氫能利用方式及發(fā)展前景

雷田田

（廣東能源集團天然氣有限公司，廣東 廣州 510630）

煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭，溫室效應(yīng)、環(huán)境污染問題也越來越嚴重，獲取和使用新型能源已經(jīng)變得十分迫切。氫能燃燒的唯一產(chǎn)物是水，無其他溫室氣體和污染物排放，具有資源豐富、可再生性、可儲存性的特點，并且可以同時滿足資源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的要求，因此被認為是化石能源最有前途的替代物之一，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础淠軕?yīng)用可以滲透到能源的各個方面，除石化工業(yè)應(yīng)用如合成氨、甲醇、石油與煤炭深加工等之外，近年來在新能源應(yīng)用方面受到追捧，包括加氫站、氫燃料電池等下游各種應(yīng)用。但由于制氫成本投資高、大規(guī)模儲氫及運輸技術(shù)發(fā)展緩慢等因素，阻礙了氫能利用的發(fā)展。隨著碳排放要求的提升，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為世界能源體系發(fā)展的重要趨勢，各國越來越重視發(fā)展氫能，“十四五”期間，氫能產(chǎn)業(yè)將迎來重大發(fā)展機遇。

1 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

氫能在世界能源轉(zhuǎn)型中的角色價值日益凸顯，世界主要發(fā)達國家近年紛紛大力支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。近年來，美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)相繼制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略[2]。

20世紀70年代，美國出現(xiàn)石油危機，隨著能源自給項目失敗，美國開始關(guān)注氫能的利用，著手布局研發(fā)新技術(shù)，加大相關(guān)研究項目的資金投入，攻克制氫、儲氫及氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)。從1990年開始，美國就制定了推動利用氫能的發(fā)展思路，包括評估政策、預(yù)測應(yīng)該前景、制定方案、研發(fā)技術(shù)及示范推廣等[3]。2017年，美國能源部著重研究30 個氫能燃料電池項目，投入資金1580 萬美元[4]。2003年，《氫經(jīng)濟國際伙伴計劃》在華盛頓成立，美國、加拿大、巴西、澳大利亞及中國等國家參加[5]。除此之外，美國能源部一直加強對相關(guān)企業(yè)的扶持，主要成立國家實驗室進行研究，高校和企業(yè)研究院輔助研究。在一系列推動下，美國氫能燃料電池項目快速發(fā)展[6]。

日本“氫能社會”戰(zhàn)略已逐步轉(zhuǎn)化為國民意識，氫能產(chǎn)業(yè)鏈趨于完善，已是全球氫能市場的頂尖競爭者。日本政府于2013年推出了《日本再復(fù)興戰(zhàn)略》，把發(fā)展氫能提升到國策的高度，進一步明確了日本國內(nèi)燃料電池車的相關(guān)規(guī)章制度，并表示將大力普及家用和工業(yè)用的燃料電池[7]。2017年，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省為促進氫能發(fā)展制定《氫能基本戰(zhàn)略》，明確了2050年發(fā)展愿景和2030年實現(xiàn)目標的行動計劃。2018年，《第五次能源基本計劃》出臺，在應(yīng)對氣候變化的系列政策中，將節(jié)能和氫能利用作為重點內(nèi)容。目前，日本在氫能生產(chǎn)、儲存和運輸及下游氫燃料電池應(yīng)用等方面，技術(shù)能力都處于領(lǐng)先地位。

歐洲較強的環(huán)保意識也促進了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氫燃料電池汽車逐漸出現(xiàn)在車企的重點研發(fā)中，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟積極布局加氫站。除了環(huán)保意識強烈，歐洲也出臺系列政策支持，在市場經(jīng)濟的環(huán)境下，氫能燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的越來越完善。同時，歐洲在推進氫能利用的同時，出臺政策扶持，加大資金投資，注重技術(shù)研發(fā)，在交通領(lǐng)域氫燃料電池取得了良好應(yīng)用。在歐盟眾多國家中，德國處于引領(lǐng)地位，在推進氫能發(fā)展方面起著重要作用。2019年，歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織發(fā)布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》，提出了面向2030、2050年的氫能發(fā)展路線圖[8]。

