氫能源的利用現(xiàn)狀分析

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氫能源的利用現(xiàn)狀分析

趙永志1，蒙波1，陳霖新2，王賡3，鄭津洋1，顧超華1，張?chǎng)?，張俊峰1

（1浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江杭州 310027；2中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院，北京 100840；3中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191 ）

氫能是公認(rèn)的清潔能源，它具有儲(chǔ)運(yùn)方便、利用途徑多樣、高利用率及來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，可為解決能源危機(jī)、全球變暖和環(huán)境污染提供幫助。當(dāng)前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已將氫能列為國(guó)家能源體系中的重要組成部分，我國(guó)在氫能的研究及產(chǎn)業(yè)化方面也投入巨大。本文綜合考慮氫能在能源和化工領(lǐng)域的應(yīng)用，較為全面地總結(jié)了氫能作為清潔能源在燃料電池汽車、分布式發(fā)電、燃料電池叉車和應(yīng)急電源，作為能源載體在可再生能源消納以及作為重要化工原料在油品質(zhì)量升級(jí)和煤制清潔能源各方面的國(guó)內(nèi)外利用現(xiàn)狀，分析明確了氫清潔能源的利用是目前推動(dòng)氫能發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑲淠茉摧d體的利用有助于可再生能源和氫能的協(xié)同發(fā)展，而氫化工原料的利用則是目前最有希望實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)模化利用的有效途徑，同時(shí)指出氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)和燃料電池技術(shù)依然是制約氫能發(fā)展的關(guān)鍵因素。

氫能；清潔能源；能源載體；化工原料

煤、石油、天然氣等化石能源是當(dāng)今社會(huì)的能源消耗主體，隨著消費(fèi)總量的不斷提高，正面臨儲(chǔ)量減少，開采難度加大，生產(chǎn)邊際成本上升的困境。研究認(rèn)為，2020年之前，全球石油產(chǎn)量將到達(dá)頂點(diǎn)，天然氣產(chǎn)量的頂點(diǎn)也將在不久之后到達(dá)，隨之而來(lái)的供不應(yīng)求勢(shì)必導(dǎo)致世界范圍內(nèi)石油和天然氣價(jià)格的飛漲。面對(duì)這樣的能源危機(jī)，人們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)？

全球變暖和環(huán)境污染對(duì)能源的使用提出了新的要求，由其導(dǎo)致的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、海嘯等災(zāi)害，暴雨、暴雪、高溫、霧霾、酸雨等極端天氣時(shí)有發(fā)生，控制溫室氣體和污染物的排放已迫在眉睫。面對(duì)全球日益嚴(yán)峻的減排任務(wù)，人們又該如何應(yīng)對(duì)？

氫能，是公認(rèn)的清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源[1-2]，它有助于解決能源危機(jī)、全球變暖以及環(huán)境污染，其開發(fā)利用得到了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。本文將圍繞氫能的利用展開，在確定氫能的戰(zhàn)略定位之后，討論了氫作為清潔能源、能源載體以及化工原料的應(yīng)用，較為全面地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外氫能的利用現(xiàn)狀，總結(jié)面臨的挑戰(zhàn)的同時(shí)提出涵蓋能源和化工領(lǐng)域的氫能發(fā)展方式是推動(dòng)氫能全面發(fā)展的重要途徑。

1 氫能的戰(zhàn)略定位

2001年，在一個(gè)由聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署發(fā)起的論壇上，皇家荷蘭殼牌公司的主席菲爾·瓦特說(shuō)[3]：“石油和天然氣是最重要的礦物燃料，它們?cè)?jīng)把整個(gè)世界推進(jìn)了工業(yè)時(shí)代，但21世紀(jì)它們將為以氫經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的能源新制度革命讓出發(fā)展空間。”縱觀全球，自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，氫能的開發(fā)利用步伐逐漸加快，尤其是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，都將氫能列為國(guó)家能源體系中的重要組成部分，人們對(duì)其寄予了極大的希望和熱忱。

