氫能源應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司□徐佳俊 勞利建

1 背景

按照巴黎協(xié)定的約定，其長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)，具體到碳排放量的指標(biāo)，經(jīng)過推算，到2050年全球必須實(shí)現(xiàn)碳的0排放甚至負(fù)增長，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就意味著氫能源必將被廣泛地運(yùn)用在各行各業(yè)中。

2 氫能源的應(yīng)用

在過去50年中，氫能源曾有兩次成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，上世紀(jì)70年代的石油危機(jī)和90年代氣候變化逐步吸引了人們的關(guān)注。以往大家曾經(jīng)熱衷于討論用氫燃料取代化石燃料的可行性，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在環(huán)境問題愈發(fā)緊迫的今天，氫能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用逐步走向成熟。

1）氫燃料電池。韓國現(xiàn)代的第二代NEXO氫燃料電池汽車在2019年正式發(fā)售。2020年6月，日本豐田聯(lián)合了中國國內(nèi)六家汽車廠家（第一汽車、東風(fēng)汽車、廣汽和北京汽車等）成立了聯(lián)合燃料系統(tǒng)研發(fā)公司，專注于氫燃料電池系統(tǒng)的研究，而豐田自產(chǎn)的氫燃料電池汽車—Mirai的升級(jí)版也預(yù)計(jì)在2020年發(fā)售。氫燃料電池系統(tǒng)具有零排放、續(xù)駛里程長、燃料加注快的典型特點(diǎn)，在汽車產(chǎn)業(yè)中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

此外，除了汽車領(lǐng)域，氫燃料電池系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)洋航運(yùn)也有重要作用。遠(yuǎn)洋航運(yùn)產(chǎn)業(yè)的碳排放量占全球總排放的2.5%左右，如果需要實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，必須要尋找新的能源供應(yīng)方式。根據(jù)美國綠色運(yùn)輸委員會(huì)（Council on Clean Transportation）對(duì)往返中美兩國之間的航線研究，這些航線均具備采用燃料電池驅(qū)動(dòng)的可行性。

2）采用氫氣代替天然氣作為民用也具備一定的可行性。其主要優(yōu)勢(shì)在于可以利用現(xiàn)有的天然氣供氣管道。根據(jù)英國一家公司的評(píng)估，目前的天然氣管網(wǎng)能夠兼容最大20%比例的氫混合燃料氣，并且只需要經(jīng)過一定的升級(jí)改造，管道氣管網(wǎng)就能同時(shí)兼容天然氣和氫氣。在一些西方國家，如澳大利亞、英國和德國目前均在嘗試這一理念。2020年5月份，德國的管道氣運(yùn)行公司公布了一項(xiàng)計(jì)劃，將升級(jí)改造總計(jì)1200km的天然氣管道，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2030年完工。

3）在工業(yè)中代替原本采用的碳元素及其化合物作為還原劑。這一潛在應(yīng)用主要在于煉鐵產(chǎn)業(yè)，采用氫氣代替原有的CO還原氧化鐵，從而避免CO反應(yīng)成為CO2最終作為溫室氣體排放。目前世界著名的幾家鋼鐵公司，如阿塞洛-米塔爾和LKAB以及瑞士大瀑布電力公司均已立項(xiàng)驗(yàn)證這一方案的可行性。

3 氫能源的不足

在實(shí)際應(yīng)用的過程中，氫能源系統(tǒng)的建立也要面對(duì)重重困難。

其中最根本的問題之一在于氫能源的能源密度雖然具備一定優(yōu)勢(shì)（以質(zhì)量計(jì)），但由于氫的密度較低，如果以體積計(jì)算，氫的能量密度反而不如目前市場(chǎng)上的任何一種化石燃料，見圖1。

