世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)調(diào)研

王 寒

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世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)調(diào)研

王 寒

（中國石油大學（北京）， 北京102249）

化石燃料是目前能源消費的主體，隨著能源需求的不斷增大，能源危機、全球變暖及環(huán)境污染等問題日趨嚴重，氫能因其取之不盡、高效、零污染的特性逐漸受到重視。氫能作為一種可持續(xù)發(fā)展的新型能源，其發(fā)展前景不可估量，但氫能的實際推廣應用現(xiàn)狀并不理想，氫能的廉價制取及其安全儲存運輸則是制約其發(fā)展的主要原因。主要對世界范圍內(nèi)氫能發(fā)展利用現(xiàn)狀趨勢及對石油工業(yè)的影響進行調(diào)研,針對當前形勢提出在能源發(fā)展過渡階段我們在積極發(fā)展傳統(tǒng)化石燃料的同時,也應抓住機會從長遠角度考慮問題積極發(fā)展氫能等新型能源。

氫能；新能源；發(fā)展現(xiàn)狀

1 世界氫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及前景

1.1 世界氫能開發(fā)利用現(xiàn)狀

美國GM公司于1970年就提出了氫經(jīng)濟的概念。1995年以來，逐年嚴重的環(huán)境惡化、對污染物排放量的要求、降低對進口石油的依賴性、對可再生電能儲存及供應的需求等都直接或間接的促進了氫經(jīng)濟的發(fā)展[1]。氫能是一種新型能源，與傳統(tǒng)化石燃料相比，具有零污染、利用率高、危險系數(shù)小、儲量充足的優(yōu)點，是人們寄予厚望的替代能源。雖然目前已經(jīng)有很多氫能應用在取暖、發(fā)電等方面的實例，但氫能在日常生活的交通工具上的應用已經(jīng)成為熱點。早在1960年左右中國就開始了對氫能的研發(fā)工作，為了發(fā)展我國的航空航天許多國內(nèi)學者在獲取可用于火箭燃料的液氫以及氫氧燃料電池的研發(fā)方面做了很多努力也取得一定的成果。21世紀以來我國政府多次將氫能列入能源發(fā)展規(guī)劃，以達到加速我國氫能發(fā)展進程，促進氫能商業(yè)化的目標。

在交通運輸、軍事、能源以及航空中氫能都有其用武之地。氫能源的利用有熱化學方法，即燃燒，也有被稱為電化學的方法。隨著燃料電池技術(shù)的飛速發(fā)展，依托其發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)尤其是燃料電池領(lǐng)域?qū)⒊蔀闅淠芮鍧嵗玫淖钣欣C明，而與之相關(guān)的一系列氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)則是該產(chǎn)業(yè)是否能持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它還可以作為一種能源載體進行開發(fā)利用。例如近年來發(fā)展形勢大好的風能和太陽能等可持續(xù)發(fā)展型能源，由于不穩(wěn)定性而出現(xiàn)電力上網(wǎng)難的問題，使能源利用率極低，成了他們進一步發(fā)展的瓶頸。用剩余電量通過電解法制氫，可以有效改善棄風棄光現(xiàn)象，制得的氫既可以直接應用到所需領(lǐng)域，也可以與天然氣摻混后經(jīng)由其管網(wǎng)混合運輸后再進行應用[2]。

氫能作為清潔能源的應用最主要體現(xiàn)在其燃料電池領(lǐng)域的應用，人們也寄希望于它能解決日后能源危機問題。我國汽車企業(yè)的氫燃料電池技術(shù)與國外技術(shù)先進的車企相比相對落后，其中延長電池壽命及降低生產(chǎn)成本是國內(nèi)車企急需提高的部分。毛宗強在接受采訪時曾說，我國在推動氫燃料電池汽車的發(fā)展上仍有很多不足，加氫站沒有相對完善的相應標準；我國缺少對車用加氫站詳細的建設(shè)籌劃，在氫燃料電池車上也需要一個更加明確的發(fā)展路線；國家沒有相對成熟的專門機構(gòu)促進氫能源發(fā)展，“中國氫能與燃料電池協(xié)會”有望通過參與政府氫能規(guī)劃進而推動行標制定并最終完成氫能產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)和訊網(wǎng)報道[3]，我國氫能產(chǎn)業(yè)正面臨困境，國內(nèi)氫能源市場并未真正啟動，缺乏資金投入。在這種形勢下，許多民營企業(yè)改變發(fā)展戰(zhàn)略，期望借助大型企業(yè)的實力擺脫困境，這當中也有一些企業(yè)因缺少資金支持而破產(chǎn)。氫能產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)未能實現(xiàn)，企業(yè)難以獲得收益，同時可用資金也制約了技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，這些都造成了我國氫能企業(yè)目前的艱難困境，也正因為這樣國內(nèi)至今都沒有較成型的氫能源企業(yè)。國內(nèi)氫能源產(chǎn)品不能讓投資者看到回報是其難以得到資本市場認同的主要原因。因此氫能企業(yè)的發(fā)展重心應該放在產(chǎn)品的商業(yè)化推廣上。施濤認為，氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的貫通對其實現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要。面對發(fā)展困境，國內(nèi)許多的氫能公司調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，將氫能源的技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)移到相對容易完成商業(yè)化生產(chǎn)目標更有利于企業(yè)發(fā)展的備用電源上[3]。

