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氫氣的應(yīng)用是非常廣泛且多元化的，氫具備獨(dú)一無二的特性。
高能量密度:
氫氣是一種高能量密度的能源載體。相比其他傳統(tǒng)燃料，氫氣在燃燒或通過燃料電池反應(yīng)時(shí)能夠釋放出大量的能量。這使得氫氣成為一種理想的能源選擇，尤其適用于需要高能量輸出的應(yīng)用場景，如交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)。
清潔環(huán)保:
氫氣的燃燒產(chǎn)物僅為水，不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、硫氧化物等有害物質(zhì)，因此被認(rèn)為是一種清潔環(huán)保的能源。在環(huán)境污染和氣候變化問題日益嚴(yán)峻的背景下，氫氣的這一特性使其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
來源多樣性:
氫氣的來源非常廣泛，可以通過多種途徑獲得，包括化石燃料制氫、可再生能源制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫等。這種來源多樣性使得氫氣能夠適應(yīng)不同的能源需求和場景，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。技術(shù)適應(yīng)性:
氫氣作為一種能源載體，具有很強(qiáng)的技術(shù)適應(yīng)性。它可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的燃燒過程，也可以通過燃料電池技術(shù)轉(zhuǎn)化為電能。此外，氫氣還可以與其他能源形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，這使得其在能源系統(tǒng)中具有很高的靈活性和可調(diào)性。
跨領(lǐng)域應(yīng)用:
氫氣在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。除了傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用外，氫氣還在交通、電力、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在交通領(lǐng)域，氫燃料電池汽車已經(jīng)成為新能源汽車的重要發(fā)展方向之一;在電力領(lǐng)域，氫氣可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)和調(diào)峰調(diào)頻的輔助能源;在建筑領(lǐng)域，氫氣也可以作為未來建筑用能的主要載體之一。
1、合成氨
1909年，德國化學(xué)家Fritz Haber發(fā)現(xiàn)在?溫?壓下Fe作為催化劑可以使氮?和氫?合成氨，這是?個(gè)偉?的化學(xué)發(fā)現(xiàn)。氨?是重要的化?原料，?泛應(yīng)?于化肥、炸藥、燃料等領(lǐng)域。其中，?作氮肥的“化肥氨”占我國氨?消費(fèi)總量的近70%。此外，氨還作為重要的?機(jī)化?或有機(jī)化?的基礎(chǔ)原料，?于?產(chǎn)染料、炸藥、各類合成材料等?！?業(yè)氨”占我國氨?消費(fèi)總量近30%。
綠氨項(xiàng)目:近年來，多個(gè)氫氨一體項(xiàng)目在全球范圍內(nèi)啟動(dòng)并加快建設(shè)。例如，內(nèi)蒙古四子王旗風(fēng)光儲(chǔ)氫氨一體化示范項(xiàng)目、吉林大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項(xiàng)目、中能建松原氫能產(chǎn)業(yè)園（綠色氫氨醇一體化)項(xiàng)目等，這些項(xiàng)目均具備較大的投資規(guī)模和產(chǎn)能規(guī)劃。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2024年以來，中能建、國電投、國家能源集團(tuán)、華電、華能、三峽、深能、寶豐、水木明拓、遠(yuǎn)景等均在推進(jìn)綠氨項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資近2,000億元。這表明氫氨一體項(xiàng)目正受到行業(yè)內(nèi)外的高度關(guān)注和重視。綠氨成本價(jià)格趨勢如下，主要取決于綠電制氫價(jià)格，同時(shí)計(jì)算時(shí)，默認(rèn)原料成本占據(jù)總成本的70~80%。
