别为30%、22%、13%和35%。在建或者运营阶段的项目比例首次超过公告阶段。根据已宣布产能，到2030年全球低碳氢和可再生氢产能每年将由当前的86万吨提升到4500万吨，其中，可再生氢产能占比将超过70%。但从政策部署情况来看，约50%的产能项目仍处于规划阶段，7%仅为承诺目标，产能规模扩大将面临重大挑战。

  已宣布清洁氢项目在产能扩张、生产能力提升和应用领域均显示出持续的增长趋势。从氢供应看，在运营项目中清洁氢产能已由每年80万吨提高到86万吨。其中，约18%为可再生氢，到2030年，这一比例将上升至45%。欧洲将成为清洁氢产能最大地区，与美洲和大洋洲的总产能在全球中的占比将达到80%以上。从规模看，全球电解槽装机容量已达到11吉瓦，较2023年1月增长达到33%。其中，大部分来自中国（约占55%)，其次是中东（约15%）、欧洲（约15%）和北美（约5%）。两个全球最大规模的在运营电解制氢项目（260兆瓦[7]和150兆瓦[8]）均位于中国。燃料电池的累计容量由12吉瓦增加为15吉瓦，中国、韩国和日本为主要供应市场。从终端应用看，通过最终投资的氢终端应用项目金额已超过75亿美元，主要分布在工业、交通和电力等部门中，其中交通部门占比60%。从国家投资金额看，欧洲的氢终端应用投资高达45亿美元，位居全球投资金额首位，主要聚焦绿氢在工业原料（如炼油工艺）中的应用。韩国和中国分别在氢动力轻型汽车市场、氢燃料电池卡车和公共客车市场处于领先地位。北美侧重低碳氢在氨生产和炼油工艺中的应用。

  根据国际能源署（IEA）统计，截止2023年7月，全球已运行和在建的电解制氢项目有466项[9]。在这些项目中，电解槽装机容量不低于500兆瓦的项目有10项（见表1），电解槽类型以碱性电解槽和质子交换膜为主。

表1 电解槽装机容量超过500兆瓦的在建电解制氢项目

  上述项目中，中国拥有的项目（4项）占比超过40%。由中国华鲁集团和水木明拓集团以及国际氢能源中心合作建设的“Hydrogen Energy Metallurgical Chemical Demonstration Zone, 2”[10]，是世界上第一个绿色制氢及在冶金化工领域应用的综合示范项目；中石化新疆库车绿氢示范项目是当前全球最大的光伏制氢项目，已于2023年6月顺利产氢，制氢规模达到每年2万吨，标志着我国万吨级绿氢炼化项目首次实现全产业链贯通[11]。沙特阿拉伯的“NEOM Green Hydrogen Project”设定装机容量达2000兆瓦，将于2026年运行，届时将成为全球最大的绿氢工厂[12]；丹麦托普索公司正在建设世界上最大的固体氧化物电解槽制氢工厂，2025年投入运营后，装机容量可达500兆瓦并可扩展至5000兆瓦[13]。法国Genvia高温电解槽吉瓦级制氢工厂将从2028年运行[14]。

  二、主要经济体发展氢项目的战略举措

  主要经济体强化氢在深度脱碳中的战略性地位及高影响力用途，并继续扩大绿氢产业规模和降低制氢成本。2023年6月，美国《国家清洁氢能战略和路线图》[15]提出，到2030年将清洁氢产能从当前几乎为零增至1000万吨/年，制氢成本降低80%至1美元/千克[16]。该路线图从应用视角出发将清洁氢发展分为3个阶段，首先在难脱碳行业（如炼油、制氨、公交）使用氢能；其次扩展到渡轮、化工、钢铁、储能、发电和航空领域；最后在市场竞争力增强时，应用于备用电源、甲醇生产和天然气网络等。欧盟在2022年的“Repower EU”计划中提出，到2030年，实现可再生制氢产量1000万吨和进口1000万吨的目标，制氢成本低于1.8欧元/千克（约1.97美元/千克）。2023年10月，欧盟通过《可再生能源指令（修订版）》[17]和《ReFuelEU航空法规》两项法案[18]，法案规定到2030年42%的工业用氢和1.2%的航空燃料必须来自绿氢。2023年底欧盟清洁能源技术观察站指出[19]，氢终端应用中约50.5%作为炼油的化学原料，约29.5%用于氨生产，约7.3%用于其他化学合成，用于运输的氢能仅为0.001%。法国在2023年12月更新版《国家氢能战略》（草案）中提出，到2030年低碳电解制氢产能达到6.5吉瓦，重点应用领域聚焦于交通部门和难以脱碳和电气化的重工业部门（如钢铁、水泥和化肥等）。日本在2023年6月修订的《氢能基本战略》[20]中提出，制定2040年氢供应量达到1200万吨/年的目标，2030和2050年制氢成本分别下降到30日元/立方米（约2.34美元/千克）和20日元/立方米（约1.56美元/千克），以实现氢能社会由技术发展阶段过渡到商业化阶段。日本着重于国内外氢能市场的产业化，重点关注低碳氢/氨燃烧发电技术、燃料电池技术，以及在钢铁、化工、氢燃料船舶等领域的氢气直接使用以及氢基化合物使用技术。

