俄羅斯氫能源開發現狀及未來發展

楊明清 楊一鵬

（1.中國石化石油工程技術服務有限公司；2.四川大學匹茲堡學院）

氫是宇宙中分布最廣泛的物質，構成了宇宙質量的75%。氫燃燒熱值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氫燃燒的產物是水，是世界上最清潔的能源[1]。為實現“碳達峰”、“碳中和”目標，歐美、日韓、澳大利亞、俄羅斯等國家紛紛出臺鼓勵氫能源產業發展的政策，一些國家將其上升到了國家戰略高度。俄羅斯是能源生產、消費、出口大國，俄羅斯專家一直致力于尋找清潔能源，保持其世界能源領域中的霸主地位[2]。我國能源消費以化石能源為主，碳排放較高，石油、天然氣進口依存度較大，急需尋求低碳高效能源，綠氫能源有望成為實現“碳達峰”、“碳中和”戰略的重要組成部分[3]。2019年我國政府工作報告首次明確“推進加氫等設施建設”；2020年我國提出了“2030碳達峰”及“2060碳中和”的目標，將氫能源發展列入“十四五”規劃，并制定了《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》；2020年9月，北京市發布了《氫燃料電池汽車產業發展規劃（2020—2025年）》，提出2025年推廣1萬輛氫燃料電池汽車的目標；2025、2030年我國將分別建成300、1 500座加氫站，10年間年復合增速達31.1%，到2050年加氫站數量將達1萬座，行業產值達12億元。2021年，中石化宣布“十四五”期間將建立1 000座加氫站。氫能源發展展現出強勁勢頭。

1 俄羅斯氫能源開發歷程

20世紀30年代，莫斯科高等技術學校進行了汽車發動機加氫對汽油的影響研究，1941年，由于衛國戰爭，研究被迫停止，該研究并沒有取得明顯效果。1961年，前蘇聯宇航員加加林環繞地球飛行，他所駕駛的宇宙飛船加入了氫燃料，證明氫能源作為動力的可能性。20世紀70年代，由于石油危機，加之氫能源對環境污染較小，前蘇聯科學家認識到氫能源的重要性，重新開始進行相關科學研究。20世紀80年代至2000年，俄羅斯加大了科研投入，在“暴風雪”號航天飛機、“S184-U34”潛艇動力裝置、“圖155”飛機等嘗試使用氫能源，進行了一定的技術儲備，促進了氫能源研發，但沒有大規模應用氫技術[4]。2003年，俄羅斯成立了非營利性的全國氫能源協會，其宗旨為促進氫能源發展，在該協會的組織下，2006年，進行了氫能源汽車測試，這是俄羅斯首次進行氫能源汽車測試。2019年11月，在圣彼得堡進行了氫能源電車測試。2015年，俄羅斯簽署了《聯合國框架公約》，承諾在未來10年內碳排放量減半，正式與國際接軌。2020年5月，在莫斯科建造了俄羅斯首座加氫站。2020年6月，俄羅斯氫能源總產量約500×104t/a，主要來源于石油加工中的甲醇生產，同時，核電廠制氫開始研發。2020年6月，俄羅斯聯邦政府總理米舒斯京批準了“2035年俄羅斯聯邦能源戰略”，該戰略對氫能源進行了單獨論述，氫能源進入快速發展階段，為此，俄羅斯天然氣工業公司、俄羅斯原子能公司、諾瓦泰克公司、高校及科研機構等加強了氫能源研發工作。2020年12月30日，俄羅斯總統普京在與總理米舒斯京舉行的視頻會議上，提出三年內建立市內氫能源公共汽車，三年后陸續建立氫能源火車。

2 俄羅斯氫能源開發現狀

2.1 制定發展規劃

2020年10月12 日，根據《巴黎氣候協定》，俄羅斯聯邦政府通過了《2024年俄羅斯聯邦發展氫能源計劃書》，主要包括8部分內容：制定氫能源發展戰略規劃，該部分已于2021年3月完成；制定國家層面氫能源發展支持政策；建立氫能源產能；確定氫能源試點項目，建立相關實驗室；促進氫能源高端技術發展；完善氫能源國家標準及制度；培養氫能源領域人才；開展氫能源國際合作[5]。

