近年来，作为一种清洁能源，绿氢在能源转型、减排脱碳方面扮演的重要角色愈加清晰，如何加快推动氢能产业健康有序发展，破解氢能产业链中各环节尚存的难题也成为了业界关注的焦点。在2023年全国两会上，全国人大代表、中国船舶集团有限公司第七一八研究所党委委员、副所长郭建增提交了两份提案，对加快海洋氢能开发、大力发展绿氢装备提出了建议。近日，郭建增接受本刊记者专访，向我们进一步分享了他对绿氢制取和储运技术的深入见解，以及对氢能在船应用前景和面临挑战的专业解读，并介绍了七一八所在氢能产业研发领域的突出成就和愿景。
△中国船舶集团第七一八研究所副所长郭建增
问：目前，可以通过哪些技术路径来制取绿氢，它们分别具有哪些特点，存在什么样的制约因素？
答：氢能已逐渐成为我国新能源产业发展的重点方向，水电解制氢技术是制取氢气的重要方法，尤其利用可再生能源电解制氢是目前规模化制取“绿氢”的唯一方法。目前，水电解制氢技术主要有碱性水电解槽(ALK)、质子交换膜水电解槽（PEM）和固体氧化物水电解槽（SOE）等技术。其中，碱性水电解技术因其成本和寿命优势，是目前主流的适用于规模化绿氢制取的技术，但其还存在电流密度低、电解能耗高等缺点，目前国内外正在广泛开展高效大功率碱性水电解制氢关键技术研究及设备研制工作。PEM水电解制氢技术作为一项新兴的储能技术，具备工作电流密度高、电解效率高、反应无污染、装备质量轻、结构紧凑等优点，在实际生产中应用越来越广泛。随着PEM技术的不断突破，以及与可再生能源发电技术的深度耦合，可使其成为电网调峰的理想能量存储转换装置，发展前景广阔。但目前，其在可再生能源制氢等领域的应用仍受限，除成本和寿命因素外，单体设备产氢量低也是其中的重要原因。固体氧化物水电解水技术处于实验室阶段，尚未开始商业化应用。
问：您认为海上制备绿氢可采用怎样的方案，应该具备怎样的条件？
答：海洋氢能围绕海上绿氢制取及供给这一基本线，以近、中、远海清洁能源开发为基础，采用海上/陆上电解制氢技术并结合高密度、低成本储运氢的方式，将氢气供给氢用户使用，实现海洋氢能产业链的有序运行。
对于近海海域，在海岸建设水电解制氢工厂，海上风电等能源通过海底电缆方式输送到制氢工厂制取氢气，再采用高压气氢、液氢、固态储氢或其他储运氢方式储存和运输，供给氢用户使用。这种方式以短距离海底电缆替代海上制氢平台，能有效降低项目总投资费用。
对于中远海海域，综合考虑海底电缆、海上升压站、海上制氢平台、氢气升压/液氢平台及输氢管道等各要素的成本，可形成海上风电—海底电缆—陆上制氢、海上风电—海上制氢—管道输氢—陆上储运、海上风电—海上制氢—海上储运等开发模式。其中，海上制氢是将制氢设备安装在海上制氢平台，利用海上风电就近制取氢气；管道输氢是将制取的氢气通过海底氢气管道输送至陆上，在陆上加压或液化完成氢气储运；海上储运是指建设海上氢气加压或液化平台，制取的氢气通过船舶运输至陆地港口，再供给氢用户使用。
对于深远海海域，由于长距离的海底电缆、海底输氢管道建设成本的巨幅增长，深远海域海上制氢一般采用海上制氢平台进行集中式制氢或在浮式风电平台进行分布式制氢，制取的氢气可采取固态储氢、有机液体储氢等储氢方式运输至陆上使用。另外还可以在海上建设合成氨、合成甲醇平台，将氢气转化为液体的氨或甲醇，方便储存和运输。氨和甲醇可以供给陆上化工部门使用，还可以作为燃料供给海洋船舶。
问：当下，航运业正在积极研发设计液氢运输船和压缩氢气运输船。不同的船上储氢方式各有什么优势？
答：随着氢能产业规模的不断提升，氢储存、配送、运输在整个氢供应链中的重要性日益凸显。
