氫能，未來能源已來！

文 黃曉芳

氫能，被冠以未來能源、終極能源的美譽，仿佛離我們還非常遙遠。實際上，氫能已經(jīng)走進了我們的生活。

目前，一些城市的人們或許已經(jīng)乘上了氫能動力的公共汽車，或者開始采用氫燃料重型卡車來運送貨物。中國氫能聯(lián)盟理事長凌文預計，到2050年，氫能在我國將實現(xiàn)大規(guī)模應用，其在能源結(jié)構(gòu)中占比有望達到10%以上。

最有前途的能源

氫，在元素周期表中位列第一，是目前已知最小的原子。氫也是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，宇宙質(zhì)量的75%都是氫。

氫有什么特點呢？它的燃燒熱值高。除核燃料以外，氫的燃燒熱值居各種燃料之首，是液化石油氣的2.5倍，汽油的3倍。并且，氫是零碳的，它燃燒生成水，水電解又可以生成氫，是一種可循環(huán)使用的清潔能源。

“如果說風電、光伏發(fā)電是當前新能源行業(yè)的主導力量，氫能源就是能源領域的未來之星?！敝袊茖W技術(shù)協(xié)會主席萬鋼表示，氫能非常符合全球能源發(fā)展的新趨勢，被行業(yè)譽為21世紀最有前途的能源之一。

在人類發(fā)展史中，能源利用方式的轉(zhuǎn)型和變革貫穿其間。最初，火的發(fā)現(xiàn)開啟了人類文明的源頭。柴火使食物的能量密度得以提高，人類因此可以通過短時間進食獲取足夠高的能量。而以煤為動力的蒸汽機的使用，開啟了人類工業(yè)化進程，使人類的生產(chǎn)率得以大幅提升。隨后，石油、天然氣的使用大大提升了人類活動半徑。人們的交往更為頻繁，交通更為便利。

一些城市的人們已經(jīng)乘上了氫能動力的公共汽車

“這其實就是一個減碳加氫的過程，也是人類能源利用方式演變的總體趨勢?！眹铱萍疾吭块L徐冠華表示。

“這個大方向，是向更加清潔、低碳的能源轉(zhuǎn)型?！绷栉娜缡钦f。目前可再生能源比重的大幅上升，表明全球能源轉(zhuǎn)型的過程已經(jīng)開始加速。

比如煤是高碳能源，以碳元素為主，含有少量氫、硫、氮等元素。石油的主要成分是丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)，氫的比重逐步上升。到了天然氣，主要成分為甲烷(CH4)，碳原子和氫原子的比重達到了1∶4。

而越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，氫的來源非常廣泛，既可借助傳統(tǒng)化石能源如煤炭、石油、天然氣等用低碳化技術(shù)制取，也可以通過風電、光伏、水電等可再生能源制備。同時，氫的利用形式很多樣，可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動機中產(chǎn)生機械功，并且用氫代替煤和石油，不需對現(xiàn)有技術(shù)裝備作重大改造；此外，又可以作為能源用于燃料電池直接產(chǎn)生電能，為燃料電池車、分布式發(fā)電設施提供動力。它還可以儲存，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)供應、遠距離輸送。

因此，氫能被冠以未來的能源、終極能源的稱呼。中國氫能聯(lián)盟戰(zhàn)略指導委員會常務副主任干勇表示，氫能將成為改變傳統(tǒng)能源的終極目標，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是人類能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的必由之路。

各國加快探索

事實上，世界各國已經(jīng)紛紛啟動對氫能的研究和嘗試。并且，在前些年遠景規(guī)劃的基礎上，一些有規(guī)模的試點業(yè)已啟動，氫能產(chǎn)業(yè)鏈開始逐步顯現(xiàn)。

在美國，有關部門2001年就曾勾畫出氫能發(fā)展的藍圖：在未來的氫經(jīng)濟中，美國將擁有安全、清潔以及繁榮的氫能產(chǎn)業(yè)，美國消費者將像現(xiàn)在獲取汽油、天然氣或電力那樣方便地獲取氫能。2003年，美國宣布啟動總額超過12億美元的氫燃料計劃。

目前，美國已經(jīng)從政策的評估、制定轉(zhuǎn)向以技術(shù)研發(fā)、示范為起點的系統(tǒng)化實施階段。2017年，在美國加利福尼亞州，殼牌石油與豐田合作，在當?shù)亟⒘?座加氫站，使全州的加氫站數(shù)量增加到了25座。一個擁有5座加氫站的供應商甚至宣布，他們提供的氫氣每公斤少于10美元，這一定價被看作氫能定價的關鍵里程碑。

