氫能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展展望

李天宇　田嬌　高菁菁等

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2021）12-0105-03

眾所周知，氫能是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源，其顯著特點(diǎn)是低碳和零碳。氫是宇宙中質(zhì)量最小，散布于各處，如果充分利用好氫能，使氫能得到大規(guī)模的應(yīng)用，那么人類(lèi)就可以永久使用。它有效解決現(xiàn)在存在的能源短缺、溫室效應(yīng)造成的全球變暖以及大氣污染等問(wèn)題，它的開(kāi)發(fā)利用讓世界矚目關(guān)注。本文將主要介紹氫能的使用領(lǐng)域、制備方法、運(yùn)輸技術(shù)等。

1氫能源的利用

目前在我國(guó)正在進(jìn)行一場(chǎng)以氫能源汽車(chē)、氫燃料電池等形式為主的能源領(lǐng)域的變革。氫燃料電池是直接將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，轉(zhuǎn)化效率很高、環(huán)境友好、壽命高且可實(shí)現(xiàn)零排放，是現(xiàn)在存在的對(duì)于氫能利用最好的技術(shù)。目前廣泛使用的燃油汽車(chē)表現(xiàn)出被氫燃料汽車(chē)（FCEV）所取代的顯著趨勢(shì)，氫燃料汽車(chē)的使用可以達(dá)到零排放、零污染的目的。近幾年氫能源汽車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量趨勢(shì)如圖1所示。

當(dāng)今，被稱(chēng)為二次能源的環(huán)保能源氫氣，還有以下幾個(gè)方面的用途：a.在食品工業(yè)中，對(duì)植物油通過(guò)加氫處理就可得到食用色拉油;b.在電子工業(yè)中氫氣通常作為保護(hù)氣體，制備集成電路顯象管等;c.在煉油工業(yè)中企業(yè)為了提高油產(chǎn)品的質(zhì)量以及將產(chǎn)品中的硫、氮及重金屬等有害物質(zhì)除去，利用氫氣對(duì)柴油、燃料油、稠油進(jìn)行加氫精制。尤其是最近幾十年流行起來(lái)的氫燃料電池，不僅可直接供航空海洋事業(yè)還對(duì)陸路交通有著重要的作用，氫能承擔(dān)未來(lái)最具潛力能源的設(shè)想越來(lái)越成為現(xiàn)實(shí)。

2氫能源的制取

氫能不像煤、石油、天然氣可直接開(kāi)采，氫氣的制取主要依賴(lài)化石能源，其中天然氣重整提供48%，油部分氧化提供30%，煤氣化提供18%，剩下的4%由電解水提供。各類(lèi)制氫技術(shù)的基本參數(shù)如表1所示。

利用化石能源作原料來(lái)制取氫氣。通常有三種基本方法，如表2所示。

三種方法中比較成熟的技術(shù)是電解制氫。電解制氫根據(jù)不同電解質(zhì)分為三種：a.目前最成熟的電解技術(shù)，將堿性溶液作為電解質(zhì)制氫，即堿性電解（AEC）;b.固體氧化物電解（SOEC）;c.生物制氫是利用含氫有機(jī)物和水在生物活性酶的作用下將太陽(yáng)能和生物能轉(zhuǎn)化為能量密度高的氫。以生物質(zhì)為介質(zhì)制氫就是利用化學(xué)作用或物理反應(yīng)來(lái)制取氫氣。天然氣重整制氫，目前看來(lái)是效率最高的，可制備純度較高氫氣。

3氫氣的運(yùn)輸

因?yàn)闅錃鈦?lái)源不同，所以在進(jìn)行氫氣輸送時(shí)其狀態(tài)是不一樣的，導(dǎo)致輸送氫氣的方式也不同。這幾年來(lái)，部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出了利用目前已建設(shè)的天然氣管道輸送混氫天然氣（在現(xiàn)有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣一天然氣混合氣體的方案）。目前，混氫天然氣技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫低成本輸送的主要方法。

高壓氫氣運(yùn)輸：對(duì)于需求量比較小的地區(qū)，通常使用集裝格、長(zhǎng)管掛車(chē)運(yùn)輸;對(duì)于需求量比較大的工業(yè)地區(qū)，利用管道輸送是比較經(jīng)濟(jì)合理的。目前，美國(guó)及歐洲一些工業(yè)地區(qū)已經(jīng)建設(shè)并使用管道運(yùn)輸氫氣，氫氣管道直徑大約為0.25～0.3m，壓力范圍為1～3MPa。目前氫氣管道主要用于輸送化工廠(chǎng)的氫氣。長(zhǎng)管掛車(chē)運(yùn)輸氫氣的經(jīng)濟(jì)性分析如圖2所示。

液氫運(yùn)輸：目前國(guó)外加氫站通常采用罐車(chē)液氫運(yùn)輸，由于液氫的體積密度是70.8 kg·m，密度達(dá)到8.5 MJ·L。直接運(yùn)送氣態(tài)氫氣效率較低。因此，一般先將氫氣深冷至21 K使其液化后再利用罐車(chē)或管道運(yùn)輸，液氧的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)件分析如圖3所示。

4結(jié)語(yǔ)

研究表明，當(dāng)氫氣含量較低時(shí)，可以在不做重大技術(shù)調(diào)整和重大投資的情況下?lián)交熘撂烊粴猓S著經(jīng)濟(jì)性和安全性的不斷提升，以及在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上加快建設(shè)“運(yùn)氫走廊”，氫能在天然氣行業(yè)的應(yīng)用將成為一種趨勢(shì)。未來(lái)隨著交通運(yùn)輸場(chǎng)景發(fā)生顛覆性的改變，更多的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用到氫能，氫能在商用卡車(chē)、客車(chē)和無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域持續(xù)滲透，并在鐵路、航運(yùn)、航空等重型運(yùn)輸場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)新突破，助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活消費(fèi)的綠色轉(zhuǎn)型。氫能領(lǐng)域正在高速發(fā)展，氫能在未來(lái)將廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)加緊規(guī)劃布局氫能產(chǎn)業(yè)，讓氫能在解決人類(lèi)能源危機(jī)和環(huán)境污染的過(guò)程中發(fā)揮出更顯著的作用。