氫具有清潔無(wú)污染、儲(chǔ)運(yùn)方便、利用率高、可通過(guò)燃料電池把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的特點(diǎn)，同時(shí)，氫的來(lái)源廣泛，制取途徑多樣[4]。這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在能源和化工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，集中表現(xiàn)為3個(gè)方面，如圖1所示。首先，氫能是一種理想的清潔能源。不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)物只有水，且效率高。隨著燃料電池技術(shù)的不斷完善，以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)將使氫能的清潔利用得到最大發(fā)揮，主要表現(xiàn)在氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、氫燃料電池叉車和應(yīng)急電源產(chǎn)業(yè)化初現(xiàn)端倪。其次，氫能是一種良好的能源載體，具有清潔高效、便于存儲(chǔ)和輸運(yùn)的特點(diǎn)。可再生能源，特別是風(fēng)能和太陽(yáng)能在近十年來(lái)發(fā)展迅猛，但由于本身的不穩(wěn)定，導(dǎo)致其電力上網(wǎng)難，出現(xiàn)大量的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了它們的發(fā)展。將多余電量用于電解制氫，可大規(guī)模消納風(fēng)能、太陽(yáng)能，制得的氫既可作為清潔能源直接利用，還能摻入到天然氣中經(jīng)天然氣管網(wǎng)輸運(yùn)并利用。最后，氫氣還是化石能源清潔利用的重要原料。成熟的化石能源清潔利用技術(shù)對(duì)氫氣的需求量巨大，其中包括煉油化工過(guò)程中的催化重整、加氫精制以及煤清潔利用過(guò)程中的煤制氣加氫氣化、煤制油直接液化等工藝過(guò)程，推進(jìn)氫能在這些方面的應(yīng)用有望加速氫能的規(guī)模化利用。

2 以燃料電池為核心的氫能應(yīng)用

氫能是一種理想的清潔能源，其在燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用是發(fā)展氫能清潔利用的關(guān)鍵。燃料電池是將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有轉(zhuǎn)換效率高、零排放等特點(diǎn)，是最佳的氫能利用技術(shù)。近年來(lái)，燃料電池技術(shù)的不斷完善帶動(dòng)了以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發(fā)電、氫燃料電池叉車以及應(yīng)急電源的應(yīng)用已接近產(chǎn)業(yè)化。

2.1 氫燃料電池汽車

汽車是人類邁向工業(yè)時(shí)代的重要標(biāo)志，是社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。然而，傳統(tǒng)車用燃料面臨緊缺，且產(chǎn)生的汽車尾氣是導(dǎo)致全球變暖和環(huán)境污染的主要因素之一，這使得汽車工業(yè)找到新的技術(shù)以替代傳統(tǒng)的燃油技術(shù)并降低污染物排放變得尤為緊迫。氫燃料電池汽車（FCEV）可實(shí)現(xiàn)真正的零排放、零污染，是傳統(tǒng)燃油汽車?yán)硐氲奶娲罚彩菤淠芮鍧嵗玫闹饕绞剑瑘D2給出了一種燃料電池汽車的概念設(shè)計(jì)圖[5]。

目前，交通用燃料電池的批量生產(chǎn)成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW[6]，這大大加速了氫燃料電池汽車的推廣。2013年3月，現(xiàn)代汽車ix35燃料電池車批產(chǎn)型號(hào)在韓國(guó)蔚山工廠下線[7]，現(xiàn)代成為全球首個(gè)批量生產(chǎn)氫燃料電池車的汽車企業(yè)。同年，日本三大車企分別與其它巨頭結(jié)盟，推進(jìn)燃料電池汽車的商業(yè)化，它們是豐田和寶馬、本田和通用、日產(chǎn)和戴姆勒及福特，先后計(jì)劃于2015—2017年期間實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車上 市[8]，其中，豐田燃料電池汽車mirai已于2014年12月15日正式上市銷售[9]。在國(guó)內(nèi)，氫燃料電池汽車開發(fā)也緊隨其步，在北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)及深圳大運(yùn)會(huì)期間都開展了燃料電池汽車的示范項(xiàng)目[10]。特別是2014年3月，上海汽車集團(tuán)與德國(guó)大眾汽車簽署聯(lián)合聲明，雙方將開展燃料電池技術(shù)合作，并宣布于2015年推出80輛燃料電池汽車，進(jìn)入商業(yè)化示范階段[11]。