2.2 確定試點公司

2.2.1 俄羅斯天然氣工業公司

俄羅斯天然氣工業公司（俄氣公司）是俄羅斯最大的天然氣生產企業，2013年，俄氣公司計劃每年生產36×104t氫氣。2020年初，俄氣公司提出了氫氣輸送戰略，充分利用“西伯利亞力量”“土耳其流”“藍流”“北溪-2”等輸氣管道進行氫氣輸送。2020年12月，俄氣公司宣布成立子公司“氫氣工業”，專門進行氫能源研發，基本思路為甲烷熱解方式生產氫氣。為了降低制氫成本，俄氣公司計劃在德國北部建立氫氣生產廠，一方面可以充分運用德國的氫能源生產技術，另一方面可以充分運用“北溪”和“北溪-2”輸送的天然氣。俄氣公司計劃將工廠建在“北溪”和“北溪-2”天然氣管道出口附近，利用管道輸送的天然氣，將生產的氫氣及天然氣在德國進行應用或反向輸送回俄羅斯。2021年初，位于薩馬拉和烏法的俄氣子公司“俄氣天然氣運輸公司”正在實施兩個創新項目，研究甲烷生產氫氣并進行輸送。研究表明，天然氣節約5%，CO2排放減少30%，NOx排放減少4.5倍，CO排放減少5倍。下一步，該公司將研發無碳氫氣生產技術。此外該公司正在與德國和奧地利公司聯合攻關，研究甲烷與氫氣混合物在儲氣庫中的安全貯存[6]。

2.2.2 俄羅斯諾瓦泰克公司

俄羅斯諾瓦泰克公司是俄羅斯重要的天然氣生產商，是俄氣公司的主要競爭對手，該公司主要從事天然氣和LNG生產、運輸和銷售。2020年9月8日召開“天然氣技術”會議，2020年10月，正式宣布進軍氫能源產業，加大氫能源研發力度，增加俄羅斯氫能源產量，充分利用俄羅斯氫氣管道優勢，大規模輸送氫氣，降低輸送成本，改變俄羅斯能源結構，持續保持俄羅斯氣體能源領先優勢。2020年12月，諾瓦泰克公司推出氫氣項目，計劃利用氫氣代替傳統天然氣，用來生產LNG及發電，為此，與“西門子能源”公司合作，重新設計亞馬爾LNG燃氣輪機，所采用的燃料中氫氣含量將達到60%[7]。

2.2.3 俄羅斯原子能公司

2019年9 月，俄羅斯原子能公司與俄羅斯鐵路公司、運輸控股公司簽署了一項協議，該協議計劃在薩哈林州建立氫能源研發基地，在氫燃料電池應用于鐵路運輸方面進行合作。2019年9月，俄羅斯原子能公司下屬的海外公司與日本工商經濟部自然資源和能源局簽署了一項合作協議，計劃在薩哈林島共同開發氫能源，并出口日本。2020年，俄羅斯原子能公司在俄羅斯國內積極尋找新的合作伙伴，計劃在國內建立兩個生產、運輸、儲存、應用、出口一體化的氫能源基地。在薩哈林建立俄羅斯東部氫能源基地，為俄羅斯遠東地區提供氫能源，并出口亞洲；在俄羅斯西部建立俄羅斯西部氫能源基地，為俄羅斯西部地區提供氫能源，并出口歐洲。2021年1月，俄羅斯原子能公司計劃在摩爾曼斯克州科拉核電廠建立核能發電制氫試點項目，計劃2～3年內，實現1.5 MW電能，在5～7年內實現4 MW電能，到2030年達到500 MW電能，1 MW電能可生產約200 m3/h氫氣，相當于每年158 t。該項目成功實施將有助于解決摩爾曼斯克州能源供應問題[8]。

2.2.4 俄羅斯科研機構

2020年11 月，俄羅斯從事氫能源研發的高校及科研機構聯合成立了研發團隊，被稱為“氫谷技術”團隊。該團隊包括氫能源研發、制取、儲運和應用整個鏈條，計劃與俄羅斯氫能源公司密切合作，共同推動氫能源開發。目前，該團隊已經取得初步成效，俄羅斯國立核能研究大學建立了氫氣制取及儲存；托木斯克理工大學在實驗室獲得高純度碳化鎢，取代昂貴的鉑催化劑，顯著降低氫氣成本；俄羅斯石油公司的聯合研發中心研發了甲烷芳香化技術，可以從天然氣和石油氣中同時獲取氫氣和芳香烴產品，根據這一技術，每生產10×108m3天然氣或石油氣，產生10×108m3氫氣和50×104t芳香烴，該技術能顯著減少CO2排放量、降低能源生產成本、提高綜合效益[9]。

2.3 建立加氫站

2020年5 月，俄羅斯科學院院長葉戈羅夫正式宣布，在莫斯科郊區切爾諾洛夫卡建立了俄羅斯第一座加氫站，并對外開放，標志著俄羅斯氫能源研發邁上新臺階。該加氫站每天最多可以給6輛車加氫，截至2021年1月1日，俄羅斯只有1輛氫能源汽車，為豐田米拉氫燃料汽車，該車重1 855 kg，加氫過程需要5～6 min，汽車加速到100 km/h需9.5 s，行駛100 km氫燃料費用約250盧布。該豐田米拉汽車加氫后預計行程480 km，前提是用70 MPa將氫燃料注滿，但該加氫站加氫壓力只能達到50 MPa，因此該汽車使用效率有所降低[10]。此外，該加氫站具有實驗室功能，承擔了氫能源方面的科研任務，如果俄羅斯的某些科研項目需要給氫燃料電池加氫，也由該加氫站完成。