燃料電池發(fā)展方面，中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016年中國氫能現(xiàn)狀調(diào)研及市場前景走勢分析報告認為[4]，燃料電池發(fā)動機的核心技術(shù)問題雖然已基本解決，但是燃料電池技術(shù)仍有繼續(xù)深入研究的必要以保證技術(shù)的最大成熟化。目前政府應加大研發(fā)投入力度，給掌握關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)提供資金和融資能力方面的幫助，進而使中國在燃料電池發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)方面占據(jù)領(lǐng)先地位。此外，對燃料電池主要原材料、零部件國產(chǎn)化、規(guī)模化生產(chǎn)等方面國家還需要大力投入從而促進其產(chǎn)業(yè)鏈的延伸發(fā)展。

除中國外的其他國家也在都不同程度地開發(fā)氫能源。美國對加氫站的投運始于2002年，2009年時加氫站數(shù)目共有63座，隨后成逐年下降趨勢，截至美國能源部2015年7月19日發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，目前處于運行中的加氫站數(shù)目僅為41座，處于規(guī)劃之中的有50座，而處于臨時停用狀態(tài)有2座。美國能源部在2008到2011三年間[5]，拿出約9億美元的資金用于氫能和燃料電池發(fā)展計劃。目前，美國氫能輸送管道約有1 500英里，但與縱橫交錯的石油和天然氣管道相比，氫能輸送管道的里程卻只有其千分之一。美國國家可再生能源實驗室2013年計算了十種不同制氫方式生產(chǎn)成本，結(jié)果顯示“分布式天然氣重整”是目前現(xiàn)有的技術(shù)條件下最便宜制氫方式，而“分布式乙醇重整”則是最昂貴的方式。由于一直以來氫能的大規(guī)模商業(yè)化應用未曾實現(xiàn)，其產(chǎn)量在過去30多年的時間里面并沒有明顯的增長。1982年的產(chǎn)量約為19億ft3/d，到1995年超過30億ft3/d后，此后產(chǎn)能在這一水平維持了約20年，僅有較小幅度的波動。

加拿大在2010年也同樣大力推動過氫能，還專門為溫哥華冬奧會啟用了一批氫能公交車，但由于運營成本過高，這些公交車最終淡出了人們的視線。加利福尼亞州2004年曾宣布計劃建設(shè)加氫站150~200座，但目前僅建成不到30座。自從2010年以來，隨著相比之下性能更好的電池、電動汽車和其他可再生能源在全球范圍內(nèi)的推廣，倡導氫能的力量也日漸微弱。

早在二十世紀九十年代末，冰島[6]就曾聲稱計劃在2030年之前將本國經(jīng)濟全面過渡到氫能經(jīng)濟。冰島化石燃料儲量不足，為滿足本國人民對能源及電力方面的需求便大力發(fā)展本國蘊藏豐厚的水力電力及地熱資源。冰島重要的汽車業(yè)與船舶業(yè)都離不開以石油為代表的化石燃料，正是進口石油的高成本促成冰島氫能經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的形成。冰島電解氫產(chǎn)量每年約為兩千噸，計劃通過可再生氫替代石油天然氣等化石燃料來為各行業(yè)提供能源[7]。

日本一直以來都以構(gòu)建氫能社會為發(fā)展目標，其加氫站密度世界排名第一[8]。日本采用政府主導和立法先行等方式積極推動氫能源產(chǎn)業(yè)在本國的發(fā)展，通過立法的方式來體現(xiàn)對新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視,而政策上也給相關(guān)技術(shù)研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)提供可觀的補貼。2015年初，氫能源相關(guān)項目的預算是401億日元，與2014年相比上漲了236億。加氫站網(wǎng)絡建設(shè)方面日本也毫不遜色,目標兩年內(nèi)建成100座加氫站,目前在建的有41座,已經(jīng)完工的有4座。在政府戰(zhàn)略指導下，日本眾企業(yè)也看好氫能源的發(fā)展前景并陸續(xù)投入發(fā)展。豐田、日產(chǎn)等車企在燃料汽車上投入頗多, 迄今為止，豐田已經(jīng)投入400億日元用于推廣氫氣作為替代燃料；日本國土交通省2014年開始牽頭開展生物氣制氫的試驗，計劃利用福岡市中部水處理中心產(chǎn)生的污泥來制氫。