然而，氫的制取與儲(chǔ)運(yùn)、燃料電池性能的提高、以及加氫站的建設(shè)等問(wèn)題仍是制約燃料電池汽車發(fā)展的主要因素，在產(chǎn)業(yè)初期，僅靠企業(yè)一己之力很難取得長(zhǎng)足進(jìn)步，還需很大程度依靠政府部門相關(guān)政策頒布及資金投入方面的支持。

2.2 分布式發(fā)電

分布式發(fā)電一般是指靠近最終用戶或者就在最終用戶處（工廠、商業(yè)企業(yè)、公共建筑、街區(qū)、私人住戶）的集成或者單機(jī)的小型發(fā)電裝置。它具有利用技術(shù)種類多、發(fā)電規(guī)模可大可小、設(shè)備容易安裝及可滿足不同需求等優(yōu)點(diǎn)，可為工業(yè)、商業(yè)和住宅的供電問(wèn)題提供解決方案。

目前，以燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開始初步商業(yè)化。其中，日本的家用燃料電池發(fā)展領(lǐng)先于世界，截至2013年10月，家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（CHP）安裝量已達(dá)57000套，單套售價(jià)也已從2009年的350萬(wàn)日元降至今日的200萬(wàn)日元左右，有望至2016年降至（70～80）萬(wàn)日元，到時(shí)可完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[8]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）是現(xiàn)有家用CHP最常用的燃料電池類型。CHP的安裝方式主要分為兩類，即離網(wǎng)和并網(wǎng)安裝，前者為避免受負(fù)載波動(dòng)的影響，使得系統(tǒng)的復(fù)雜性和價(jià)格提高，而后者可在用電高峰階段實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)補(bǔ)充供電，當(dāng)用電量較少時(shí)可向電網(wǎng)輸入多余電量，為了得到更高的效率，熱存儲(chǔ)單元對(duì)于兩者都是不可或缺的，圖3給出了并網(wǎng)安裝的家用CHP示意圖[12]。此外，燃料電池在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程領(lǐng)域的應(yīng)用正在開發(fā)中[13-14]，美國(guó)能源部資助項(xiàng)目“FutureGen”中SOFC與熱機(jī)的300kW級(jí)工程示范裝置發(fā)電效率達(dá)52%，熱電聯(lián)供后效率可達(dá)到80%以上[15]。在我國(guó)，國(guó)家能源局于2014年4月下發(fā)豁免部分發(fā)電項(xiàng)目電力業(yè)務(wù)許可證的通知，為包括分布式發(fā)電等在內(nèi)的分布式能源、清潔能源發(fā)展創(chuàng)造了相對(duì)寬松的環(huán)境，可有效推動(dòng)國(guó)內(nèi)燃料電池分布式發(fā)電的發(fā)展。

將燃料電池系統(tǒng)的壽命提高到80000h是目前發(fā)展燃料電池分布式發(fā)電最具挑戰(zhàn)的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)燃料電池的耐久性和成本指標(biāo)，估計(jì)到2020年燃料電池在世界范圍內(nèi)分布式發(fā)電領(lǐng)域的占有量將高達(dá)50%[16]，這為電力供應(yīng)提供了新的途徑，同時(shí)提高了供電質(zhì)量和可靠性，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

2.3 氫燃料電池叉車

叉車是物流行業(yè)中必不可少的搬運(yùn)工，是工業(yè)車輛中的重要設(shè)備，但同汽車一樣，大多數(shù)叉車依然使用化石燃料提供動(dòng)力，產(chǎn)生的尾氣對(duì)環(huán)境造成了很大的破壞。保守估計(jì)，我國(guó)內(nèi)燃叉車保有量約35萬(wàn)臺(tái)，叉車參與的所有環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量，總量估計(jì)高達(dá)上千萬(wàn)噸[17]，因此，將零排放的燃料電池用于叉車行業(yè)的環(huán)境效益顯著，而且，有相關(guān)報(bào)道表明燃料電池叉車的效率可在內(nèi)燃叉車的基礎(chǔ)上提高30%～50%[18]。