气态压缩氢是一种简单且节能的供应链，压缩工艺简单并且能源效率高，可将氢气保持为纯气态，且商业化技术壁垒最小，在常温下即可进行氢的装卸，因此不需要液化与再气化系统和极低温用设备。船舶大多情况下停靠在港口，无需在装载前储存。
低温液化储氢技术的储氢密度较高，因此更适合在更长距离上输送更大量氢气的场景。但是目前的用氢量较低，囿于成本和能耗问题，低温液化储氢技术无法规模化利用。在氢能产业规模扩大、配套设备和技术提升之后，低温液化储氢技术未来可期。
问：近年来，越来越多船舶选择使用氢能来提供绿色动力，您如何看待氢能在船舶上的应用前景？
答：国际海事组织（IMO）数据显示，2020年全球航运业二氧化碳排放量达7.96亿吨，约占全球碳排放总量的2.2%，另据估算，如果航运业对碳排放不加以控制，2050年的碳排放占比将增至17%，航运业的污染治理和向更可持续能源转型的压力越来越大。为了控制海运温室气体排放，IMO于2018年通过了国际海运温室气体减排初步战略，提出了短中长期减排措施，这其中尤其强调“采用替代能源”的重要性，将“有效采用替代燃料的实施方案”和“寻求开发和供应零碳或无化石燃料”分别视为中期减排措施（2023-2030）和长期减排措施（2030后）的重要组成部分。
目前，我国正积极开展氢燃料电池船舶的研发，随着技术发展，有望在2030年开始市场化推广，到2050年将有约6%的船运能源消耗通过氢燃料电池技术实现，其氢气消费量将达120万吨，到2060年船运领域氢气消费量可达280万吨。另外，氨、甲醇燃料船舶也是未来低碳船舶的重要发展方向，采用绿氢合成绿氨和甲醇作为船舶的动力来源，也能实现航运业化石能源的替代。另外，岛礁建设、沿海工业以及海洋旅游业、海洋信息产业等也拥有巨大的绿氢潜在需求，氢能在船舶和与海洋工程装备领域应用前景广阔。
问：船用氢燃料电池和氢内燃机等氢能应用技术的发展现状如何？要想实现大规模船上应用，还需解决哪些问题？
答：氢及氢基燃料是航运行业碳减排及脱碳的良好解决方案，其应用范围将随着燃料应用技术的成熟、配套设施的完善而逐步扩大。氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，以客船、渡船、内河货船、拖轮等类型为主；海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶研制是当前的国际趋势，潜艇采用氢燃料电池动力系统同样具有良好前景。氢作为能源主要以两种型式的动力装置应用于船舶：一是应用于传统内燃机，包括纯氢内燃机或与氨/甲醇等燃料一起使用的混烧型内燃机；二是应用于新型动力装置—燃料电池。
使用氢内燃机作为船舶动力，具有对船体结构改变小、耐久性高、对氢气纯度要求低、生产成本低、易产业化等优点，但其受到卡诺循环的限制，热效率相对燃料电池较低，且氢内燃机会产生氮氧化物等排放。国内外在氢燃料大功率发动机领域开展的研究较少，现有的技术储备难以支撑产品开发，国内相关技术成熟度较低。相较之下，氢燃料电池具有能量转换效率高、振动噪音低、技术成熟度高等优势，其效率可达50%～80%，排放产物只有水，因此目前在船用领域发展较为迅速。
目前，国内氢燃料船舶主要应用案例是沿海和内河领域的游船，包括观光船、公务船等。我国在该领域已掌握了船用燃料电池系统设计、开发等多项技术，商业化应用潜力初显，但是寿命和成本离商用化尚有一定距离。对于船用燃料电池系统，其寿命瓶颈在燃料电池电堆、氢气循环泵等关键零部件，要求5万小时以上；而国内氢空燃料电池电堆的寿命约1万小时，在关键材料稳定性、结构设计以及操作策略等方面仍需加强研究开发。
