環(huán)保視角下氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

張保華

摘要：20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各國(guó)都把節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)作為重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，特別是“溫室效應(yīng)”、“低碳經(jīng)濟(jì)”理念的推廣，由于氫能利用的最終生成物是純凈、無(wú)污染的水，符合各國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)保政策需求，氫能的利用就顯得更為重要。在環(huán)保的視角下，氫能的利用存在諸多約束條件下的利潤(rùn)最大化問(wèn)題，在燃料電池方面，進(jìn)行氫能商業(yè)化利用的研究是有益的，但在“氫發(fā)電”或“氫社會(huì)”建設(shè)方面，其潛在的環(huán)境危害需要經(jīng)過(guò)科學(xué)驗(yàn)證，逐步開(kāi)發(fā)，切莫急功近利。

關(guān)鍵詞：氫能；燃料電池；環(huán)境保護(hù)；利潤(rùn)最大化

中圖分類(lèi)號(hào)：X21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

氫元素是地球乃至宇宙中最豐富的元素，基礎(chǔ)能量密度約是汽油和天然氣的3倍，約是現(xiàn)行鋰電池的120倍，因此氫能被認(rèn)為是“21世紀(jì)的終極能源”，氫燃料電池被稱(chēng)為是“宇宙黑科技”、“外星科技”。

特別是20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各國(guó)都把節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)作為重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，認(rèn)為全球氣溫升高，形成“溫室效應(yīng)”的主要元兇是人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳，而氫能利用的最終生成物是純凈、無(wú)污染的水，所以氫能符合各國(guó)的低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)保政策需求，更是備受關(guān)注?！兜谌喂I(yè)革命》作者杰里米·里夫金認(rèn)為：三次能源革命存在一個(gè)規(guī)律：碳含量降低、氫含量上升。燃料中碳原子數(shù)目與氫原子的比例從固態(tài)的煤（1：1），到液態(tài)的石油（1：2），再到氣態(tài)的天然氣（1：4），脫碳不斷加速、含氫越來(lái)越高，這已成為能源開(kāi)發(fā)利用的自然規(guī)律和趨勢(shì)。

中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局制定的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》也把“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”作為重點(diǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）電動(dòng)汽車(chē)的示范運(yùn)行和推廣應(yīng)用。

那么氫能就真的那么完美無(wú)缺，人類(lèi)對(duì)氫能的認(rèn)識(shí)到底有多少呢？

1 文獻(xiàn)綜述與評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外對(duì)溫室氣體的研究主要集中在溫室氣體的政府管控、溫室氣體影響排名以及由此產(chǎn)生的氫能利用范圍等方面。2009年12月7日，美國(guó)環(huán)保署依據(jù)《空氣清潔法案》，在認(rèn)真考慮科學(xué)證據(jù)和廣泛征求公正意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，認(rèn)為目前以及所預(yù)測(cè)到的大氣中的二氧化碳、甲烷、二氧化氮、氧化亞氮、全氟化物、六氟化硫6中溫室氣體的濃度危害到當(dāng)前以及后代人的健康和福利，從而將“溫室氣體”列為污染物。2009年11月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)-2009年度報(bào)告》中指出中國(guó)將進(jìn)一步把應(yīng)對(duì)氣候變化納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，并繼續(xù)采取強(qiáng)有力的措施。

目前各國(guó)科學(xué)家普遍認(rèn)為工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了二氧化碳、甲烷等氣體排放增多，引發(fā)了“溫室效應(yīng)”。但比利時(shí)皇家氣象學(xué)院的氣候?qū)＜覅慰恕さ掳钐乩锎趫?bào)告中指出，在人類(lèi)排放的溫室氣體中，占總量最多的不是二氧化碳，而是水蒸氣，研究證明人類(lèi)排放的溫室氣體中有75%是水蒸氣。更有研究表明，若以地球溫室效應(yīng)的影響來(lái)排名，前四名的氣體是：水蒸氣（36%-70%）、二氧化碳（9%～26%）、甲烷（4%～9%）、臭氧（3%～7%）。理論分析認(rèn)為不斷增加的水蒸氣導(dǎo)致溫度不斷上升，這又讓更多的水蒸氣被空氣所吸收，溫度升高和水蒸氣吸收成螺旋式增長(zhǎng)，同時(shí)水蒸氣反饋還能增強(qiáng)其他溫室氣體的升溫效果，因此水蒸氣被認(rèn)為是“被遺忘的溫室氣體”。