目前，燃料電池叉車在發(fā)達(dá)國(guó)家中的使用已經(jīng)開始。2005年，產(chǎn)自豐田的世界首臺(tái)FCHV-F型燃料電池叉車在德國(guó)漢諾威舉行的世界最大國(guó)際物流展上亮相，隨后，美國(guó)Cat公司、德國(guó)STILL叉車公司、美國(guó)Crown公司、美國(guó)Raymond公司等紛紛推出自己的燃料電池叉車。其中美國(guó)Plug Power公司的GenDrive 1990燃料電池可完美取代電動(dòng)叉車的蓄電池，其客戶名單包括寶馬、可口可樂(lè)、聯(lián)邦快遞等大公司[19]，據(jù)《FUEL CELL 2000》2013年4月研究報(bào)告，目前北美地區(qū)有3500輛燃料電池叉車在用，其中Plug Power公司占有北美燃料電池叉車市場(chǎng)85%的份額。反觀國(guó)內(nèi)叉車市場(chǎng)，內(nèi)燃叉車仍占據(jù)主導(dǎo)地位，燃料電池叉車的研發(fā)也才剛剛起步，未來(lái)還有很大的發(fā)展空間。

除具有與燃料電池汽車零排放的相同特點(diǎn)之外，燃料電池叉車的使用相對(duì)集中，因此方便實(shí)現(xiàn)燃料的集中供給，這將大大減少加氫站建設(shè)方面的投入，這也是燃料電池叉車發(fā)展領(lǐng)先汽車的主要原因。

2.4 應(yīng)急電源

信息技術(shù)部門、銀行、醫(yī)院等重要企業(yè)或機(jī)構(gòu)與人們的日常生活息息相關(guān)，關(guān)乎每個(gè)人的切身利益，為了在發(fā)生電力供應(yīng)不足或中斷的情況下能夠保證這些部門繼續(xù)正常工作，要求必須備有強(qiáng)大的應(yīng)急電源系統(tǒng)。常用應(yīng)急電源系統(tǒng)包括鉛酸蓄電池組和移動(dòng)油機(jī)。但是，鉛酸蓄電池組笨重、備電時(shí)間有限且不確定、容易造成環(huán)境污染、對(duì)環(huán)境溫度要求苛刻；移動(dòng)油機(jī)后勤保障復(fù)雜、易造成廢氣污染和噪聲污染等。相比之下，氫燃料電池，以其具有的能源效率高、環(huán)境友好、占地面積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)（鉛酸蓄電池的2～10倍[20]）等特點(diǎn)開始受到應(yīng)急電源市場(chǎng)越來(lái)越多的青睞。

將氫燃料電池應(yīng)用于應(yīng)急電源的企業(yè)眾多，比如蘋果公司、微軟公司、威瑞森公司、AT&T公司、奧巴哈第一國(guó)家銀行等。尤其是通信用燃料電池應(yīng)急/備用電源，已成熟商業(yè)化應(yīng)用5年以上，應(yīng)用規(guī)模達(dá)到了近萬(wàn)套級(jí)，我國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商已有百余套燃料電池備用電源投入使用[21]。而且，燃料電池應(yīng)急電源的可靠性也在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證，2012年10月25號(hào)ElectraGen?-ME 燃料電池系統(tǒng)為在受颶風(fēng)桑迪影響的新普羅維斯登群島上的手機(jī)服務(wù)領(lǐng)域挽回了大約50%的損失[22]。2012年攀業(yè)公司在中國(guó)移動(dòng)開設(shè)的首個(gè)燃料電池試驗(yàn)局PBP-3000運(yùn)營(yíng)至今，期間經(jīng)歷了沙塵暴、降雪等惡劣天氣，運(yùn)行依然穩(wěn)定[23]。

燃料電池的穩(wěn)定可靠性是其在應(yīng)急電源領(lǐng)域推廣的重要優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然，成本因素仍是限制其規(guī)模化應(yīng)用的主要原因，可以設(shè)想，隨燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)成本繼續(xù)降低，燃料電池在應(yīng)急電源領(lǐng)域的應(yīng)用也將進(jìn)一步加大。