近年來，我國致力于構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，實施可再生能源替代行動，加快推動綠色低碳技術(shù)實現(xiàn)重大突破，抓緊部署低碳前沿技術(shù)研究，把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。因此，我國也高度重視發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，并出臺了一系列產(chǎn)業(yè)政策，氫能已成為國家大力扶持和重點推進的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。2016年，國家發(fā)改委發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，將利用可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新作為重要內(nèi)容，這表明了氫能產(chǎn)業(yè)被列入國家能源戰(zhàn)略[9]。2019年3月，首次將推動加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)寫入政府工作報告[10]。2019年11月，國家發(fā)改委等15 部門印發(fā)《關(guān)于推動先進制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合發(fā)展的實施意見》（發(fā)改產(chǎn)業(yè)〔2019〕1762 號），提出完善制氫、儲氫、輸氫及加注站等產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，促進氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新。2020年4月，《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》將氫能列入范疇[11]。同步，國家能源局發(fā)布《關(guān)于做好可再生能源發(fā)展十四五規(guī)劃工作有關(guān)事項的通知》，將氫能列入可再生能源發(fā)展十四五規(guī)劃編制重點任務(wù)，各個地區(qū)都在積極發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)[12]。

2 氫能利用方式

氫能的利用較為廣泛，傳統(tǒng)利用方式是作為石油化工原來，例如煉油過程中的加氫反應(yīng)，丙烷脫氫合成氨、甲醇等，這也是氫用量最大的方式。此外，在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、食品工業(yè)、玻璃產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域也有應(yīng)用[13]。今年來，作為新能源，氫能將是未來氫動力汽車燃料電池、氫能發(fā)電的新興燃料[14]。

2.1 氫動力汽車

氫動力汽車是以氫氣作為發(fā)動機的燃料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油，已通過美國、日本及德國等國家汽車產(chǎn)業(yè)的試驗，技術(shù)方案是可行的，但是面臨氫成本較高的阻礙。燃燒每公斤氫能夠產(chǎn)生33.6 kW/h 的能量，具有較高的效能，約為汽油燃燒的2.8 倍。氫氣在具有高熱值的同時，很低的能量就能點燃，火焰具有較高的傳播速度，因此氫動力汽車具有較高的燃料利用效率，比汽油汽車高約20%。除此之外，氫氣燃燒基本不含有碳氫化物，也不會產(chǎn)生污染環(huán)境的氣體，主要生成物是水，因此氫能汽車環(huán)境友好，是理想的交通運輸工具。

供氫在氫動力汽車中十分重要，儲氫材料是金屬氧化物，發(fā)動機冷卻水再加上尾氣產(chǎn)生的熱來釋放氫氣?，F(xiàn)階段，氫能汽車主要有兩種模式，一種是純氫汽車，一種是汽油和氫氣混合燃燒的摻氫汽車。摻氫汽車一般是稍加改變汽車的發(fā)動機，便可以減少排放污染尾氣，同時燃料整體的利用率也大大提高。鑒于目前氫氣成本較高，一般多為摻氫汽車，未來純氫汽車將越來越受歡迎。

摻氫汽車是使用氫氣和汽油的混合燃料，有利于在貧油區(qū)推廣，同時還能夠使發(fā)動機的燃燒情況得到改善。同時，很多余氫是作為工業(yè)副產(chǎn)品存在的，通常作為燃料燒掉或者直接以尾氣排放，若能回收利用，提純后作為氫動力汽車燃料，改善環(huán)境的同時也能提升整體的經(jīng)濟效益。

2.2 氫燃料電池

氫燃料電池?zé)o需經(jīng)過燃燒，即可將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電腦，可以達到60%-80%的轉(zhuǎn)換效率，而且裝置較小，比較靈活，噪聲污染和環(huán)境污染較小[15]。之前，氫燃料電池的成本交給，主要作為電源應(yīng)用在航天領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，造價成本逐漸降低，應(yīng)用越來越廣泛。目前，氫燃料電池種類較多，主要由以下幾種：

2.2.1 磷酸鹽型燃料電池

最早的燃料電池是磷酸鹽型燃料電池，具有相對成熟的工藝流程，美國已經(jīng)建成4 500 kW 的商用電站，日本建成11 000 kW 的商用電站。磷酸鹽型燃料電池能達到200℃的操作溫度，45%的發(fā)電效率，150 毫安每平方厘米的最大電流密度，以氫、甲醇等作為燃料，以空氣為氧化劑，鉑系列為催化劑，發(fā)電成本比較高，平均為40 美分每千瓦時[16]。

