2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上向国际社会作出碳达峰、碳中和的郑重承诺。能源相关领域占我国全部二氧化碳排放总量接近90%，发展非化石能源是实现“双碳”目标的关键途径。
在各类非化石能源技术中，风能、太阳能发电技术是最有发展潜力的新能源发电技术。我国已明确提出，到2030年非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。届时，风光发电装机容量占比将达到50%，比目前水平提高一倍以上。实现2060年碳中和目标，我国波动性可再生能源发电有望突破50亿千瓦，发电装机比重达到90%以上。未来太阳能、风力发电还有很大技术进步和成本下降空间，在如此高的波动性发电渗透率下，电力系统较低的发电成本和较高的长周期调节需求将为绿氢（即通过可再生一次能源生产的氢能产品）降成本和大规模应用创造重大机遇。
目前国内研究机构大多认为终端用能电气化是实现2060年碳中和的主要手段，包括道路交通、建筑、工业中低温供热等领域电气化已基本具备技术和经济性条件，未来电力消费占比将有望突破终端能源消费总量的70%。尽管如此，在重型货运、航空、冶金、化工等高耗能领域，受移动储能技术或工业原料需求等因素限制，电能难以实现对终端化石能源的全面替代。相比储电技术，氢能单位质量能量密度更高，兼具化工原料属性，且可与二氧化碳合成其他零碳原料或燃料，是碳中和能源系统中极具发展潜力的二次能源。但目前全球氢能生产仍然主要依赖化石能源，尤其在我国，煤制氢技术成熟、成本低，市场占比达到60%以上。如何降低绿氢生产成本，解锁其在终端用氢行业中的市场竞争力，成为当前我国发展氢能产业的当务之急。
降成本是核心议题
具体来看，绿氢的大规模应用需要破解生产和储运两个环节障碍，而降成本是贯穿两者的核心议题。目前电解水技术是绿氢生产的主流技术，其中碱性电解水技术相对成熟，固体聚合物电解水和固体氧化物电解水仍处在研发或示范阶段。
碱性电解水制氢技术产业化时间较长，技术最为成熟，具有投资费用少、操作简便、运行寿命长等优点，但能量转化效率较低，且对电源稳定性要求较高。质子交换膜电解池原理与碱性电解池不同，其用固态的质子交换膜代替了传统碱性电解水技术中的液态电解质和隔膜，具有电流密度大、电解效率高、无污染、结构密集、体积小等优点，而且可以快速变载，响应时间短，与光伏、风电等波动性电源匹配性较好。虽然目前受制于膜电极的高成本，但是该技术被广为看好，是目前研发的主要方向。固体氧化物电解水能量转换效率较高，但由于工作温度较高，受限于材料选择，目前还未商业化。
经济性方面，电解水生产1Nm3 H2约消耗电力4.3～7kWh，电费约占整个水电解制氢费用的80%，其成本的关键在于耗能问题。当电解水制氢的综合成本降低到约1元/Nm3时，其经济性才具有一定竞争力。降成本途径一是降低电解过程中的能耗，二是采用低成本电力制氢。技术装备方面，也需加快研究电解制氢关键材料及核心部件制备技术，提升电解槽设备功率、降低电耗并提升寿命和耐久性。此外，应着力研究新能源输入对电解槽及制氢系统影响，以满足高比例新能源电网系统应用需求。
技术路线分析
除电解水制氢外，电还可以P2X的方式与化工流程相结合，生成大宗化工产品，如氨、甲烷、甲醇和汽油等。
目前比较成熟的电转氨技术路线首先通过电解池进行电转氢，然后通过哈伯合成氨反应器，将氮气与氢气合成氨。根据催化剂和反应工艺的不同，哈伯合成氨主要包括基于铁基催化剂、钌基催化剂以及Co3Mo3N催化剂的技术路线。四川省凉山州雷波县顺河乡工业园区已计划建设30万吨/年富余水电电解制氢及合成氨项目，建设周期为20个月。
目前比较成熟的电转甲烷技术路线为通过电解池进行电转氢后，再通过二氧化碳加氢合成甲烷。根据催化剂和反应工艺的不同，二氧化碳加氢合成甲烷主要有三条技术路线，分别对应铁、镍、钌等金属催化剂。2016年1月，由丹麦科技大学（DTU）与Lemvig沼气厂合作率先开展MeGA-StoRE项目（Methane Gas Storage for Renewable Energy），将多余的风电通过电解转化为氢气，在沼气厂中将氢气与二氧化碳进行反应生成甲烷气体和水，随后被输送到天然气输送网中。
目前比较成熟的电转甲醇技术路线为基于低温电解进行电转氢后，通过二氧化碳加氢合成甲醇。涉及的反应主要包括电解水制氢和二氧化碳加氢合成甲醇。目前应用中的甲醇合成催化剂主要有锌铬体系（ZnO/Cr2O3）和铜基体系（CuO/ZnO/Al2O3），但直接将上述催化剂应用于二氧化碳加氢中，反应生成的水会带来铜基催化剂失活的问题，故需要开发新型催化剂体系。2020年4月，宁夏宝丰能源宣布“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”正式投产，项目共分两期，一期建设内容包括100MWp光伏发电、10000Nm3/h电解水制氢。项目总投资14亿元，氢气产能1.6亿Nm3/a，副产氧气0.8亿Nm3/a，制氢产品用于工业合成甲醇，预计每年可减少煤炭消耗25.4万吨，减少二氧化碳排放44.5万吨。
目前比较成熟的电转汽油技术路线为低温电解进行电转氢后，通过一氧化碳加氢费托反应合成汽油。费托反应主要有两种反应条件：高温费托，反应温度为330~350℃，一般使用铁基催化剂；低温费托，反应温度为200~250℃，反应压力为20~30 bar，使用铁或钴基催化剂。
绿氢运输环节
除生产环节外，绿氢运输也是产业发展的重要瓶颈。特别是推动绿氢在工业领域的大规模应用，现有高压气氢运输、低温液氢运输技术还需大幅降低成本，有机液体储氢、固态合金储氢也需进一步做好技术论证。放眼长远，远距离输电结合分布式现场制氢、管道输氢和用氢产业布局转移同样是绿氢发展的重要战略选项。
总而言之，绿氢发展并非一蹴而就，但在国家碳中和目标指引和产业界试点示范的持续推动下，绿氢必将成为我国能源系统的重要组成部分。