3 俄羅斯氫能源展望及對我國的啟示

3.1 俄羅斯氫能源開發優勢

根據俄羅斯能源部分析，俄羅斯氫能源發展具有很大優勢。科研方面，俄羅斯有強大的科研機構，包括大學、科研院所、企業等，在氫能源生產、運輸、儲存、使用等方面有了一定技術儲備；生產方面，俄羅斯有豐富的油氣資源，為氫能源生產提供基本保障，俄羅斯還有豐富的電能、核能、風能，為生產綠氫能源提供保障；運輸方面，俄羅斯有豐富的天然氣管道，可以依托這些管道進行氫能源運輸，不需要大規模重復建設，為氫能源提供運輸保障。俄羅斯科學家預測，15～30年后，俄羅斯氫能源生產和全球市場供應將占領先地位。此外，俄羅斯專家對氫能源生產能力進行了評估，以電解制氫方式為例，僅僅啟用備用發電機能力，俄羅斯能源部預測每年可生產氫能源350×104t，俄羅斯戰略發展中心基金會預測每年可生產500×104～600×104t，俄羅斯能源網絡基礎設施中心預測每年可生產190×104～350×104t。

3.2 俄羅斯氫能源未來發展

根據歐盟2035戰略，俄羅斯將成為氫能源生產、消費、出口領先的國家，為實現這一目標，未來15年，俄羅斯擬采取一系列關鍵措施，主要包括6方面：

1）加強氫能源開發全過程立法支持，包括基礎設施建設，生產、運輸、存儲、使用等環節.

2）加強氫能源生產力度，建立氫能源生產基地，包括天然氣生產氫能、可再生能源生產氫能、核技術生產氫能等，提高氫能源產量。

3）加強氫能源生產技術研發，充分利用俄羅斯本土技術，國外先進技術國產化，降低氫能源生產成本，包括甲烷熱解、電解等方法。

4）提高氫能源在能源消費中的比重，重點攻關氫能源運輸、氫能源電池催化劑等技術，提高氫能源轉化效率。

5）加強氫能源開發過程中安全管理，使氫能源成為安全、高效、清潔的能源。

6）加強氫能源研發國際合作，加大氫能源對外出口量，包括歐洲、亞洲等。采取這些措施后，俄羅斯氫能源比例將逐步增加，石油、天然氣、煤炭等化石能源比例將逐步減少，到2024年，計劃出口氫能源20×104t，2035年增至200×104t，俄羅斯氫能源生產和出口躋身世界領先行列，占世界氫能源市場10%～15%。

3.3 對我國的啟示

我國與俄羅斯護互為鄰國，中俄是很好的戰略聯盟關系，隨著我國“一帶一路”戰略的實施，中俄兩國已經在多個領域開展合作。俄羅斯在氫能源發展方面和我國具有很強相似性，對我國氫能源發展具有很好的啟示。

1）加強頂層設計。近幾年我國氫能源發展迅速，存在低水平重復建設的苗頭，建議加強頂層設計，統籌考慮氫能、風能、電能、核能等資源，做好短期及長期發展規劃，防范無序競爭和產能過剩風險，構建我國氫能源產業科學發展格局。

2）加強核心技術攻關。我國氫能源產業發展初具規模，但在關鍵材料、核心技術、基礎設施建設、商業化推廣模式等方面存在瓶頸，建議統籌考慮我國研發資源，集中優勢研發力量，解決關鍵技術問題。

3）加強標準體系制定。現有原料氫的標準主要作為化工產品進行管理和約束，將氫作為能源，缺乏相應的標準，建議盡快建立氫能源標準體系，促進氫能源產業規范發展。

4）加強產業政策扶持。氫能源產業投入大、產出慢、技術含量高、政策依賴性強，建議加強宏觀政策扶持，降低氫能源成本，促進氫能源產業快速發展。

5）加強國際合作。盡管我國氫能源產業取得一系列進步，但與日本、韓國、澳大利亞等國家相比還有差距，建議與這些國家開展合作，縮小差距；俄羅斯氫能源發展對我國具有借鑒意義，建議加強與俄羅斯的合作，互通有無，促進我國氫能源產業快速發展。

4 結論與認識

1）俄羅斯氫能源起步較早，開展了一系列基礎研究，并在航空航天、潛艇等方面進行了應用，取得了一些認識，為世界氫能源發展做出了貢獻；近幾年，俄羅斯制定了氫能源發展規劃、確定了氫能源試點企業，氫能源快速發展；未來，俄羅斯有望成為世界氫能源生產出口大國。

2）我國和俄羅斯都是能源生產和消費大國，在基礎設施建設、油氣生產及運輸、二次能源開發等方面有很大相似性，兩國都致力于氫能源發展，具有共同的目標，在氫能源發展方面可以互相借鑒，促進我國氫能源行業發展。

3）盡快建立中俄兩國氫能源技術交流平臺，如定期組織中俄氫能源技術交流會，中俄兩國高校、研究院所互派留學生及訪問學者等，加強技術交流與合作。