氫能源利用和發(fā)展方向

周功宇 中海油惠州石化有限公司

現(xiàn)代社會生產(chǎn)中石化燃料消耗量越來越多，但儲存量卻越來越少，而且因石化燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量會增加地球的溫度，破壞地球的自然環(huán)境，但是氫能源燃燒物是水，清潔環(huán)保而且容易制備。目前國際社會發(fā)展氫能源已經(jīng)成為主流的利用趨勢，人們越來越注重燃料的清潔性，保護(hù)環(huán)境需要改變現(xiàn)有的能源類型，在這種觀念下，氫能源的利用與發(fā)展方向也更加明確。

一、氫能源的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）資源豐富

氫能源的原子序數(shù)是1，是元素周期表中的第一位元素，在常溫常壓狀態(tài)下，氫能源常以氣態(tài)的形式存在，超低溫高壓下可以液態(tài)的形式存在，所以屬于一種理想的核能體能源。氫元素的含量非常豐富，屬于比較簡單的元素，約占宇宙總質(zhì)量的75%，其來源多種多樣，或是通過化石能源與水蒸氣反應(yīng)進(jìn)行制備，或是通過生物質(zhì)裂解、發(fā)酵進(jìn)行制備，或是通過提取石化、焦化等工業(yè)副產(chǎn)氣也可以制備，或是通過人們熟知的電解水進(jìn)行制備。

（二）經(jīng)濟(jì)環(huán)保

氫能源的單位熱值較高，約為40kWh/kg，可以達(dá)到同質(zhì)量汽油、柴油等化石燃料熱值的2-4倍，并且氫能源的轉(zhuǎn)化效率非常高，可以達(dá)到85%的轉(zhuǎn)化效率，常規(guī)的汽柴油能源綜合轉(zhuǎn)化效率約為30%-40%，所以在理論上是可以將氫能源代替柴油或汽油能源的，可以作為新型的汽車驅(qū)動能源形式，要比化石燃料更加環(huán)保、清潔，不會在燃燒過程中產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳等有害的污染物質(zhì)。氫能源燃燒生成的水是無毒無害的，不具有腐蝕性，有利于保護(hù)環(huán)境[1]。

（三）易于存儲

氫能源的應(yīng)用范圍比較廣泛，在冶金、鋼鐵等行業(yè)可以直接提供能源，減少碳的排放量，如交通運(yùn)輸行業(yè)對化石能源比較依賴，所以可以使用氫能源替代化石能源，或者氫能源也可以使用分布式發(fā)電，為建筑提供電能，實(shí)現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化供電。比如在供電中，氫能源可以作為能源載體周期調(diào)整的媒介，經(jīng)濟(jì)性的保持大規(guī)模存儲和長周期的供應(yīng)，有效的解決棄風(fēng)、棄光的問題。

二、氫能源的利用現(xiàn)狀

（一）氫能源的利用方向

盡管氫能源有許多應(yīng)用優(yōu)勢，但是應(yīng)用過程中也會存在許多困難，比如氫能源的配套基礎(chǔ)設(shè)施不健全，真正優(yōu)質(zhì)的氫能源供應(yīng)不足，而且氫能源的儲存成本較高，這些因素都會限制著氫能源的推廣。氫能源的主要開發(fā)方向是新能源汽車，因?yàn)闅淠茉慈紵姵氐哪芰棵芏容^高，大約是鋰電池的120倍，而且氫能源的續(xù)航能力非常出色，充電5min就可以行駛400km，目前社會中應(yīng)用的鋰電池新能源汽車每次充電7小時左右，可以行駛300km，續(xù)航能力卻沒有氫能源汽車的優(yōu)秀，然而氫能源汽車的配套設(shè)施卻沒有辦法直接替代鋰電池汽車，只能通過兩種形式相互補(bǔ)充，還是要以技術(shù)體系比較成熟的純電動汽車為主，如果是長途卡車或者城市公交車則適用氫能源電池汽車[2]。

（二）氫能源利用面臨的問題

氫能源的儲存量非常豐富，但并不是所有的氫能源都可以高效應(yīng)用，不同制備的方式也具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體可如表1所示。

表1 不同制備方式的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)（參考）

（三）儲氫、輸氫方式可靠

發(fā)展氫能源是社會能源未來發(fā)展的主要趨勢，因?yàn)槟壳叭鄙侔踩煽康膬漭敋浞绞剑?dāng)前國內(nèi)商用車運(yùn)行的量大約有2000輛，乘用車每年消耗氫氣約為150kg，如果是載重7.5t物流車，平均每年消耗氫氣2000kg左右，按照我國2035年規(guī)劃的氫能源電池汽車數(shù)量將會達(dá)到100萬輛，則氫氣消耗量約為500萬t/a。低溫業(yè)態(tài)下儲氫的液化氫氣成本高，約為氫氣能量的40%，關(guān)鍵部件需要進(jìn)口，而且相關(guān)設(shè)施建設(shè)的周期較長。