2.2.2 融熔碳酸鹽型燃料電池

融熔碳酸鹽型燃料電池歸屬于第二代燃料電池，它的運行溫度可達到650 攝氏度，發(fā)電效率可以達到55%，日本已有公司建成的發(fā)電裝置達到10千瓦級。這種燃料電池在比較高的溫度下工作，采用的是液態(tài)的電解質(zhì)，一氧化碳可以留存，一氧化碳、氫、天然氣等都可以作為燃料。發(fā)電的成本能夠低于每千瓦小時40 美分。

2.2.3 固體氧化物型燃料電池

固體氧化物型燃料電池被認為是第三代燃料電池，其操作溫度1 000 ℃左右，發(fā)電效率可超過60%，目前不少國家在研究，它適于建造大型發(fā)電站，美國西屋公司正在進行開發(fā)，可望發(fā)電成本每千瓦小時低于20 美分。

另外，燃料電池還有其他類型，如堿性的燃料電池，其可以達到200 攝氏度的運行溫度，60%的發(fā)電效率，且催化劑不使用貴金屬，瑞典開發(fā)的用于潛艇的裝置能夠達到200 千瓦。

氫燃料電池其原理跟電解制氫是互逆的，因此氫氣是燃料電池最佳的燃料[17]。燃料電池可以用來成立固定電站，同時也可以為移動車船等提供能量，是未來氫能利用的重點發(fā)展方向。

2.3 氫能發(fā)電

在發(fā)電領(lǐng)域，火電、風(fēng)電及水電等，都是由電廠發(fā)電，經(jīng)過電網(wǎng)輸送后到達終端用戶使用。由于用戶用電有時是高峰有時是低谷，因此用電負荷是不規(guī)律的。而氫能發(fā)電能夠很好地解決這個問題，氫能發(fā)電站相對靈活，能夠快速啟動，具有良好的調(diào)峰作用。還有一種氫氧發(fā)電機組，其原理是燃燒氧氣和氫氣，可以用在火箭身上，不需要蒸汽系統(tǒng)，內(nèi)燃發(fā)動機加上發(fā)電機即可，具有簡單的結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟停，也能便于修理。氫能發(fā)電具有調(diào)峰作用的同時，還可以通過對火電機組運行狀況的改變，從而將發(fā)電能力提高。未來，隨著傳統(tǒng)發(fā)電污染嚴重、占地面積大等問題，氫能發(fā)電等新能源發(fā)電將應(yīng)用越來越廣泛。

2.4 家庭用氫

化石能源越來越少，隨著氫能利用的發(fā)展，氫能將逐漸代替化石能源，未來將從大城市開始，氫氣通過管道，進入每家每戶，像天然氣一樣，入戶后接通廚房灶具、熱水器等用氣設(shè)備，同時可以與家庭內(nèi)充氫設(shè)備相連，給氫能汽車補充能量。有了入戶的氫能管道，可以代替天然氣、煤氣、電力管線等，汽車也不用到加油站加油。未來，家庭用氫系統(tǒng)，不僅清潔方便，也使生活環(huán)境更加舒適。

作為替代傳統(tǒng)化石能源的新能源，氫能的安全性受到人民的高度重視。從原理方面來看，氫氣泄漏或燃燒時，能很快在空氣中擴散，在空氣中垂直上升很快消失，因此是比較安全的。另外，氫氣不含有放射性，本身也是無毒的，燃燒后產(chǎn)物是水，對溫室效應(yīng)沒用影響，也不會傷害人體。

3 氫能利用發(fā)展前景

3.1 制氫技術(shù)分析

氫氣是一種二次能源，需要通過一定的方法利用其他能源制取，其制取方法按照制備源不同主要分為四大類：化石能源制氫、其他含氫物質(zhì)制氫、太陽能制氫和可再生能源制氫，同時，多種化工過程如電解食鹽制堿工業(yè)、焦炭工業(yè)、輕油裂解等均有大量副產(chǎn)氫氣，如能采取適當?shù)墓に噷錃膺M行有效的分離并回收，每年可以得到近千萬噸的氫氣。

當前，我國化石能源制氫技術(shù)發(fā)展成熟；含氫物質(zhì)制氫、太陽能制氫、生物制氫等技術(shù)仍處于研究和示范階段，是未來制氫技術(shù)的重要發(fā)展方法；工業(yè)副產(chǎn)氫氣提純制氫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但多用于場區(qū)內(nèi)自產(chǎn)自銷[18]。

因制氫原料的差異，各類制氫技術(shù)生產(chǎn)的氫氣中雜質(zhì)組成及其含量差異大，水電解制氫技術(shù)相對更易獲得高純度、雜質(zhì)少的氫氣。