綠氨興起:綠氨是無碳化氨合成與生產(chǎn)。隨著綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，多個(gè)示范項(xiàng)目計(jì)劃并落地。氫氨一體化，這是一種集成綠氫、綠氨生產(chǎn)的綠色能源化工模式。它涵蓋了從可再生能源發(fā)電、電解水制氫到氨合成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，氫氨一體化實(shí)現(xiàn)零碳排放。這對于減少溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要意義。另外，氫能和氨能作為清潔能源，具有廣泛的應(yīng)用前景。氫氨一體項(xiàng)目不僅推動(dòng)了氫能技術(shù)的發(fā)展，還促進(jìn)了氨能作為零碳燃料和氫能藪體的應(yīng)用，為構(gòu)建清潔低碳的能源體系提供了有力支撐。224年7月15日，國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)《煤電低碳化改造建設(shè)行動(dòng)方案(2024-2027年)》，將摻氨燃燒作為煤電低碳化改造的重要技術(shù)路線，要求相關(guān)項(xiàng)目改造建設(shè)后應(yīng)具備摻燒10%以上綠氨的能力。
2、合成甲醇
氫?合成甲醇利?了?氧化碳和氫?作為原料，通過?系列化學(xué)反應(yīng)?成甲醇。這是?種綠?的化學(xué)合成?法，有助于減少??中?氧化碳的排放，并將其轉(zhuǎn)化為有?的化學(xué)品。傳統(tǒng)甲醇制備的主要?藝包括原料預(yù)處理、?化、WGS、?體凈化、甲醇合成和純化。
甲醇屬于?宗品，具有?常?泛的應(yīng)?場景。具體如下：
應(yīng)用水平
綠氫制甲醇利用可再生能源〈如太陽能、風(fēng)能等）發(fā)電制得的氫氣〈即綠氫）與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，實(shí)現(xiàn)了能源的清潔轉(zhuǎn)化和高效利用。綠色甲醇有“液態(tài)陽光”的美譽(yù)。
綠醇項(xiàng)目:廣東建工風(fēng)電制氫合成綠甲醇一體化項(xiàng)目:該項(xiàng)目由廣東建工下屬子公司與黑龍江省佳木斯市樺南縣人民政府等合作開發(fā)，總投資約140億元，規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)50萬噸綠甲醇項(xiàng)目。項(xiàng)目分兩期建設(shè)，其中一期總體投資約70億元，規(guī)劃建設(shè)0.85Gw集中式風(fēng)電項(xiàng)目并配套建設(shè)年產(chǎn)25萬噸綠甲醇項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用風(fēng)電制得的綠氫與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，實(shí)現(xiàn)了能源的清潔轉(zhuǎn)化和高效利用。
安達(dá)市天楹風(fēng)光儲(chǔ)氫氨醇一體化項(xiàng)目:該項(xiàng)目由安達(dá)市天楹新能源有限公司投資建設(shè)，總投資額超過百億元。項(xiàng)目包括建設(shè)10萬噸級/年二氧化碳加綠氫制甲醇、15萬噸級/年生物質(zhì)氣化耦合綠氫制甲醇等多個(gè)子項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過綜合利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源和生物質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)了多種能源的互補(bǔ)和協(xié)同利用。
3、石油煉化
加氫裂化過程被定義為?氫處理較重的碳?xì)浠衔铮瑫r(shí)將其分解成較輕的衍?物，并提?氫/碳?。在加氫加?中，主要通過不同的處理?藝從?油產(chǎn)品中捕獲氮、硫、氧和重?屬等各種雜原?，分別稱為加氫脫氮、加氫脫硫、加氫脫氧和加氫脫?屬等。