三、氫能源的發(fā)展方向

氫能源的利用與開發(fā)都需要核心技術(shù)，而氫能源的核心技術(shù)還需要長時間的深入研究，可以確定的是，以氫能源為燃料的汽車會應(yīng)用在港口、物流中心等方面，城市中的綠色公交方面也可以應(yīng)用氫能源，但是氫能源會受到儲氫和輸氫技術(shù)發(fā)展的限制，氫能源使用的場所與氫源點(diǎn)經(jīng)濟(jì)距離要低于100km，石化企業(yè)或者氯堿企業(yè)周邊都可以成為氫能源發(fā)展的區(qū)域。氫能源的應(yīng)用還是以交通運(yùn)輸為主要發(fā)展空間，研究交通運(yùn)輸中如何將氫能源應(yīng)用于汽車能源供應(yīng)，是緩解當(dāng)今汽車尾氣污染空氣問題的有效措施。

四、氫能源的制備

（一）利用礦物燃料制備氫能源

在傳統(tǒng)的氫能源制備工業(yè)中，經(jīng)常會運(yùn)用到的一種氫能源制備方法就是通過礦物燃料的利用來制備，并且目前企業(yè)已經(jīng)掌握了比較成熟的植被技術(shù)并且擁有完善的工業(yè)裝置。礦物燃料制備氫能源的方法主要有通過重整水蒸氣天然氣制備氫能源、通過重整重油部分制備氫能源、通過煤和水蒸氣的重整制備氫能源。其中以天然氣和水蒸氣為原料制備氫能源的化學(xué)反應(yīng)公式為：

以煤和水蒸氣為原料制備氫能源的化學(xué)反應(yīng)公式為：

雖然現(xiàn)階段大部分氫能源制備的原料為煤和天然氣，但是這兩種能源都比較有限，并且在制備的過程中會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。顯然這與現(xiàn)如今的可持續(xù)發(fā)展理念不相符，所以這種氫能源的制備方法并非最佳選擇。

（二）利用電解水制備氫能源

利用電解水制備氫能源已經(jīng)有較長的歷史，這種氫能源制備方法的重要基礎(chǔ)為氫氧可逆反應(yīng)，其化學(xué)公式為：

現(xiàn)階段在電解水氫制備中經(jīng)常使用電解槽結(jié)構(gòu)通常為壓濾式復(fù)極結(jié)構(gòu)，各電解槽之間的電壓在1.8到2.0伏，每制備1立方米氫能源每小時消耗的能源量在4.0到4.5千瓦之間。箱式電解槽不僅裝置較為簡單，并且投入成本極少，同時容易維修，但是其也有缺點(diǎn)那就是時空產(chǎn)率并不是很高，并且占地面積比較大。

（三）通過催化熱分解甲烷制備氫能源

以往通過裂解甲烷制備氫能源時會伴隨形成較多的二氧化碳，但是，近些年隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過熱分解甲烷制備氫能源的過程中，可以有效的避免二氧化碳的排放。通過分解甲烷每獲得1mol氫能源就會消耗掉37.8千焦的能量，并且還會有0.05mol的二氧化碳隨之排放。通過這種方法制備氫能源不單單可以獲取到具有較高純度的氫能源，同時這種方法還十分的經(jīng)濟(jì)。

（四）生物法制備氫能源

生物制備氫能源的方法就是利用常溫、常壓狀態(tài)下，將含有氫元素的物質(zhì)作為底物，利用微生物誘發(fā)酶生化反應(yīng)，以此制備氫能源。

綠藻和藍(lán)細(xì)菌屬于光合生物，其可以憑借自身的光合結(jié)構(gòu)將太陽能轉(zhuǎn)化成為氫能源，所以在研究生物制備氫能源方法時，針對光合生物的研究遠(yuǎn)比對非光合生物的研究更深入。雖然這兩種生物均能夠通過光裂解形成氫能源，但是綠色和藍(lán)細(xì)菌在光合產(chǎn)氫的同時，還會釋放出氧氣，不僅制備氫能源的效率比較低，同時還需要解決其釋放的氫霉遇到氧氣失去活性的問題。相對于綠藻和藍(lán)細(xì)菌來說，厭氧光合細(xì)菌在光合放氫時，并不會產(chǎn)生氧氣。

非光合生物在降解大分子有機(jī)物的同時，會產(chǎn)生氫氣，其可以對可再生能源物質(zhì)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，以此完成氫能源的植被。據(jù)相關(guān)研究表明非光合生物在制備氫能源方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢要比光合生物優(yōu)越。二十世紀(jì)90年代末，我國將有機(jī)物廢水和厭氧活性污泥作為原料研究和開發(fā)了有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制備氫能源的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，意味著我國的生物制備氫能源技術(shù)已經(jīng)打破了必須采用固定技術(shù)和純菌種的局限，打開了生物制備氫能源技術(shù)發(fā)展的新空間。

五、結(jié)束語

現(xiàn)代社會中以化石燃料為能源的方式是不利于可持續(xù)發(fā)展，化石能源的時代要逐漸被綠色能源時代所替代，這也是歷史發(fā)展的必然趨勢，社會大眾非常關(guān)注氫能源的研究成果。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來講，應(yīng)用氫能源實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的價值，可以在市場導(dǎo)入期發(fā)揮氫能源的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因?yàn)闅淠茉吹木G色特點(diǎn)成為開發(fā)利用的優(yōu)勢條件，深入研究氫能源的應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫能源的高價值應(yīng)用。