3.2 儲氫技術(shù)分析

氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度非常小，因此，在氫能技術(shù)中，氫的儲存是個重要環(huán)節(jié)，目前氫氣儲存方法主要有高壓氣態(tài)儲氫、液化儲氫、玻璃微球儲氫、金屬氫化物儲氫、碳質(zhì)吸附儲氫、有機液體儲氫等[19]。目前使用廣泛的儲氫方式為高壓氣態(tài)儲氫，主要是由于對環(huán)境污染少，并具有較好的經(jīng)濟性；液化儲氫的能量密度很高，效率可以達到93%，但由于昂貴的儲存成本，因此主要是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用；金屬氫化物儲氫在所有儲氫方式中體積密度是最高的，能夠達到100 kg·m-3，但是具有比較大的質(zhì)量，導(dǎo)致成本比壓縮儲存方式要高；碳質(zhì)吸附儲氫關(guān)鍵是研究吸附量的提升，通常是在常壓、常溫下進行，雖然在許多方面都取得一定進展，包括凈化吸附劑、合成吸附劑等方面，但都剛剛起步。在上述各種儲氫技術(shù)中，碳質(zhì)吸附儲氫具有較大的優(yōu)勢，雖然目前還在初步研究階段，但是發(fā)展空間非常大的儲氫方式。

3.3 輸氫技術(shù)分析

氫能要得到廣泛應(yīng)用，運輸環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。通常情況下，氫能用戶距離生產(chǎn)單位具有一定的距離，氫氣輸送就顯得十分關(guān)鍵。根據(jù)在運輸過程中氫氣所呈現(xiàn)的狀態(tài)不同，輸氫方式包括氣態(tài)輸送、液態(tài)輸送及固態(tài)輸送。其中，氣態(tài)輸送和液態(tài)輸送目前應(yīng)用比較廣泛。通常，根據(jù)用戶用氫要求、用戶分布情況及輸送距離等因素，氫的氣態(tài)輸送可以采用高壓容器裝車、船，或者采用管道輸送。

對于高壓氣態(tài)氫氣輸送，應(yīng)用高壓容器車載或船舶運輸方式，技術(shù)非常成熟，被廣泛應(yīng)用于商品氫氣運輸，缺點在于運輸量小，不適合于遠距離運輸；對于液態(tài)氫輸送，多使用槽車運輸，國外應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，相對氣態(tài)氫氣的高壓容器運輸，液態(tài)氫槽車輸量大，但存在液化投資高、能耗高、設(shè)備要求高等缺點。除此之外，還可以利用儲氫材料輸送固態(tài)氫，但目前應(yīng)該教室，處于初步研究階段。

未來，隨著氫氣應(yīng)用越來越廣泛，管道大規(guī)模氣態(tài)輸氫將是研究的重點。國外氫氣管道建設(shè)多為工業(yè)氣體公司進行，在工業(yè)氣體生產(chǎn)基地與用戶之間建設(shè)長距離輸送氫氣管道，管道具備輸送和儲存的雙重功能，管徑多在DN100～DN350 之間，壓力一般不超過4.0 MPa。

目前，管道輸氫技術(shù)已基本成熟，但我國氫氣管道建設(shè)剛剛起步，國內(nèi)氫氣管道建設(shè)多為場區(qū)內(nèi)管道，基本為回收利用增產(chǎn)創(chuàng)收項目，尚需完善氫氣管道設(shè)計、建設(shè)、運營管理等方面的規(guī)范、標準體系[20]，開展系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，開發(fā)更優(yōu)異的抗氫脆、高強度管道材料，為建設(shè)將來大規(guī)模建設(shè)長距離、高壓力、大輸量的輸氫管道創(chuàng)造條件[21]，預(yù)計到2030年后將得到較大的發(fā)展。但氫氣管道運輸?shù)陌l(fā)展最終取決于整個氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)論

在積極應(yīng)對全球氣候變化、加快綠色低碳發(fā)展的大背景下，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源得到快速發(fā)展，其利用前景將十分廣闊，而氫能的利用也將促進制氫、儲氫和輸氫技術(shù)的發(fā)展。目前，對氫能利用的研究雖然取得了一定的進步，但大部分研究的不夠充分；同時受制于制氫成本高、大規(guī)模管道輸氫尚在起步階段，氫能暫未得到大規(guī)模應(yīng)用。因此，根據(jù)不同的場合要求對氫能高效利用、開展大規(guī)模管道輸氫技術(shù)研究將是未來研究的重點。