圖1 能量密度

如圖1所示，以質(zhì)量計(jì)算時(shí)，氫的能量密度是天然氣、石油的三倍左右，是氨和甲醇的六倍，但當(dāng)以體積計(jì)時(shí)，唯有壓縮氫或液化氫的能量密度比常用的鋰電池和鋅-鎳電池略高一點(diǎn)。這就意味著以氫氣作為驅(qū)動(dòng)的效率其實(shí)并沒有期望中那么高。根據(jù)國際氣候變化委員會(huì)（Committee on Climate Change）的估計(jì)，考慮同樣來源于風(fēng)電的前提下，一輛采用電池驅(qū)動(dòng)的汽車可以將風(fēng)電輸出功率的86%轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能，而一輛氫燃料電池汽車，以目前的技術(shù)水平僅40%~45%。此外，氫燃料電池汽車也不能像普通電動(dòng)車一樣可以在家充電，而是必須去加氫站。而加氫站的安全風(fēng)險(xiǎn)大，工程難度高，目前僅在美國、日韓等少數(shù)國家才有配置。

在這種情況下，目前電動(dòng)車的普及程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氫燃料電池汽車。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年，僅有11200輛氫燃料電池汽車在使用，主要在日韓等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家，而對(duì)比之下電動(dòng)車已經(jīng)有510萬輛，并仍在飛速增長。2019年，僅國內(nèi)電動(dòng)車的銷售量就達(dá)到了120萬輛，占總汽車銷售量的4.7%。而在歐美國家這一比例更高，如挪威一半以上的汽車銷量都是電動(dòng)車。對(duì)比之下，氫燃料電池汽車在2018年的銷量?jī)H僅4000臺(tái)。

雖然理論上氫燃料電池的能量密度比目前常用的鋰電池高，但從目前汽車廠家公布的數(shù)據(jù)情況來看，這一優(yōu)勢(shì)并不明顯。以目前豐田旗艦車型Mirai為例，其續(xù)航官方數(shù)據(jù)僅為502公里，而其儲(chǔ)氫罐為121升；本田Clarity車型儲(chǔ)氫罐141升，續(xù)航官方數(shù)據(jù)為565公里。由于其儲(chǔ)氫罐體積遠(yuǎn)大于汽油車，氫能源汽車的內(nèi)部空間反而更加逼仄。相比較而言，目前Telsa的入門車型Model 3的基礎(chǔ)版續(xù)航為468公里，增強(qiáng)版續(xù)航為668公里，車內(nèi)空間也更大，實(shí)用性上優(yōu)勢(shì)非常明顯。在氫燃料電池本該更具優(yōu)勢(shì)的大型長距離運(yùn)輸行業(yè)，其高能量密度的特點(diǎn)在技術(shù)指標(biāo)上依舊沒有體現(xiàn)。以目前韓國現(xiàn)代的一款氫燃料電池重型貨運(yùn)卡車為例，其續(xù)航僅400公里，而對(duì)比Telsa發(fā)布的重型貨運(yùn)卡車Semi的官方續(xù)航數(shù)據(jù)高達(dá)800公里。

采用氫能源代替天然氣的方案也同樣面臨挑戰(zhàn)。由于民用天然氣主要用于日常加熱：燒水、采暖、烹飪等等，以英國為例，其每年消耗的天然氣熱值約在880T（1012）WH，是其電網(wǎng)輸送電量的兩倍，如果考慮全部采用電加熱代替，就意味目前的發(fā)電能力及電網(wǎng)載荷遠(yuǎn)不能滿足要求，需要進(jìn)行大規(guī)模的升級(jí)和擴(kuò)建。雖然相比較而言采用氫氣代替天然氣需要的管網(wǎng)升級(jí)花費(fèi)比較少，但考慮到氫氣的來源，比如來自水電解，考慮到水電解裝置50%~70%左右的效率，發(fā)電量的缺口反而會(huì)進(jìn)一步加大。

4 氫氣的制備

和現(xiàn)有的化石燃料不同，氫并不能直接從自然界中取得，氫的制備同樣需要高額的設(shè)備成本和能源消耗，目前主要的制氫方式包括：

1）目前主流的制氫方式是通過蒸汽轉(zhuǎn)化（CO+H2O=H2+CO2），但其過程會(huì)釋放大量的CO2。目前全球幾乎所有7千萬噸氫均來源于此工藝流程。和氫能源本身給人的完全綠色環(huán)保不相稱的是，通過這個(gè)流程每生產(chǎn)1噸H2，將排放5~7噸CO2到大氣中。這樣的氫其實(shí)并不能真正稱為綠色能源。根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，通過這種方式制氫的成本平均在10元人民幣/千克左右。