3 以氫為載體的可再生能源應(yīng)用

風(fēng)能、太陽(yáng)能的開發(fā)利用受間歇性和不可預(yù)測(cè)性的影響，造成大量能源的浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了它們的發(fā)展。氫能是一種良好的能源載體，通過(guò)電解制氫的方式將風(fēng)電、光伏電轉(zhuǎn)化為氫氣可提高風(fēng)能、太陽(yáng)能的使用量和利用效率[24-25]，制得的氫氣可直接利用，還可摻入現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模輸運(yùn)和利用，其流程如圖4所示。

3.1 可再生能源消納

近年來(lái)，可再生能源特別是風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)展迅猛，已成為部分國(guó)家和地區(qū)的重要能源之一。2013年，全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量為35GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到318.12GW，其中，我國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量16.09GW，累計(jì)裝機(jī)容量為91.4GW，居世界第一位[26]；同年，全球太陽(yáng)能光伏新增裝機(jī)容量超過(guò)36GW，累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)132GW，其中我國(guó)新增并網(wǎng)裝機(jī)容量11.3GW，累計(jì)裝機(jī)容量18.1GW，亦居世界第一位[27]。然而，風(fēng)能、太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重的棄電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年單就我國(guó)已運(yùn)營(yíng)的風(fēng)場(chǎng)“棄風(fēng)”量就超過(guò)162億千瓦時(shí)，棄風(fēng)率達(dá)到10.74%[26]。

發(fā)展可再生能源，儲(chǔ)能是關(guān)鍵[28]。可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括蓄電池蓄能、壓縮空氣蓄能、抽水蓄能及氫儲(chǔ)能技術(shù)，其各自特點(diǎn)如表1所示，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫儲(chǔ)能技術(shù)的成本得到控制，相較于其他儲(chǔ)能技術(shù)，將具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，許多國(guó)家已開始借用氫儲(chǔ)能技術(shù)消納可再生能源的方式來(lái)推動(dòng)可再生能源發(fā)展。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)的比較

法國(guó)阿海琺集團(tuán)的“MYRTE”項(xiàng)目，集成了氫能系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏電廠，在科西嘉島運(yùn)作，旨在通過(guò)調(diào)峰和平穩(wěn)光伏電廠負(fù)載來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)。歐盟的資助項(xiàng)目“NGRID”，包括1MW的電解槽和儲(chǔ)氫容量達(dá)33MW?h的金屬氫化物，計(jì)劃將在意大利運(yùn)行。此外，加拿大、美國(guó)、英國(guó)、西班牙、挪威等國(guó)，都有氫儲(chǔ)能技術(shù)的示范項(xiàng)目運(yùn)行[29-33]。國(guó)內(nèi)也開展了一些氫消納可再生能源的示范項(xiàng)目，2010年年底，在江蘇沿海建成了首個(gè)非并網(wǎng)風(fēng)電制氫示范工程[34]，利用1臺(tái)30kW的風(fēng)機(jī)直接給新型電解水制氫裝置供電，日產(chǎn)氫氣120m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。2013年11月，河北建投集團(tuán)與德國(guó)邁克菲能源公司和歐洲安能公司簽署了關(guān)于共同投建河北省首個(gè)風(fēng)電 制氫示范項(xiàng)目的合作意向書，其中包括建設(shè)100MW的風(fēng)電場(chǎng)、10MW的電解槽和氫能綜合利用裝置[35]。

氫儲(chǔ)能技術(shù)巧妙地結(jié)合了可再生能源和氫能的共同發(fā)展，與當(dāng)前人們追求可再生能源及清潔能源的利用趨勢(shì)一致。目前，其高昂的投資成本及關(guān)鍵裝置燃料電池、氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備之間的配置與優(yōu)化等問(wèn)題是限制其發(fā)展的主要因素，當(dāng)各環(huán)節(jié)進(jìn)一步發(fā)展，制氫成本最終得到控制時(shí)，其發(fā)展?jié)摿薮螅型〈鷤鹘y(tǒng)制氫，成為既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的制氫方式。此外，制得的氫氣可直接摻入到現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸運(yùn)，這很大程度上減少了氫能的輸運(yùn)成本，有助于推動(dòng)氫能的大規(guī)模使用。