在歐洲，歐盟25國促成的歐洲研究區(qū)專家認為，到2020年，成員國中會有5%的新型汽車和2%的船舶使用氫能產(chǎn)品；到2030年后，其市場占有率不斷提高，預計屆時氫能制造主要來自于可再生能源和先進的核能。其中，德國在氫能和燃料電池技術(shù)上處于領先地位。德國制定并執(zhí)行了嚴格的氫能法規(guī)和標準，涉及氫能的生產(chǎn)、運輸、加注、車輛的使用和購買等。2017年，寶馬、奔馳等車企已開始商業(yè)化發(fā)展氫燃料電池汽車。

日本因自身能源缺乏，非常重視新能源開發(fā)，也是最早系統(tǒng)制定氫能發(fā)展規(guī)劃的國家。日本1993年啟動世界能源網(wǎng)項目，其目標是構(gòu)建一個環(huán)球能源網(wǎng)絡以實現(xiàn)氫能的高效供應、輸送和利用。

日本新能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展機構(gòu)氫能主任大平英二在中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)高峰論壇上表示，氫能已經(jīng)成為日本的基本戰(zhàn)略，成為全球首個國家戰(zhàn)略。2050年，日本希望將氫氣作為可再生能源后的另一種新能源，并且制定了使氫氣價格從2030年的3美元/千克降至2050年2美元/千克的目標。

突破與挑戰(zhàn)并存

干勇表示，氫能在交通領域的應用將會率先突破，尤其是重型卡車采用氫燃料電池，在運行環(huán)境和運行成本，包括續(xù)駛里程和加氫時間上擁有不錯的前景。

2016年3月份，我國制定的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》提出，把可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新作為重點任務；把氫的制取、儲運及加氫站等方面的研發(fā)與攻關、燃料電池分布式發(fā)電等作為氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向；把大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲運技術(shù)、氫能燃料電池技術(shù)等列為創(chuàng)新行動。

2017年，科技部和交通運輸部出臺的《“十三五”交通領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》明確提出，推進氫氣儲運技術(shù)發(fā)展，以及加氫站建設和燃料電池汽車規(guī)模示范，形成較完整的加氫設施配套技術(shù)與標準體系。

在這個背景下，我國氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化步伐正不斷加快，一些地方和能源企業(yè)紛紛布局氫能項目。

2018年1月份，武漢市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃建議方案出爐。該規(guī)劃建議，到2025年，力爭氫能燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值突破1000億元，成為世界級新型氫能城市。

2022年，北京和張家口將聯(lián)合舉辦第24屆冬奧會。在冬奧會的規(guī)劃中，將大量采用清潔的氫能源汽車用于通勤、物流。為此，張家口已經(jīng)引入了70多輛氫能源公交車；與此同時，引入了多家企業(yè)生產(chǎn)氫燃料電池，并與國家能源集團探討設立制氫和加氫設施，以期建立起氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

然而，這僅是萬里長征的第一步。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國氫氣產(chǎn)量約為2100萬噸，其中用于生產(chǎn)合成氨、甲醇的原料氫占比約65%，用于石油煉制加氫等的占比約33%，工業(yè)氫氣占比約2%，用作氫能載體仍僅為示范性工程。

萬鋼表示，與發(fā)達國家相比，我國在燃料電池基礎研究和技術(shù)發(fā)展、氫能裝備制造等方面仍相對滯后，特別是一些關鍵技術(shù)與國外仍存在差距，產(chǎn)業(yè)鏈較為薄弱。在基礎設施方面，制氫、供氫和加氫的系統(tǒng)先進性有待提升，制氫成本有待降低，氫設施標準落后等也制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中國航天科技101所副總工程師劉玉濤表示，儲氫、運氫中的“卡脖子”問題可以考慮用液化氫的方式解決。

他介紹，目前采用進口的氫氣傳感器，監(jiān)測時間要在幾秒左右，而中國航天級傳感器的監(jiān)測時間已經(jīng)能達到1秒左右。在儲氫環(huán)節(jié)，對于能實現(xiàn)大規(guī)模存儲、遠距離輸送的液態(tài)氫，早在20世紀60年代中國就能大規(guī)模生產(chǎn)。液化氫的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化將會成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大推動因素。

變化已經(jīng)開始，未來正向我們走來。國際氫能委員會預計，到2050年，氫能可以滿足全球能源總需求的18%或全球一次能源總需求的12%，氫能及氫能技術(shù)相關的市場規(guī)模將超過2.5萬億美元。