1.2 世界氫能開發(fā)利用前景展望

日本政府計劃通過即將到來的東京奧運會向世界展示其氫能發(fā)展利用情況，到時奧運場館將使用以氫氣為能源的公交車。目前日本政府已經(jīng)聯(lián)合豐田巖谷等企業(yè)開始加氫站網(wǎng)絡的建設(shè)，已經(jīng)建成加氫站十余個，其目標是在整個日本建成并投入運營加氫站35座。根據(jù)東芝公司預測，到2030年全球燃料電池發(fā)電設(shè)施、燃料電池車以及其他與氫能利用有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施等的市場規(guī)模預計達40萬億日元，到2050年則有望擴大到160萬億日元。正是由于日本政府和企業(yè)認識到了氫能源巨大的市場潛力，才會大力發(fā)展氫能源，希望通過可再生能源制氫進而掌握國際氫能源領(lǐng)域的制高點并搶占商機。除了氫能汽車及加氫站外，東京政府正規(guī)劃氫能快速公交系統(tǒng)，氫能輪船及水上巴士應用于運輸旅游部門，并在奧運村和體育館安裝燃料電池。日本川崎重工計劃構(gòu)建液態(tài)氫能供應鏈，氫能供應網(wǎng)絡的開發(fā)則是其開發(fā)的重心。川崎重工最新制氫計劃瞄準了蘊含大量褐煤的澳大利亞Latrobe Valley煤礦，希望通過褐煤產(chǎn)氫，提高褐煤利用價值同時降低制氫成本。預計規(guī)?；a(chǎn)氫后，這些褐煤產(chǎn)生的氫氣可以供30萬氫能汽車利用，而氫氣的生產(chǎn)成本同時也會減半，制氫站點最早將于2017年建成，每天可產(chǎn)20噸氫氣。據(jù)世界能源網(wǎng)工程估計[1]，日本通過可再生能源生產(chǎn)氫能產(chǎn)品約為210 g·Nm3/a。

根據(jù)國際能源署IEA預計，14年之內(nèi)插電式汽車、純電動汽車仍會是全球新能源汽車市場的主力。預計到2030年氫燃料電池汽車約占全球汽車銷售總量的2%~3%[9]，到2050年之前的未來二十年間，三種新能源汽車的發(fā)展優(yōu)先性及市場格局會基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中氫燃料電池汽車的比重會略有增加，同時加氫站的投建規(guī)模也必將隨之變化。中國目前并沒有針對氫能的發(fā)展政策，只是對新能源汽車做了一些規(guī)劃，加強基礎(chǔ)加氫站設(shè)施的建設(shè)將成為我國未來發(fā)展的趨勢。

2 國內(nèi)外氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢

氫能作為眾所周知的新型能源，但實際應用中卻存在一些困難：一是目前制氫還是要依賴于存量有限且會造成環(huán)境污染的化石能源，而且整個制氫過程耗能很大，目前制氫效率并不高。如何開發(fā)廉價的制氫方法顯得尤為重要，也是氫能大規(guī)模推廣應用的瓶頸所在。二是現(xiàn)存儲存及運輸氫氣的方法不夠安全可靠。因為氫具有容易氣化、著火、爆炸的性質(zhì)，如何將制得的氫與需求用戶有效對接而不產(chǎn)生危險，成了限制氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。

氫氣作為一種常用的工業(yè)氣體，依據(jù)生產(chǎn)原料、能量來源、設(shè)備、生產(chǎn)成本情況，以及對氫氣純度和用量等方面的要求，可有以下幾種制備方式：電解制氫，水煤氣轉(zhuǎn)化法，烴類裂解法，烴類蒸氣轉(zhuǎn)化法。氫氣在工業(yè)生產(chǎn)中常以副產(chǎn)物的形式存在，加以提純處理后也可作為一種制氫途徑，例如釀造工業(yè)中用玉米發(fā)酵丙酮、丁醇時，發(fā)酵罐的廢氣經(jīng)多次提純后可生產(chǎn)氫。當前形勢下，很多國家都正積極探索能用最少的資金投入制取大量氫氣的方法。學者們使用太陽能并結(jié)合相應催化劑的手段分解H2O進而制得H2。日本一直以來都致力于構(gòu)建氫能社會，其采取的制氫方法多種多樣，從利用天然氣、污泥、褐煤到電解水等手段。有專家指出[10]，我們應善于有效利用工業(yè)中以副產(chǎn)品形式出現(xiàn)的氫，比如利用焦爐煤氣制氫，我國盛產(chǎn)焦爐煤氣，內(nèi)地大部分省都有煉焦工廠；再有就是利用相對不那么集中的二次能源來獲取氫氣。