3.2 可再生能源制得氫氣摻入天然氣的利用

利用可再生能源制氫，可制得大量的氫氣。按照2013年的“棄風(fēng)”量計(jì)算，保守估計(jì)可制得23.7億立方米氫氣。對(duì)于這些氫氣，研究者不得不面臨它的輸運(yùn)問(wèn)題。常用的輸氫方式有長(zhǎng)管拖車、液氫罐車及管道輸運(yùn)，然而，前兩者輸運(yùn)規(guī)模小，且成本高，后者的建設(shè)耗時(shí)耗財(cái)巨大。因此，將可再生能源制得的氫氣摻入到天然氣，組成摻氫天然氣（HCNG），再通過(guò)現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送的方式的提出受到了國(guó)際上廣泛的關(guān)注，被認(rèn)為是目前大規(guī)模輸氫的最佳選擇。研究發(fā)現(xiàn)，將氫氣的摻入體積分?jǐn)?shù)控制在17%以下時(shí)，基本不會(huì)對(duì)天然氣管網(wǎng)造成影響[36-37]。

國(guó)際上專門針對(duì)HCNG開展了一些研究工作。2004—2009年期間，由歐洲委員會(huì)支撐的“NATURALHY”項(xiàng)目比較系統(tǒng)的研究了氫氣摻入對(duì)整個(gè)天然氣系統(tǒng)的影響[38]。2008—2011年，在荷蘭的Ameland開展了有關(guān)將風(fēng)電氫摻入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)的研究，其中2010年年均氫氣摻入體積分?jǐn)?shù)高達(dá)12%[39]。此外，美國(guó)能源部（DOE）也對(duì)HCNG投入了大量的研究[40-41]。在德國(guó)的Falkenhagen，一個(gè)具有2MW“電轉(zhuǎn)氫”能力的示范電廠于2013年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線[42]。法國(guó)環(huán)境與能源控制署（ADEME）贊助的“GRHYD”項(xiàng)目也是將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分?jǐn)?shù)最高將達(dá)到20%[43]。然而，要開展天然氣管道輸送HCNG，受管道材料、管道配件、天然氣成分及地理環(huán)境的影響，選取合適的摻氫體積分?jǐn)?shù)依然是研究的重點(diǎn)。

HCNG用途廣泛，可用作交通燃料、清潔燃?xì)夂凸I(yè)爐燃料，其中，交通燃料的使用是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，使用氫氣體積分?jǐn)?shù)20%的HCNG的國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到國(guó)Ⅳ要求[34]。倘若實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模HCNG的利用，其不僅帶來(lái)良好的環(huán)境效益，更有希望緩解我國(guó)東部地區(qū)天然氣儲(chǔ)量不足的現(xiàn)狀。

4 氫在化石能源清潔利用中的應(yīng)用

氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)境污染成為全球性的危機(jī)，主要責(zé)任歸咎于化石能源的使用。為了倡導(dǎo)清潔能源的高效利用，控制碳排放量，化石燃料的清潔利用至關(guān)重要。油品質(zhì)量升級(jí)和煤制清潔能源是化石能源清潔利用的主要途徑，而加氫則是這些過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[44-46]。

4.1 油品質(zhì)量升級(jí)

原油是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，然而因其不可再生性使之儲(chǔ)量日益減少，開采難度逐年加大且質(zhì)量不斷降低。特別是最近十年，我國(guó)煉油行業(yè)加工高硫和重質(zhì)原油的比例越來(lái)越大，原油重質(zhì)化和劣質(zhì)化的趨勢(shì)越發(fā)明顯，但與此同時(shí)為追求環(huán)境效益，國(guó)家對(duì)油品質(zhì)量提出了更高的要求，因此迫切需要提高原油加工深度以提高油品質(zhì)量。

