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氫能源是全世界能源技術改革的主要大方向，是可持續、安全的能源未來的主要構成部分。加快氫能產業的發展，既能應對全球環境危機，又能保證能源供應，實現國家能源的可持續發展。按照國際能源署的《氫能源未來發展趨勢報告》，預估到２０５０年，氫能消耗將比目前水平增加１０倍。世界各國都在大力發展制氫技術，搶占國際氫能制高點。
運用可再生能源取代化石燃料制氫是以后清潔、高效制氫發展壯大的動向，在制氫產業鏈的制備－儲運－加注－應用四個環節中，制氫是龍頭，制氫產業前景很好，要科學地選擇制氫工藝路線，必須從源頭上滿足環保、經濟、安全、高效的要求，實現氫氣的供給。
１、制氫方法的發展趨勢
制氫技術處在氫能源快速發展的上游。目前主流的綠色制氫技術主要有電解水制氫、生物制氫、太陽能制氫等。
據中國氫能聯盟介紹，中國制氫的長期目標是到２０５０年實現可持續性充分利用可再生能源電解水制氫，大力推廣生物制氫和太陽能光解水制氫。
１）電解水制氫
目前主流的制氫方法是煤氣化制氫和天然氣制氫。從成本費用角度來分析，煤氣化制氫成本最少，具有盈利空間，電解水制氫僅占４％，制約電解水制氫技術發展的主要因素是成本高、收益為負；從綠色環保的角度來看，電解水制氫是低碳、可持續的。與目前主流制氫技術相比，它具有可持續性和低污染。它是理論上最理想的制氫技術，符合國家可持續發展的方針。
以后制氫技術的發展主要是受技術實力、經濟效益、環境效益等要素的影響。根據國際能源署（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ）的一份新報告，到２０３０年，利用可再生能源生產氫氣的成本預計將下降３０％。可再生綜合能源的利用正在迅速發展，制氫方法也越來越多，但未來的制氫方式仍是電解水制氫技術，具有廣闊的發展前景。到２０５０年，用于可再生能源發電的電解水將成為主流的制氫技術。
２）生物質能制氫技術
生物制氫原料來源廣泛無污染，反應環境常溫常壓，生產成本低，完全顛覆了傳統的能源生產工藝。生物質能制氫做為一種環境友好型可再生能源，其產業發展不但對能源的優化運用有積極主動的效果，而且還能減少環境污染。生物制氫技術是一種高效的制氫生物工程技術。整個過程通過細菌的作用，將儲存在天然有機物（如蛋白質、植物碳水化合物）中的能量釋放出來，產生氫氣。
生物制氫的主要途徑有光解水、光發酵、暗發酵制氫和光暗偶聯發酵。幾種生物制氫方法的比較見表１。生物制氫有許多優點。與傳統的物理化學方式 相比之下，更節能、可再生、低消耗。這是未來大規模制氫的重要途徑。
３）太陽能制氫技術
最近，研究人員正專注于開發利用太陽能和其他可再生能源生產氫氣的新技術。目前，太陽能制氫技術的主要實現途徑有光化學制氫、光催化制氫、人工光合制氫等。幾種太陽能制氫方法的比較如表２所示。
伴隨著科學研究的深入，發現熱化學制氫技術還可以在陽光照射條件下運用光催化劑降低溫度要求，并提出一種熱化學循環制氫方法。光催化制氫是在光催化劑作用下分解水而產生的氫氣。目前，光催化制氫技術的主要研究工作是提高催化劑的性能，以提高制氫效率。
石墨烯具有超強的力學性能、導電性、導熱性和透光性，且價格低廉，產氫效率高。石墨烯的轉變為未來低成本制氫提供了巨大的希望。研究后，發現廢水中的有機物可以通過自身的電子給體實現太陽能制氫和太陽能去污，這個過程只需要簡單地將污水處理與光催化制氫結合，所以這也是一個未來的發展方向。
太陽能制氫技術還處于初步研究階段。隨著大量的投資，技術的發展和進步會越來越快。光催化劑制氫技術的進一步改進和生物制氫效率的進一步提高的希望也會更大，前景非常廣闊。
表１生物質制氫技術對比
表２太陽能制氫技術比較
２、氫儲運方法的發展趨勢
氫氣的儲運是氫氣高效利用的關鍵，也是影響氫能大規模開發的重要因素。因此，氫儲運技術的研究成為研究的重點和難點。目前，主要的儲氫方式有多孔材料和金屬合金中的固態儲氫、高壓氣體儲氫、低溫液化儲氫等。
目前，氫氣的儲存和運輸主要是氣態形式，主要是因為其成本低，操作簡單，充放氣速度快，但安全風險因素高。低溫液氫儲存技術發展緩慢，存在難度系數高、液化成本高、能耗高、保溫材料成本高等缺點。
固態儲氫法具有許多優點，操作方便。它是三種儲氫方法中最有前途的一種，也是儲氫技術研究的前沿方向之一。在未來，儲氫合金有望成為使用過程更方便、成本更低的主要儲氫方法。
此外，隨著研究的發展，出現了無機物儲氫和有機物儲氫。無機物儲氫是通過與離子型非金屬氫化物（如復合金屬氫化物ＮａＢＨ４、ＮＨ３ＢＨ４等）之間化學的相互作用來儲氫。釋放過程與儲氫合金原理相似，儲存在其中的氫通過加熱釋放。
有機物儲氫是指苯或甲苯等液體與氫反應生成環乙烷。這種氫氣的儲存和運輸方式不依賴于高壓和低溫的設備。釋放過程中的脫氫反應需要催化劑，這也是一種未來備受關注的儲氫技術。
３、氫能應用的發展趨勢
氫氣在提供清潔、安全、可靠、豐富的能源方面具有很大的發展前景，具有廣泛的應用前景。作為工業原料，可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產領域，少量可用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業領域。
截至２０１８年底，全球ＦＣＥＶ（燃料電池電動汽車）庫存達到１１２００輛，當年銷量約４０００輛（較２０１７年增長８０％）。預計到２０３０年，燃料電池汽車行業將實現重大發展。預測趨勢如圖１所示。
圖１ ２０１８ － ２０３０年部分國家的燃料電池汽車
目前，氫的發展被提升到戰略層面，但仍存在成本高、安全、突破、基礎設施薄弱等問題，應提前與當地給予為主，優先發展加氫示范基礎設施和氫燃料電池等。逐步從地方化走向區域化，為我國產業發展、技術培訓和基礎設施建設積累經驗。
隨著可再生能源系統、燃料電池的大規模應用，國內燃料電池汽車生產成本大幅下降，加氫站將有較大增長，我國能源消費結構將以氫氣為主體，國家“能源獨立”有望完成，氫產業將從區域發展逐步向主要市場延伸，依托國家天然氣管網實現氫天然氣混輸規模化運營，包括氫能輸送管網、氫能加氣站在內的國家基礎設施網絡基本形成。氫氣作為一種清潔能源，將在越來越多的領域得到應用。
本文編輯于《中國電工技術學報》２０２１年第３期，題為《可再生能源中多能量互補制氫－儲運關鍵技術綜述》。作者：李征、張銳等。