  政府通过建设区域氢能中心和开拓国际氢供应渠道等措施构建本国大规模氢供应链。美国通过2021年签署的《基础设施投资和就业法案》共计投入80亿美元用于区域氢能中心建设，支持美国制造业和巩固美国国内供应链。日本在2023年新《氢能基本战略》提出未来10年建设3个大型氢中心、5个中型氢中心，在港口地区发展氢能枢纽；通过推动国际氢贸易以建立国际氢供应链。欧盟通过2022年“Repower EU”能源计划建设区域氢合作网络，推动跨境氢能基础设施部署，并支持在地中海、北海地区和乌克兰建立3个氢进口走廊。德国在2023年新《国家氢能战略》中提出，将构建本国-欧盟-欧盟外国家3层氢网络，确保氢能长距离规模化输送；并推出绿氢氢能地图项目，逐步开展与非洲国家的绿氢贸易。法国在2023年底公布的新《国家氢能战略》草案计划优先在工业中心的大型消费区（如滨海福斯、敦刻尔克和勒阿弗尔塞纳河口的低碳工业区）部署氢能项目，其次考虑中等城镇或小型工业平台周围的半集中和分散中心[21]。

  政府对氢项目投资和研发支持力度持续增强。美国通过2021年和2022年先后签署的《基础设施投资和就业法案》和《通胀削减法案》，大规模提供资金支持氢能基建和研发示范活动，到2030年将投入数百亿美元，美国政府两项法案将在氢能公共支出中保持全球领先地位。欧盟在2022年5月和7月相继宣布投入2亿欧元（约2.12亿美元）用于“Repower EU”计划中的氢研究和54亿欧元（约57亿美元）支持氢能技术价值链研发创新和首次工业部署[22]。2023年1月，欧盟清洁氢合作伙伴关系启动1.95亿欧元（约2.06亿美元）的氢能尖端技术研发[23]。2023年12月，欧盟创新基金将向托普索公司拨款9400万欧元（9930万美元），用于在丹麦海宁建立首个固态氧化物电解槽生产工厂，该项目的总投资额高达2.69亿欧元（2.84亿美元）。同月，英国能源安全和净零排放部通过“制氢商业模式/净零氢基金”联合资助电解制氢项目，资助项目规模将超过1吉瓦[24]，并继续推进到2030年实现至少5吉瓦的目标。澳大利亚可再生能源署（ARENA）于2023年5月宣布投入20亿澳元（13.4亿美元）启动“氢能领先计划”[25]，支持2~3个旗舰项目实现到2030年1吉瓦的电解槽装机容量。5月26日，ARENA又向Stanwell公司大规模可再生能源制氢项目的前端工程设计[26]，提供2000万澳元（1344万美元）的资助，在项目开发阶段预计将投入1.17亿澳元（7900万美元）。

  三、清洁氢制备关键技术研发进展

  清洁氢制备的技术经济性是影响氢应用的关键因素。其中，电解水制氢和光分解水制氢一直是清洁氢制备的研究热点。电解水制氢涉及碱性（ALK）电解制氢、质子交换膜（PEM）电解制氢、固体氧化物（SOEC）电解制氢及阴离子交换膜（AEM）电解制氢等方法；光分解水制氢技术，包括光催化法、光热分解法和光电化学法等。本文重点分析近期上述制氢技术研究取得的重要进展。

  全球淡水资源的稀缺使得利用海水进行ALK电解制氢成为研究前沿。这项技术面临的主要挑战是海水复杂化学性质导致的阳极析氧反应中催化剂性能下降。因此，开发高效、稳定的电极电催化剂成为关键。2023年10月，香港理工大学的傅强等人介绍了一种能够增强金属磷三晶化物催化活性的边缘优化策略。通过利用碱性阴极析氢反应中的表面重建现象，将掺杂剂（Ru）稳定在原为形成的无定形层中，从而增强了中间体的吸附能力，以达到10mA·cm−2的电流密度和1180μA·cm−2的高交换电流密度，可与商业Pt/C催化剂相媲美。这一发现证实了在电催化剂设计中利用非晶化表面的优势，为电化学应用中高效催化剂的设计提供了新的选择[27]。2023年11月，英国提赛德大学的Zafar Khan Ghouri团队发表研究，介绍了一种新型Pd掺杂Co颗粒，封装在石墨碳壳电极中，作为高活性析氧反应（OER）电催化剂。研究结果显示，这种新型催化剂在催化活性、活性位点增强、内阻降低、电荷转移加速以及OER动力学方面表现出色，并具有更好的活性和耐久性[28]。2023年12月，西北工业大学的徐新武团队介绍了一种新的耐腐蚀电催化剂。该催化剂是通过在钛纤维基材上覆盖一层还原氧化石墨烯（rGO）纳米片，然后直接生成钴磷化合物（CoP），用于海水分解。实验表明，该CoPGT催化剂在10mA·cm−2的电流密度下只需很小的过电位，且在碱性环境中长期稳定，对盐浓度增加有良好的耐受性，展现出优异的耐腐蚀性和低溶解度（低至0.04%）[29]。

