美国能源部日前发布《氢能项目计划2020》（下称“《计划》”），为美国的氢能研究、开发和示范应用提供了战略支撑。
《计划》指出，美国政府致力于氢能全产业链的技术研发，并将加大示范和部署力度，以期实现产业规模化。根据美国国家实验室预测，到2050年，美国本土氢能需求将增至4100万吨/年，占未来能源消费总量的14%。
与其他能源不同的是，氢能需要化石能源、核能与可再生能源系统的整合。因此，美国能源部将协同下属所有能源部门，合作推动氢能产业发展。《计划》介绍了美国能源部氢能技术的研究现状，以及美国氢气生产、运输、储存和应用的现状及未来规划。
美国氢能商业化应用初具规模
经过40年的发展，美国的氢能产业及相关技术已逐渐从专业化应用过渡到商业化应用。目前，美国已经在数以千计的乘用车、商用车、铲车、分布式及备用动力装置中应用了燃料电池，并已建成145个加氢站（包括试验项目）。
在发电方面，以氢气/天然气混合物为燃料的大型涡轮机也已经进入到商业化运营阶段。在过去的20年里，美国能源部在氢能和相关领域投资了超过40亿美元，主要包括氢气生产、运输、储存、以及燃料电池和氢能涡轮机发电等技术的研发。这些研究成果与工业项目相结合，取得了许多成功，例如：应用配备碳捕获和储氢装置的制氢技术，以低于2美元/公斤的成本生产无碳氢；燃料电池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。截止目前，美国能源部已颁发了1100多项美国专利，并在市场上推出了30多项商业技术。
当前美国氢能产业的技术瓶颈主要集中在各环节的成本、耐久性、安全性以及缺乏基础设施等方面。为了实现广泛的商业化，氢能应用必须拓展更大的市场，并且能够在成本、寿命、性能、耐久性和环境影响等方面得到提高，同时也需要解决非技术性的障碍，例如制定规范和标准，完善安全测试，最终建立一个健全的氢能供应和应用体系。
多年来，美国能源部为满足每个技术领域的关键需求，已经开发了一些技术选项（如表1）。
表1 美国氢能近中远期关键技术选项
产业目标：降成本、提性能、扩应用
美国能源部将联合工业部、科技部、国家实验室、联邦和国际机构以及其他相关机构共同推进氢能项目计划。
美国能源部的最终目标是以多种资源和多种途径制氢，并在各种规模下（从小型分布式到大规模制氢），都能以最低的成本生产、储运和使用氢能。
表2 美国氢能消费现状和未来消费预测（百万吨/年）
美国国家实验室还对氢能消费情景进行了评估和预测，结果显示，到2050年美国的氢能需求或将增长至4100万吨/年，是当前消费量的4倍。而随着新应用的出现，氢能的消费潜力还将继续增长，初步预计2050年氢能将占美国总能源消费需求的14%。
图1 美国工业、运输、储能行业中氢能消费潜力
探索氢能大规模综合利用系统
《计划》中列举了当前美国能源部氢能项目的关键技术、需求和挑战，涉及氢气生产、输送、储存、能量转化、终端应用以及标准和教育相关的氢能全产业链。
《计划》中还重点提及了氢能在混合能源系统中的应用。广义而言，混合能源系统（HES）将发电、储能和能源转换技术结合起来，通过总体控制系统将这些技术集成在一起。与独立能源系统相比，混合能源系统拥有更强的性能和更低成本（如图2）。HES中集成的氢能技术在电网和非电网电力应用中都具有独特的优势：中长期/季节性储能；利用电解槽快速动态响应的电网调峰功能；生产氢气、其他氢基燃料、化学品及其他多种产品的能力。
图2 混合氢能系统示例
随着电网的发展，各种可再生能源的渗透性越来越高，电网集成氢能相关技术可以提供储能和其他电网功能：通过电解产生的氢气可以作为一种双向储能载体，通过燃料电池或燃烧涡轮机等低排放发电技术，按需将其转换回电能；也可用于单向化学能源应用，例如注入天然气管道基础设施，或作为原料生产氨或甲醇等增值商品；氢能技术还有稳定电网电压和频率的辅助功能。
目前，美国能源部正在与电力公司合作进行技术经济分析，以确定将氢能与可再生能源整合在电网、微电网和离网应用的最佳配置。
氢能发展将推动美国能源变革
美国能源部下属的可再生能源、化石能源、核能、电力和科技部门参与了此项目。该项目还与其他相关的部门进行协调合作，包括高级能源项目部门（ARPA-E）；网络安全、能源安全和应急响应部门；以及能源部以外的国家相关部门，如储能技术，先进制造业、电网现代化、综合能源系统和人工智能。每一个部门都管理与其任务有关的氢能项目，所有部门经过协调合作，以实现战略管理和项目执行的凝聚力。
为了使氢能产业从专项应用过渡到大众市场，开发大规模制氢、配套设施、氢能应用的技术和工艺至关重要。强大的自主供应链也将确保美国在全球氢能产业中处于领先地位。受快速增长的市场需求影响，研发工作需要克服技术挑战并加快进展。通过研发，将提高氢能产业的工艺和技术，并逐渐扩大应用规模，实现制造业的规模经济。同时，通过系统集成还可以带来更多的技术改进，从而进一步降低产业链成本。
总的来说，美国能源部主导的氢能和相关技术研发，在其各部门的一致努力下，以及广泛的利益相关者的投入和协作下，该计划的实施将有助于实现美国氢能产业的发展愿景：清洁环保、成本低廉、安全可靠的氢能广泛应用于各类场景，并成为美国能源体系中的重要组成部分，推动美国的能源体系变革。（氢促会）
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