谢在库
2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，阐述了中国2030 年实现碳达峰和 2060 年实现碳中和的战略目标。当前，国际社会非常重视清洁能源发展，不少国家纷纷制定发展规划，以应对日益严峻的环境污染问题，积极推动构建人类命运共同体。例如，欧盟制定“地平线计划”，英国启动“绿色工业革命”，美国能源部发布《工业脱碳路线图》，联合国国际能源署发布企业碳中和路径图。这些能源计划在实施过程中的总体方向是按照低碳方向推进的，涉及的领域非常宽广。
一、发挥新型举国体制优势，推动清洁能源低碳转型
当前，中国正积极发挥新型举国体制优势，推动清洁能源低碳转型，制定了相关的政策法规。2022年1月29日，国家发改委和国家能源局印发了《“十四五”现代能源体系规划》，提出到2025年我国非化石能源的比重提高到20%以上,展望2035年,能源高质量发展取得决定性进展,基本建成现代能源体系。这意味着中国非化石能源比重很快达到1/3，这种巨大的进步将产生变革性影响，使得清洁低碳、安全高效成为现代能源体系的重要内涵。
2022年3月23日，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，根据规划，到2025年，我国将基本形成较为完善的氢能产业发展制度和政策环境。同时，通过在关键材料和核心技术方面的创新与突破，初步建立起包括制氢、储氢、运氢、加氢、燃料电池等在内的完整供应链和产业体系。到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑“碳达峰”目标实现。到2035年，形成氢能多元应用生态，可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升。
氢是绿色能源，也是能源载体。很多专家、学者认为氢是能源的搬运工，因为它不仅可以通过电解水制取，还可以通过光伏发电制取，氢可以进入能源系统也可以进入物质系统，还可以进行高值化转化，所以氢是非常重要的能源。氢能是可持续发展的必然选择，具有基础性作用和功能性作用。
目前，我国的氢能产业还处于发展的初期阶段，未来将迎来高速发展时期。在炼油和化工领域，氢能发挥着基础性作用，而绿氢体系则在实现“碳中和”过程中扮演着重要的角色。绿氢体系是指用绿氢建立绿氢制备、储运、运输和应用的稳定体系，适用于大工业生产。在炼化产业中，要想实现碳中和，推动高质量发展，就需要发展碳捕获、利用与封存技术，调整绿电和绿氢能源结构，降低二氧化碳排放量。而且，由于氢资源介入炼化流程，涉及装置结构和产品结构的调整，所以氢的使用是必不可少的。
“双碳”背景下，产品结构、装置结构和用能结构都发生了改变。因此，当前的工业流程，如炼化的工业流程必须要进行变革，即通过变革性的流程再造、创造，来适应绿氢、绿电产业结构调整。当前的用能结构以化石原料为主，未来必将调整为“化石原料+生物质+可再生资源”的用能结构。这个演进的过程是建立在能够稳定获取、运输和供应绿氢的基础上。所以，绿氢的基础保障作用非常重要。氢基产业技术包含四个方面：大规模绿氢制取、氢能储运、氢基工业和燃料电池系统。
二、绿氢制取技术
绿氢的制取涉及一系列核心技术。未来使用可再生能源制氢技术中，电解水制氢是最佳制氢方式，此外还有光催化制氢、生物制氢，随着科技不断进步，制氢方式还会发生更大的变化。在电解水制氢的所有种类里，碱性电解水制氢的效率是60%，目前中国石化已经在新疆库车实现碱性电解水制氢技术大规模运用。正在发展中的质子交换膜电解水制氢，其效率可达75%，由于该技术所使用的催化剂主要是贵金属，所以仍需研讨未来使用非贵金属、合金作为催化剂的可行性，进一步降低催化剂成本。相反，阴离子交换膜电解水技术的成本比较低，其效率可达85%，是目前的一个研究方向。
另外，通过固体氧化物电解槽（SOEC）技术，海水原位直接电解制氢成为下一步的研究方向，其效率可达85%以上，但需要攻克其材料稳定性的问题。值得一提的是，中科院上海应物所王建强团队和中国科学院大连化学物理研究所包信和院士团队在这方面都做了大量的工作，此外，他们也在阳极耦合氧化方面做了一些工作，因为氧的应用也非常重要。与此同时，国际上的团队也正积极探索和示范，努力推进阳极、阴极、电解质材料的稳定性研究。
除了电解水制氢以外，光催化制氢技术也非常重要。中国科学院李灿院士团队长期进行光电和光催化电解水制氢方面的研究，运用自然光合作用的原理，采用多媒介调控策略实现光催化制氢。另外一项技术则是生物制氢，该技术采用两步法制氢，利用二甲基亚砜诱导水解氧化，得到甲酸后再分解，在催化条件下得到氢，这是一种典型的生物质制氢技术，它实现了零碳甚至负碳。
以上是绿氢的整个获取体系。当前我国制取的主要是灰氢，煤气化制氢和重整制氢仍然主导着我国整个工业界的制氢方式。现在，我们正在推进实现工业化的电解水制氢、碱性电解水制氢。我们下一步将要耦合CCS（碳捕获与封存）发展蓝氢，同时要高温气冷堆耦合热化学循环，努力提高材料稳定性，以期实现绿氢光催化和生物催化，从灰氢、蓝氢转变为绿氢。