  减少对铱金属催化剂的依赖性，并克服其替代品在酸性OER中稳定性不足和催化活性低的问题，是PEM电解制氢面临的关键科学问题之一。2023年7月，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科研人员提出了一种高性能、耐用且超低负载的无离子聚物多孔传输电极。该电极消除了阳极室中对离聚物的需求，便于铱的节约和回收，同时在低负荷（<0.1mgIr·cm-2）下具有出色的活性和耐久性[30]。2024年1月，湖南师范大学研究团队开发了一种高效的低铱电催化剂。采用阳离子交换和快速退火-冷却方法，在耐酸的氧化锰（MnO2）表面制备了铱原子，形成特殊的拉伸应变结构。这种结构提高了铱和氧之间的共价键强度，增强了反应过程中的去质子化能力。在OER三电极系统测试中，该催化剂分别在200 mA·cm−2和500mA·cm−2的电流密度下表现出100小时和200小时的稳定性，展示了其在PEM电解制氢应用中的潜力[31]。二氧化钌被认为是最有前景的铱基催化剂的替代品。2023年12月，阿卜杜拉国王科技大学研究团队揭示了二氧化钌在酸性OER过程中失活的机理，并设计了一种氧阴离子保护策略。所制备的Ba0.3(SO4)δW0.2Ru0.5O2-δ催化剂在质子交换膜电解槽中运行时，在0.5摩尔/升硫酸（H2SO4）下，以500 mA·cm-2的电导率下可稳定运行300小时，实现了持续稳定析氧，为设计稳定、活性的酸性条件下质子交换膜电解槽阳极催化剂开辟了一条新途径[32]。

  耐久性是SOEC电解制氢技术面临的首要问题。2023年8月，美国爱达荷州国家实验室科研团队发现，使用掺杂材料，如锰（Mn）、钕（Nd）、铁（Fe）和铬（Cr）是提高SOEC稳定性和电化学催化活性的关键[33]。2023年11月，美国麻省理工学院的研究表明，通过调整阴极电位，可以提高多孔电极（由La1-xSrxCo1-xFexO3的钙钛矿材料与Sm0.2Ce0.8O1.9混合制成）在氧还原反应中的稳定性和电化学活性。这是由于在特定条件下，电极材料表面会形成一种新的相（Ruddlesden-Popper相），这有助于防止掺杂剂迁移并在表面生成促进催化反应的钴颗粒[34]。

  AEM电解制氢技术具备低成本和高效率的双重优势。然而，AEM的化学性质和稳定性问题将影响制氢设备的使用寿命，其传导性对制氢性能也有重要影响。因此，最新的研究聚焦于AEM电解装置的耐久性问题。2023年6月，清华大学的康昕团队开发了一种新型的RuMoNi电催化剂，具备优异的耐腐蚀性及稳定性。在强腐蚀性海水的测试环境中，该催化剂能够在500mA·cm-2的高电流密度下稳定工作超过3000小时，并且在1.72V和1000mA·cm-2的电流密度下实现了77.9%的能量转换效率[35]。中国科技大学吴亮研究团队成功制备了一种基于超微孔结构的阴离子交换膜。在1.8V、90 ℃的条件下，以5.4 A·cm-2的电流密度进行电解水，膜的耐久性超过了3000小时[36]。

  光催化制氢的核心挑战在于提高光催化活性和制氢效率。2023年10月，美国内华达大学的Naim Ferdous团队展示了GeC和AlN层构成的新型二维范德瓦尔斯异质双层膜在光催化水分解制氢方面的潜力。该GeC/AlN异质结具有2.05eV的带隙，能有效激发水的光催化氧化还原反应，产生氢气和氧气。其II型能带结构有助于光生电子和空穴的有效分离，从而显著提高光催化活性[37]。2024年1月，英国牛津大学Edman Tsang团队与华东理工大学吴新平团队合作，开发出一种热辅助光催化分解水制氢的新策略，实现高达15.9%的能量转化效率，超过了目前已报道的同类体系[38]。

  实现成本低、可扩展性强的高效光吸收器，同时确保高效的太阳能转化率和长期耐用性，是光电化学制氢技术面临的一项主要挑战。2023年6月，美国莱斯大学的Austin M. K. Fehr团队设计了一种导电粘合剂阻隔层，能将超过99%的太阳能转换为化学能，显著提升太阳能制氢（STH）效率。该研究展示了两种基于卤化物钙钛矿的电池架构：一种实现了13.4%的STH效率，持续运行16.3小时；另一种单片堆叠硅钙钛矿串联结构，达到了20.8%的峰值STH效率，并连续运行了102小时[39]。

来源：双碳情报