有學者[11]認為氫氣作為一種高效環(huán)保的能源至今沒有大規(guī)模推廣，氫氣大容量儲運的問題就是關(guān)鍵。周鵬等人[12]指出，氫的存儲對于氫能實現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要，常見的有物理儲氫和化學儲氫，而后者較為安全將成為未來儲氫材料發(fā)展的重點，其主要包括金屬氫化物，配位氫化物和有機液體氫化物儲氫方法，而這三種方法也各有利弊。作者還指出，氫材料的研究近年來成果顯著，但仍存在一些問題，如儲氫容量、工作溫度、可逆循環(huán)性能等方面還有待于提高。除此外，還有文獻指出[13]可以通過生物酶催化CO2加氫的方法制得的甲酸鹽來完成氫能儲運。

氫氣能夠以氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)儲氫材料等方式輸送，其中液化法已成為大規(guī)模儲運氫能產(chǎn)品的主要方法。有學者[14]已經(jīng)研發(fā)了一套無氫運輸體系，該體系先通過一些措施讓氫以某種液體的形式存在，將其輸送到需求用戶后再制取氫，進而改善低效運輸問題，但這種方法的可行性還有待于進一步證明。日本將目標投向開發(fā)氫的長距離運輸技術(shù)，千代田化工建設(shè)正在研發(fā)將液態(tài)氫通過甲苯儲存的技術(shù)，使常溫常壓運輸氫成為可能，還成立了以該技術(shù)為支撐發(fā)展的氫燃料公司。

3 氫能與石油工業(yè)

2008年以前國際油價處于低迷期，很多國際石油企業(yè)積極發(fā)展包括氫能在內(nèi)的新能源，以尋求新的商機。有相關(guān)文獻報道了部分國際石油公司氫能源發(fā)展情況[15]，BP和Shell兩家跨國石油公司立足于氫能的研發(fā)和改革技術(shù)，分別于1998和1999年先后成立了不同性質(zhì)的商業(yè)單位開展氫能研發(fā)工作。BP和Shell公司的研究包含全世界范圍內(nèi)的氫能研究計劃，其中Shell公司對氫能汽車市場頗感興趣，BP一直與美國和歐洲的兩個全球最大氫示范項目保持合作關(guān)系，在制氫和汽車加氫站試運營方面經(jīng)驗豐富并參與了許多的氫能示范項目。除了上述以石油為主業(yè)的企業(yè)，Stuart 能源系統(tǒng)、Linde AG以及空氣產(chǎn)品與化學品公司的業(yè)務范圍也拓展到氫能的零售。2008年后國際油價大漲，再加上2010美國頁巖氣的突破進展使得國際石油企業(yè)重新將重點轉(zhuǎn)向油氣業(yè)務。

各石油公司能源戰(zhàn)略調(diào)整都有偏向綜合性能源的發(fā)展趨勢且都以利益為導向。對于各石油企業(yè)來說，準確把握能源發(fā)展走向顯得尤為重要，一方面要保證傳統(tǒng)能源發(fā)展并尋求突破，另一方面也要積極投資新能源領(lǐng)域，提早適應可能的能源結(jié)構(gòu)變化和能源競爭，為企業(yè)長遠發(fā)展做好準備工作。

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Development and Technology Research of the World Hydrogen Energy

WANG Han

（China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Fossil fuels are the main part of current energy consumption; with increasing of the demand for energy, the energy crisis, global warming and environmental pollution problems have become more serious, and hydrogen energy gets increasing attention because of its inexhaustible, efficient and zero emission characteristics. Hydrogen is a new energy of sustainable development and has immeasurable prospects, but practical application status of hydrogen energy is not ideal; the problems of hydrogen preparation, storage and transportation are the main reason for constraining its development. In this article, development status and trend of the hydrogen energy were investigated as well as its influence on the oil industry. At last，it’s pointed out that new energy such as the hydrogen energy should be actively developed at the transition stage of energy development.

hydrogen; new energy sources; development status

TK 91

A

1671-0460（2016）06-1316-04

2016-03-22

王寒（1992-），女，黑龍江綏化人，碩士研究生，研究方向：多相管流及油氣田集輸。E-mail：1485035007@qq.com。