综述：绿色氢能系统：生产、储存和智能城市整合综述

这篇综述深入探讨了绿色氢能（H2）作为实现碳中和关键载体的全价值链，系统分析了其通过水电解（如PEM、AWE、SOEC）的低碳生产路径、物理（压缩/液化）、材料（金属氢化物/LOHCs）及地质储存技术，及其在智能城市交通（FCEVs）、工业脱碳中的整合应用与挑战，为清洁能源转型提供了关键技术路线图。

　　

绿色氢能系统综述：从生产到城市整合的技术路径

氢能，特别是绿色氢能，已被广泛认为是实现全球能源系统深度脱碳和达成碳中和目标的关键能源载体。本文旨在对绿色氢能的全价值链进行系统性综述，涵盖其生产技术、储存方法以及在智能城市中的整合应用，并分析当前面临的挑战与未来发展方向。

氢能生产路径与碳强度分析

全球氢能需求目前约为97 Mt/年，其中超过90%通过化石燃料重整（如天然气蒸汽重整SMR）供应，即所谓的“灰氢”，其生产过程中会伴随大量二氧化碳（CO₂）排放。为降低碳足迹，低碳氢能路径主要分为两大类：基于化石燃料结合碳捕集与封存（CCS）的“蓝氢”，以及利用可再生能源（如太阳能、风能）电力通过水电解产生的“绿氢”。此外，还有利用核能电力的“粉红氢”和通过甲烷热解产生固体碳的“绿松石氢”。

不同制氢路径的碳强度（CI, Carbon Intensity）差异显著。灰氢的CI范围通常在9-12 kg CO₂e/kg H₂，若考虑上游甲烷（CH₄）泄漏，可能高达15 kg CO₂e/kg H₂。配备高效CCS（捕获率>90%）的蓝氢可将CI降至3-6 kg CO₂e/kg H₂。绿氢的CI则高度依赖于其电力来源的碳强度，使用风电时CI可低至0.4-0.8 kg CO₂e/kg H₂，使用光伏时为0.9-2.5 kg CO₂e/kg H₂。实现近零碳氢气的目标是推动电解技术发展的核心动力。

电解水制氢技术进展

水电解是生产绿氢的核心技术，主要包括四种类型：

1. 1.
   碱性水电解（AWE）：技术成熟，使用镍基催化剂，在50-80°C下运行，但电流密度较低（0.05-0.7 A/cm²）。
2. 2.
   质子交换膜电解（PEM）：效率高、响应快，可使用不稳定的可再生能源，但依赖贵金属（如铱Ir）催化剂，成本较高。
3. 3.
   固体氧化物电解（SOEC）：在高温（600-1000°C）下工作，理论效率最高，可利用工业废热，但启动慢且材料耐久性面临挑战。
4. 4.
   阴离子交换膜电解（AEM）：一种新兴技术，试图结合AWE的低成本（可能使用非贵金属催化剂）和PEM的优点，目前仍处于研发早期。

电解槽的成本正在迅速下降，特别是PEM电解槽的资本性支出（CAPEX）预计到2030年可能降至400美元/千瓦。效率的提升和关键材料（如铱）用量的减少是持续创新的重点。

氢能储存：连接生产与应用的桥梁

氢能的储存对于平衡可再生能源的间歇性和满足持续需求至关重要。储存技术可分为三大类：

1. 1.
   物理储存：包括高压气态储存（如35 MPa/70 MPa储氢瓶）和低温液态储存（将氢气冷却至-253°C）。液态氢具有更高的体积能量密度，但液化过程能耗巨大（约占总能量的30%），并存在蒸发损失问题。
2. 2.
   材料基储存：
   • •
     金属氢化物：氢气可被吸收到金属或合金中形成氢化物，使用时通过加热释放。这种方法安全性高，体积储氢密度大，但通常重量储氢密度较低，且吸放氢动力学较慢。
   • •
     液态有机氢载体（LOHCs）：通过不饱和有机物（如甲苯、二苄基甲苯DBT）的加氢反应储存氢，通过脱氢反应释放氢。LOHCs可在常温常压下以液体形式运输和储存，安全性好，可利用现有燃油基础设施，但脱氢过程需要能量且可能产生杂质。
3. 3.
   地质储存：利用地下盐穴、枯竭的油气田或含水层进行大规模季节性储存。这是最具成本效益的大规模储存方式，单个盐穴可储存数千吨氢气，相当于数百吉瓦时（GWh）的能量，但受限于合适的地质构造地理位置。

绿色氢能在智能城市中的整合

智能城市通过数字化和互联技术优化能源流动，为氢能整合提供了理想平台。氢能可在城市中发挥多重作用：

• •
  交通脱碳：燃料电池电动汽车（FCEVs），特别是公交车、卡车和出租车等商用车辆，具有加氢时间短（3-10分钟）、续航里程长的优势，可与纯电动汽车（BEVs）形成互补。城市布局加氢站（HRS）网络是推广的关键。
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  能源系统灵活性：电解槽可以消纳过剩的可再生电力（如午间光伏高峰），生产的氢气储存起来后，可在用电高峰时通过燃料电池或氢燃气轮机发电，起到电网调峰和长期储能的作用。
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  工业与建筑供热：氢气可作为工业高温热源（如钢铁制造）的替代燃料，也可掺入城市燃气管道或用于建筑物的热电联产（CHP）系统，替代天然气。

挑战与展望

尽管前景广阔，绿色氢能的大规模发展仍面临诸多挑战：

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  成本竞争力：目前绿氢的成本仍高于化石燃料制氢，需要持续的技术创新、规模效应和政策支持（如碳定价、补贴）来缩小差距。
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  基础设施建设：从大规模生产设施、长距离输送管道到广泛的加氢站网络，需要巨额投资和长期规划。
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  政策与标准：需要建立国际统一的氢气认证、安全和质量标准，以促进全球氢能贸易和市场发展。
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  社会接受度：公众对氢气安全性的认知和接受度需要通过透明的沟通和严格的安全标准来建立。

综上所述，绿色氢能是实现深度脱碳，特别是在难以电气化的领域，不可或缺的一环。通过持续的技术进步、协同的基础设施建设和强有力的政策引导，氢能有望在未来清洁能源体系中扮演核心角色，为应对气候变化和实现可持续发展目标做出重要贡献。