煉油是氫?的主要?途之?，僅次于合成氨的?氫量，需求量巨?，?氫技術(shù)成熟。油?使?的氫??約80%是在煉油?現(xiàn)場?產(chǎn)的，這其中約55%來?專門的制氫，其余的來源為?業(yè)副產(chǎn)氫，如?腦油裂解。因此，在?油煉化領(lǐng)域，存在綠氫替代灰氫的減碳空間，這將成為短期內(nèi)氫能最主要的應(yīng)?領(lǐng)域。
2022年，全球煉油?氫量超過4,100萬噸，為2018年以來的歷史最??平。同?需求增幅最?的地區(qū)來?北美和中東，合計(jì)超過100萬噸，約占2022年全球增長的四分之三。中國是唯??個(gè)減少氫需求的主要煉油地區(qū)(約50萬噸)，原因是疫情限?，?油需求降低。2023年7?，中?化在中國庫車投產(chǎn)了世界最?的電解?制氫項(xiàng)?（260MW)，每年將?產(chǎn)2萬噸低碳?xì)?，供應(yīng)塔河煉油?使?。
?前許多國外?型煉油公司也布局綠氫替代，如BP公司與海上風(fēng)電開發(fā)商合作，將在德國Lingen煉油??規(guī)模應(yīng)?綠氫；2024年建成?座50兆?電解?制氫設(shè)施，利?海上風(fēng)電?產(chǎn)綠氫，替代現(xiàn)有20%的天然?制氫產(chǎn)能，項(xiàng)?后期規(guī)模將擴(kuò)??500 兆?，完全取代該?的化?能源制氫裝置。殼牌公司現(xiàn)已公布7個(gè)碳中和綠氫項(xiàng)?；2021年7?，開始建設(shè)歐洲最?的質(zhì)?交換膜電解槽，可年產(chǎn)1,300噸綠氫，?于德國萊茵蘭煉?加氫裝置；開發(fā)和驗(yàn)證電加熱蒸汽?烯裂解爐解決?案，打造全球?座電加熱裂解爐，可減少碳排放達(dá)90%。法國能源巨頭道達(dá)爾和德國天然?公司VNG簽署?項(xiàng)綠氫供應(yīng)協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，VNG將向道達(dá)爾運(yùn)營的Leuna煉油?供應(yīng)綠氫，?標(biāo)是到2030年使?低碳?xì)淙〈覛洹?/p>
4、氫冶金
氫能煉鐵是?種創(chuàng)新的煉鐵?藝，它?新性地采?了氫?作為還原劑，取代了傳統(tǒng)的碳基還原劑。直接還原煉鐵（Direct Reduced Ironmaking, DRI）是?種化學(xué)過程，旨在從固態(tài)鐵礦?中去除（還原）氧元素，從?獲取?于煉鋼的鐵。?前，煉鋼過程中所使?的鐵主要是通過利?化?資源——天然?或煤炭，對鐵礦?進(jìn)?化學(xué)還原得到的。這?過程被稱為直接還原煉鐵。
在傳統(tǒng)的DRI過程中，碳與鐵礦?中的氧結(jié)合，?成?屬鐵和富含碳的過程?體，這?反應(yīng)可以簡化為：2Fe?O? + 3C → 4Fe + 3CO?。這意味著，在還原過程中，不僅?成了所需的?屬鐵，還產(chǎn)?了以?氧化碳為主的廢?，這在?定程度上增加了碳排放。
然?，還有?種更為環(huán)保的替代?案，即使?氫?來替代碳進(jìn)?鐵礦?的還原。在這種情況下，氫?與鐵礦?中的氧結(jié)合，?成?屬鐵和?蒸?，反應(yīng)?程式如下：Fe?O? + 3H? → 2Fe+ 3H?O 和FeO + H? → Fe + H?O。這種?法顯著減少了有害廢?的排放，因?yàn)橹饕a(chǎn)物是?蒸?，??溫室?體?氧化碳。因此，使?氫?作為還原劑進(jìn)?直接還原煉鐵，是鋼鐵?業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳化和綠?轉(zhuǎn)型的重要途徑之?。
2022年，全球?業(yè)中氫?的使?量為5,300萬噸，其中約60%?于合成氨?產(chǎn)，30%?于合成甲醇，10%?于直接還原煉鐵。根據(jù)國際能源署（IEA）的核?可持續(xù)發(fā)展展望（SDS），電解?制氫作為主要的還原劑將于2030年中期實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)?，其使?量將在2050年擴(kuò)??1,200萬噸。IEA還預(yù)計(jì)，到2050年，由于鋼鐵?產(chǎn)量?且能夠獲取?量低成本的可再?電?，印度和中國對電解?制氫的需求將最?（每個(gè)國家均超過450萬噸）。
5、氫儲(chǔ)能
氫儲(chǔ)能技術(shù)利?了電?和氫能的互變性。在可再?能源發(fā)電系統(tǒng)中，電?間歇產(chǎn)?和傳輸被限的現(xiàn)象常有發(fā)?，利?富余的、??峰的或低質(zhì)量的電??規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來；在電?輸出不?時(shí)，利?氫?通過燃料電池或其他?式轉(zhuǎn)換為電能輸送上?。這?過程主要涉及電解?制氫、儲(chǔ)氫和燃料電池發(fā)電三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