脱氢涉及催化问题，脱氢需要通过催化剂，将有机物中的氢原子移除,从而改变化合物的结构和性质。而把氢气加到有机化合物中，也需要催化剂在合成反应中发挥作用。一般来说，脱氢的条件是比较苛刻的，而加氢的条件则相对缓和一些，苛刻条件和缓和条件的耦合对动力学、热力学均提出了较高的要求。如何进行匹配，如何设计高效的脱氢、加氢催化体系，既是整个研究工作的重点，也是难点。目前，国内外很多学者在环己烷、乙二醇、二苄基甲苯、N-乙基咔唑、甲酸等方面进行了系统的脱氢和加氢催化研究，取得了良好进展。
甲醇是我们非常熟悉的化合物，中国是甲醇化工大国，二氧化碳排放比较高，但是如果通过绿氢和二氧化碳制备甲醇的话，可以解决这一问题。目前李灿院士团队在这方面的研究属于第一阶段，第二阶段是光电催化，第三阶段是光催化。
在氢能产业，我们炼化系统中的氢主要是灰氢，如果绿氢进入到炼化系统，那么我们的油品就将是绿色的。目前，中国石化两万吨新疆库车项目流程已经贯通，产生了合格的氢，这在绿氢示范、绿氢炼化中具有变革性意义。
在煤化工过程中，从气化到合成气，合成气到甲醇，甲醇到烯烃，如果用氢、绿氢替代的话一定程度上是绿色的。当前的合成气煤化工是通过合成气到甲醇，甲醇到烯烃，如果合成气直接变成烯烃的话，整个过程的能耗就有所下降，这也是我们在节能减排中追求的一个重要结果。合成氨工业是化学工业的重要组成部分，其二氧化碳排放量也非常高，不过这曾是一个得过三次诺贝尔化学奖的工业成果。如何节能减排呢？仅接力催化还不够，还需要发展电催化，未来一段时间还要耦合绿氢，我们期待这样一个过程能够尽快进行示范。
在氢基绿色能源产业方面，众所周知，冶金、建材、石化、发电等行业都是二氧化碳排放比较高的部门。当前氢冶金二氧化碳排放占比将近65%，使用绿氢冶金基本可以避免二氧化碳排放。在建材行业，水泥、石灰等主要产品在生产制备过程中需要大量的碳酸盐矿物作为原料,碳酸盐分解过程形成二氧化碳,从而造成大量碳排放。因此，在化工、建材行业，合成气化工和碳酸钙（碳酸盐的一种）分解相互耦合，耦合过程离不开氢源。甲烷是结构最简单的碳氢化合物，很多团队也在探索甲烷制氢的工艺。
在燃料电池方面，我们已经掌握了核心技术，也建立了很多加氢站，如果能继续提高燃料电池技术、相关储氢容器技术，积极推进压缩机系统以及相关材料的前沿技术开发，将进一步提高燃料电池的性能，降低成本。
以上四大氢能产业技术体系包含能源、产业、终端、交通等领域。当前，大规模电化学工厂建设、大规模光化学工厂建设、大规模绿色合成氨工厂建设、大规模一代二代特别是三代绿氢/甲醇等工业工厂建设等都需要大力进行科技创新，尤其是从变革型技术的突破作为支撑。
三、中国石化在氢能产业的实践和展望
中国石化在2020年6月提出打造“第一氢能公司”，在制备、储运、应用、示范、研发、全方位合作等方面进行了一些布局，也制定了相关规划，如到2025年，建设1000座加氢站或油氢合建站的发展规划等。中国石化对绿氢示范规模化提出具体要求，比如2025年绿氢示范规模要达到十万吨。在氢气供应方面，中国石化生产氢430万吨，占全国氢气产量约12%，已建有9套氢气纯化和充装装置，总能力达1.9万标立/时，可向燃料电池车提供高纯氢。目前，中国石化在全国主要经济圈都进行了布局，从广东到上海再到北京燕山，都能满足燃料电池车发展的需要。
中国石化在十年前已经开始进行关于管道输氢方面的相关部署，目前又制定了新的规划。在液氢方面，中国石化已经将巴陵、燕山纳入当前的战略部署和规划设计。在终端服务方面，中国石化2022年年底对外发布98座加氢站，在23个省市区进行了相关部署。为了进一步降低终端成本，中国石化把甲醇重整制氢部署在大连，氨分解制氢部署在福建，微管网部署在浙江，在不同区域进行规划部署可降低成本，进一步推动终端燃料电池氢能汽车产业的发展。
在绿氢示范建设方面，现有新疆库车和内蒙古鄂尔多斯两个示范基地项目，库车项目已经投入运营使用，鄂尔多斯项目依然在建设中。此外，中国石化还拥有一个标志性的国家战略示范工程，建设400公里输氢管道，连接乌兰察布的制氢厂和北京的燕山石化，管道年吞吐量为10万吨氢气，远期将达到50万吨。该工程是风光电相结合，最后使用电解水制氢技术，氢通过管道输送至末端。
在氢能科技研发和标准制定方面，中国石化积极参与装备、油氢合建站等相关工作，开展相关研发，这些研发有些是自主的，但更多的是通过合作开展的。另外，中国石化也在积极加强同中国电动汽车百人会、中国氢能联盟合作，主动牵头加快布局绿氢全产业链。2023年5月，中国石化在北京召开氢能应用现代产业链高质量发展推进会暨专家咨询委员会成立大会，将氢能产业推向更高阶段。
氢是能源的载体，是推进能源转型的重要着力点。氢能科技，特别是规模化制备四大关键科技发挥着基础性作用。建立“制储运用”系统，稳定的绿氢系统是实现“双碳”目标的关键，需要大力发展氢经济和氢能产业。
（作者系中国石化股份公司总工程师、中国科学院院士。本文根据作者在2023年新能源科学与交通电动化国际论坛上所做的演讲整理。）