2）為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)，針對(duì)目前的氫氣轉(zhuǎn)化流程的更新方案中增加CO2的回收裝置—CO2通過回收系統(tǒng)被回收壓縮后埋到地下或者深海中，雖然其中無法避免會(huì)泄漏一些進(jìn)入大氣，但總體符合環(huán)保理念。挪威能源公司Equinor于今年7月宣布將在英格蘭北部建立迄今為止最大的制氫工廠，即采用此種蒸汽轉(zhuǎn)化+CO2回收的工藝流程。日本規(guī)劃中的主要制氫方案也是采用此類工藝：在澳大利亞的產(chǎn)煤區(qū)制氫，CO2就地深埋，再將氫壓縮或液化后運(yùn)回消費(fèi)。這種制氫方案的成本根據(jù)原料的差異變化較大，在15元人民幣/千克~25元人民幣/千克之間。

3）真正完全的“綠色制氫”目前僅是水電解制氫。水電解后產(chǎn)生氫氣和氧氣，不產(chǎn)生其他的環(huán)境污染。而水電解制氫的成本隨電價(jià)波動(dòng)幅度較大，通常在18元人民幣/千克~35元人民幣/千克，是三種制氫方式中成本最高的。

即使如此，水電解制氫的發(fā)展?jié)摿s是最大的。在設(shè)備投資成本方面，在過去的五年中，水電解制氫設(shè)備造價(jià)平均下降了40%，尤其國內(nèi)生產(chǎn)廠家的成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。以標(biāo)準(zhǔn)型50Nm3/h水電解制氫裝置為例，國內(nèi)廠家的預(yù)算約100萬元人民幣/套，而歐美品牌的造價(jià)約為600萬元人民幣/套，未來設(shè)備成本持續(xù)走低是必然趨勢(shì)。

運(yùn)行能耗成本方面的趨勢(shì)則更為樂觀。目前隨著風(fēng)能、太陽能發(fā)電的逐步普及，其規(guī)模效應(yīng)已然凸顯。在過去的10年中，此類可再生能源發(fā)電的成本已經(jīng)下降了85%（見圖2），已經(jīng)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電。

圖2 發(fā)電成本

這就意味著電解制氫的成本在這一趨勢(shì)下具備進(jìn)一步降低的可能。根據(jù)目前的趨勢(shì)估計(jì)，到2050年，電解制氫的成本可以進(jìn)一步降低到5元人民幣/千克~12元人民幣/千克，明顯優(yōu)于其他的制氫工藝。

5 結(jié)束語

氫能源將在未來的能源規(guī)劃中成為重要的組成部分。根據(jù)國際氫能委員會(huì) （Hydrogen Council）的估計(jì)，到2050年，氫能源消耗將占全球能源總消耗的18%。各國政府對(duì)氫能源的關(guān)注度正在明顯提高，德國6月10日宣布了一項(xiàng)70億歐元的資助項(xiàng)目，旨在奠定其國際氫能源技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位。歐盟透露的另一項(xiàng)計(jì)劃中，規(guī)劃了一個(gè)40GW的綠色氫氣站。我國政府規(guī)劃到2030年，全國將有100萬臺(tái)氫燃料電池汽車，而日本計(jì)劃到2050年氫能源的成本將下降到目前的1/10。

雖然氫能源具能量密度更高，與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施有一定兼容性等優(yōu)勢(shì)，作為目前僅有的完全環(huán)保的燃?xì)猓渫耆〈剂夏壳暗牡匚粎s不太現(xiàn)實(shí)。經(jīng)過上文的分析，氫能源某種程度上來說只是另一種形式的電能而已，基于熱力學(xué)第二定律，其效率必定比直接利用電能更低。就目前的趨勢(shì)來看，僅在那些電能力所不能及的領(lǐng)域，才是氫能源真正的用武之地。