現(xiàn)狀：氫作為燃料在電?部門?乎沒有應(yīng)?，在全球發(fā)電結(jié)構(gòu)中所占的份額不到0.2%(?且主要不是來?純氫，?是來?鋼鐵?產(chǎn)、煉油?或?化?的含氫混合?體)。我國從科研攻關(guān)、?范應(yīng)?、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)層?全??持中長期氫儲(chǔ)能的發(fā)展，以推動(dòng)可再?能源發(fā)電消納。盡管?前氫儲(chǔ)能還未步?常態(tài)化應(yīng)?階段，在新型儲(chǔ)能中的占?不到0.1%，但其在清潔、?效、可持續(xù)等??的獨(dú)特優(yōu)勢，使其成為了未來能源轉(zhuǎn)型的重要?向之?。
我國已有多個(gè)氫儲(chǔ)能項(xiàng)?實(shí)現(xiàn)投運(yùn)，氫儲(chǔ)能技術(shù)利?電?和氫能的互變性，通過電解?制氫、氫?儲(chǔ)存以及使?燃料電池或氫內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化能量的?式，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池等裝置，可以?于調(diào)峰調(diào)頻、電?削峰填?、?戶冷熱電?聯(lián)供、微電?等場景。?前?些項(xiàng)?的成功投運(yùn)，不僅為我國氫儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和環(huán)境的改善作出了積極貢獻(xiàn)。
6、燃?xì)廨啓C(jī)
燃?輪機(jī)(GT)由于其特點(diǎn)?被?泛?于發(fā)電領(lǐng)域，例如能夠在緊湊的空間內(nèi)產(chǎn)??功率，啟動(dòng)速度快，并且可以與其他發(fā)電裝置集成。燃?輪機(jī)裝置主要通過Brayton循環(huán)產(chǎn)能，其整體性能受燃燒過程的影響。燃燒室中使?的燃料是影響燃燒和排放效率的關(guān)鍵因素之?。?前?油和天然?等化?燃料是燃?輪機(jī)的主要燃料。?使?氫?代替可提供更?的熱能。
7、天然氣摻氫
指將?定?例的氫?注?到天然?中，與天然?混合形成的?種?體（HCNG）。利?天然?管?輸送，可直接將摻氫天然??于居民和商業(yè)?戶、?業(yè)?戶；也可在適合的條件下（摻氫?例≥15%），將摻氫天然?中的氫?進(jìn)?提純，應(yīng)?于交通運(yùn)輸、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。?前各國應(yīng)?的天然?摻氫?例?般為5%～30%，根據(jù)國際可再?能源機(jī)構(gòu)（IRENA）的數(shù)據(jù)，?多數(shù)國家和地區(qū)設(shè)置的摻氫?例不超過2%，少數(shù)設(shè)定為4%～6%。德國雖然規(guī)定上限為10%，但如果壓縮天然?加?站連接到管?，則該?例?幅下調(diào)?2%以下。中國?油在寧夏銀川寧東天然?摻氫管道?范平臺(tái)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氫??例逐步達(dá)到24%的技術(shù)突破，這是?前中國在天然?管道摻氫??取得的重要進(jìn)展。
天然?摻氫技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了?泛的研究和?范應(yīng)?。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）數(shù)據(jù)顯?，全球已有37個(gè)?范項(xiàng)?對天然??絡(luò)中摻氫的可?性進(jìn)?研究，包括測試摻氫對天然?輸配關(guān)鍵設(shè)備、材料、終端設(shè)備和電器的影響等。
中國城市燃?協(xié)會(huì)發(fā)布的《天然?管道摻氫輸送及終端利?可?性研究報(bào)告》預(yù)測，“?四五”時(shí)期，中國將新增天然?管道摻氫?范項(xiàng)?15-25個(gè)，摻氫?例3%-20%，氫?消納量15萬噸/年，管道總長度1000公?以上。
8、氫燃料電池