要想实现大规模船上应用，需要解决的问题一是完善技术规范和标准体系。在陆上领域，氢能及燃料电池技术标准基本成熟，我国发布的相关技术标准多达91项。然而氢动力船舶标准及规范尚不成熟，相关燃料电池系统以及储氢、加氢系统主要沿用陆上标准。由于存在船舶功率需求较大，对燃料电池单体的一致性、电池管理系统、散热等要求高于车用系统等问题，因此需完善技术规范和标准体系。二是降低成本，提升寿命。为实现PEM燃料电池发电系统在船舶领域的推广应用，需要进一步提高电池功率等级和寿命，同时不断降低成本。
问：船上储运和应用氢能过程中有哪些安全方面的挑战需要关注？请您提供一些建议。
答：储氢设施内胆腐蚀和氢脆、疲劳、氢气渗透等问题将造成设施的局部塑性下降，裂纹拓展速度增快，甚至会严重影响储氢设施的服役寿命并引发泄漏事故。氢在受限空间内泄漏后，易发生氢气的积聚，形成可燃氢气云，氢燃烧范围宽，点火能量低，若泄漏后被立即点燃会形成射流火焰(氢喷射火)，造成安全事故。
建议系统开展用氢过程中的氢泄漏、扩散、燃烧、爆炸等相关试验研究，为氢风险评价所需模型的建立与验证提供充足的基础数据，加强氢能基础设施运行安全技术研究，形成氢系统综合风险评价方法，针对氢的制备、输运、应用，形成氢能基础设施服务网络重大危险源辨识方法，构建风险量化计算与评价指标体系，同时建立有效的事故缓解方法和应急安全响应机制。
问：作为我国水电解制氢行业的领军企业，七一八所围绕氢能制备、储运、应用产业链开展了怎样的研究与探索，取得了哪些突出成果？请您介绍一下。
答：近年来，在国家和中国船舶集团的产业政策支持下，七一八所氢能产业的发展稳步增长。七一八所多年来致力于氢能产品开发和生产，在纯水电解制氢方向，研制的“MW级PEM 电解水制氢设备”成功入选2021年度能源领域首台（套）重大技术装备项目；在碱性水电解制氢方向，突破了大功率水电解制氢核心材料、装备集成及适用于宽功率波动性控制策略等“卡脖子”技术难题，完成了全球首台套单台产气量2000Nm3/h水电解制氢装备的研制。研制的大容量水电解制氢装备结合可再生能源发电可实现大规模制取绿色氢气，已在多地开展了可再生能源电解制氢示范工程，并先后参与了宝丰能源集团股份有限公司“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”和壳牌（中国）有限公司在中国的第一个商业化风电制氢助力2022冬奥会以及京津翼地区交通出行领域脱碳项目的落地。在车（船）载氢系统方面，坚持以核心关键技术开发为基础，优化设计、持续改进提升，多手段多途径降低氢系统和零部件成本，综合能力占据业内优势地位。现已形成5000～10000套/年车（船）载氢系统批量化生产能力，成为国内技术先进、规模较大、市场占有率较高的车载氢系统集成制造供应商。
问：未来，在推动清洁能源开发利用，助力行业脱碳减排方面，七一八所还将采取哪些行动？
答：构建以可再生能源制氢为主的综合能源供给体系，是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的战略选择，也是推动以能源变革带动区域高质量发展的重要实践。七一八所将坚持以市场应用为牵引，通过加大对制氢设备的升级改造，加强对可再生能源水电解制氢技术的提升和成本控制，进而降低大规模设备投资初始成本和运行成本。计划从技术上实现可再生能源电力与终端应用的互通互连，有序推进氢能在工业、交通领域的示范应用，拓展在储能、分布式发电、治金等领域的应用，探索氢能跨能源网络协同优化潜力，促进电能、热能、燃料等异质能源之间的互联互通。推动可再生能源制氢产业规模化发展，加快探索形成有效的氢能产业发展的商业化路径。