日本政府在2014年4月11口召開(kāi)的內(nèi)閣會(huì)議上通過(guò)了《能源基本發(fā)展計(jì)劃》，明確了二次能源結(jié)構(gòu)的狀態(tài)以及加速實(shí)現(xiàn)氫社會(huì)的措施。在能源基本發(fā)展計(jì)劃中，首次出現(xiàn)了“氫發(fā)電”。在該基本計(jì)劃中，對(duì)政府的燃料電池、氫事業(yè)也提出了數(shù)量目標(biāo)，2030年，家用燃料電池將達(dá)到530萬(wàn)臺(tái)，2015年，F(xiàn)CV用加氫站將達(dá)約100個(gè)。在發(fā)電部門(mén)，作為CO2排放少的技術(shù)之一，氫發(fā)電正在普及，高效率的采用閉路循環(huán)的純氫、純氧發(fā)電也有可能在2050年實(shí)用化。氫發(fā)電站與現(xiàn)在大部分的、大規(guī)?；鹆Πl(fā)電站一樣，基本建在港灣附近，使用罐供給氫的能源載體。中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部和國(guó)家能源局在《中國(guó)制造2025-能源裝備實(shí)施方案》中也把百千瓦級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)攻關(guān)和百千萬(wàn)至兆瓦級(jí)固體氧化物燃料電池（SOFC）發(fā)電分布式能源系統(tǒng)建設(shè)作為主要任務(wù)。沈浩明認(rèn)為，發(fā)展氫能和氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)需要發(fā)揮舉國(guó)之力，進(jìn)一步明確國(guó)家戰(zhàn)略導(dǎo)向，構(gòu)建高層次協(xié)調(diào)機(jī)制，在政策層面統(tǒng)一步調(diào)、形成合力、做好引導(dǎo)。2016年廣東佛山、云浮兩地開(kāi)始投入試運(yùn)營(yíng)的氫燃料電池公交車(chē)，采購(gòu)費(fèi)用約為500萬(wàn)／輛，雖然每輛氫能源汽車(chē)能享受?chē)?guó)家和地方的購(gòu)置補(bǔ)貼合計(jì)100萬(wàn)元，但價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)汽車(chē)和純電動(dòng)新能源汽車(chē)。試驗(yàn)認(rèn)為只有完善氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，特別是加氫站的建設(shè)，才能助推氫能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 研究設(shè)計(jì)

研究表明，化石燃料產(chǎn)生的煙氣中，一氧化氮約占90%以上，二氧化氮約占5%-10%，主要產(chǎn)生原因是燃料燃燒時(shí)，空氣中氮?dú)庠诟邷叵屡c氧氣反應(yīng)而產(chǎn)生，隨著反應(yīng)溫度升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增減，當(dāng)溫度小于1500℃時(shí)，基本無(wú)氮氧化物生成，當(dāng)溫度大于1500℃時(shí)，氮氧化物開(kāi)始生成，每增加100℃，反應(yīng)速率增大6-7倍。

可想而知，氫能的燃燒也能產(chǎn)生高溫，同樣存在產(chǎn)生氮氧化物的問(wèn)題，因此氫能的利用過(guò)程中存在環(huán)保問(wèn)題的約束。

在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，研究在約束條件下如何實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化是非常重要的理論，假設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)收益函數(shù)定義為γ（γ）=p（y）y（式中p為商品價(jià)格，y為商品種類(lèi)），環(huán)保約束條件成本為c（y），為簡(jiǎn)化期間，不考慮氫能生產(chǎn)的其他成本，氫能產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)最大化問(wèn)題就可以表示為：

maxγ（γ）-c（y）

s.t.c（y）≥0

它的一階條件是：

γ（γ）-c'（y）=0

這意味著，在氫能利用最佳處，應(yīng)是氫能邊際收益等于氫能環(huán)保邊際成本。

對(duì)收益函數(shù)進(jìn)行微分，可得到γ（γ）=p（y）+p（y）y，把該式帶人廠商的一階條件，就可達(dá)到以下的另外一種形式：

p（y）+p‘（y）y=c（y）

廠商利潤(rùn)最大化問(wèn)題的二階條件是：

y”（y）-c”（y）≤0

即：c”（y）≥y”（y）

這意味著氫能環(huán)保成本曲線(xiàn)的斜率大于等于氫能邊際收益曲線(xiàn)的斜率。

3 實(shí)證檢驗(yàn)

由于氫能用于發(fā)電的實(shí)驗(yàn)尚處于研究階段，無(wú)法開(kāi)展氫能電廠的煙氣監(jiān)測(cè)，但可類(lèi)比現(xiàn)有的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備，對(duì)利用天然氣（甲烷）燃燒發(fā)電后的排煙溫度和氮氧化物濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用以判斷氫能發(fā)電潛在的環(huán)保問(wèn)題。

對(duì)某燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度和氮氧化物排放濃度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從表1中可看出：當(dāng)天然氣（甲烷）用于燃?xì)獍l(fā)電，存在排煙溫度較高和氮氧化物高濃度排放的問(wèn)題，可以推定，當(dāng)氫能用于燃?xì)獍l(fā)電，也會(huì)存在與天然氣發(fā)電相同的環(huán)保問(wèn)題。

另一方面，1克氫氣燃燒產(chǎn)生9克水蒸氣，1克甲烷燃燒產(chǎn)生2.25克水蒸氣，即等質(zhì)量氫氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣質(zhì)量是甲烷的4倍。如果全社會(huì)全部使用氫能發(fā)電，必將在環(huán)境中產(chǎn)生大量的水蒸氣，假如環(huán)境空氣中存在細(xì)顆粒物（PM2.5）、二氧化硫、氮氧化物、VOCs等污染物，它們與水蒸氣結(jié)合將形成霧霾，即水蒸氣是形成霧霾的重要前體物。

近來(lái)更有研究表明，氫氣一旦發(fā)生泄漏，升到高空后會(huì)與臭氧反應(yīng)，可能會(huì)大面積破壞臭氧層，這將使得太陽(yáng)產(chǎn)生的紫外線(xiàn)通過(guò)臭氧空洞直接照射地面對(duì)動(dòng)植物和人類(lèi)造成傷害。

4 結(jié)論

在環(huán)保的視角下，氫能作為二次能源，從源頭生產(chǎn)、過(guò)程利用和末端排放等方面都存在很大的不確定性，在環(huán)保諸多因素的約束條件下，氫能如何實(shí)現(xiàn)最大化利用，在經(jīng)濟(jì)學(xué)方面和科技方面都需要深入探究，中國(guó)政府開(kāi)展質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的研發(fā)以及日本豐田汽車(chē)公司對(duì)氫能的商業(yè)化利用，都只是把氫能在燃料電池方面進(jìn)行了應(yīng)用，由于電化學(xué)反應(yīng)溫度低，且產(chǎn)生的水量較少并呈液態(tài)，尚不至于對(duì)環(huán)境空氣造成危害，而一旦氫能用于“氫發(fā)電”或“氫社會(huì)”建設(shè)，其潛在的環(huán)境危害需要經(jīng)過(guò)科學(xué)驗(yàn)證，逐步開(kāi)發(fā)，切莫急功近利。