氫氣是煉油企業(yè)提高輕油收率、改善產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的原料。煉油過(guò)程中的耗氫主要集中在催化重整和加氫精制工藝，如圖5和圖6所示[47]。整個(gè)過(guò)程的氫耗一般介于原油質(zhì)量的0.8%～1.4%，如果按照2015年我國(guó)預(yù)計(jì)的7億噸煉油能力計(jì)算[48]，當(dāng)氫耗取原油質(zhì)量的1%時(shí)，耗氫量高達(dá)700萬(wàn)噸。而隨著煉廠各種臨氫工藝的快速發(fā)展，加氫裝置數(shù)量的不斷增多，氫氣的需量將進(jìn)一步加大。目前，氫氣成本已是煉廠原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素[49]。

面對(duì)如此巨大的氫氣需求量，選擇經(jīng)濟(jì)的制氫方式至關(guān)重要，目前，全球范圍內(nèi)煉油企業(yè)中的90%制氫裝置都采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法，但考慮到化石能源的減少以及可再生能源制氫成本的下降，由可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來(lái)源，這不但具有潛在的成本優(yōu)勢(shì)，而且環(huán)境效益明顯。

4.2 煤制清潔能源

我國(guó)呈現(xiàn)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展煤制清潔能源，被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的路徑之一，具有重要的戰(zhàn)略意義。

煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑[50]。其中，煤制氣的加氫氣化過(guò)程以及煤制油直接液化過(guò)程中需要通入大量的氫氣，具體工藝見圖7和圖8[51-52]。僅以神華煤炭直接液化項(xiàng)目為例，按照優(yōu)化后的工藝計(jì)算，每單位小時(shí)處理250t干煤的耗氫量就高達(dá)19.186t/h[53]。

由國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020）》中明確指出，要穩(wěn)妥實(shí)施和推進(jìn)煤制氣、煤制油示范工程和技術(shù)研發(fā)。目前，我國(guó)已投產(chǎn)的煤制氣項(xiàng)目產(chǎn)能約40億立方米，預(yù)計(jì)到2020年其產(chǎn)能將達(dá)到600億立方米[54]。有關(guān)煤制油，僅2014年就有多個(gè)百萬(wàn)噸級(jí)甚至600萬(wàn)噸級(jí)的項(xiàng)目獲得國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)的審批[55]。隨著示范項(xiàng)目的陸續(xù)成功投產(chǎn)，煤制氣、煤制油項(xiàng)目的投入力度將進(jìn)一步加大，屆時(shí)氫氣的需求量也將大大增加，對(duì)推動(dòng)氫氣的規(guī)模化利用作用明顯。類似于油品質(zhì)量升級(jí)過(guò)程中的氫氣來(lái)源，當(dāng)煤制清潔能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，使用由可再生能源制得的氫氣依然是較好的選擇。

在現(xiàn)有條件下，油品質(zhì)量升級(jí)及煤制清潔能源工藝基本完善，并考慮到其過(guò)程對(duì)大量氫氣的需求，使得氫氣作為化工原料在該領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)有條件下推進(jìn)氫能規(guī)模化利用的最佳方式。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）涵蓋能源和化工領(lǐng)域的氫能利用是推動(dòng)氫能全面發(fā)展的重要途徑，其主要包括在清潔能源、能源載體以及化工原料3個(gè)方面的應(yīng)用。首先，氫作為清潔能源的利用是當(dāng)今世界上發(fā)展最快、環(huán)境效益最佳的氫能利用途徑，也是目前推動(dòng)氫能快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ黄浯危瑲渥鳛槟茉摧d體用來(lái)消納可再生能源的利用已在全球開始推廣，有助于可再生能源和氫能的協(xié)同發(fā)展，利用前景廣闊；最后，氫氣作為化石能源清潔利用的重要原料，需求量巨大，是現(xiàn)有條件下加速氫能規(guī)模化利用的關(guān)鍵。

（2）氫的制取與儲(chǔ)運(yùn)、燃料電池性能的提高與成本的降低、以及加氫站的建設(shè)等問(wèn)題是目前限制以燃料電池為核心的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素，解決這些問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

（3）氫能助推可再生能源的發(fā)展，解決氫的經(jīng)濟(jì)性制取及大規(guī)模輸運(yùn)是關(guān)鍵，其中，將可再生能源制得的氫氣摻入到現(xiàn)有天然氣管道的輸送方式被認(rèn)為是現(xiàn)階段最有效的輸氫方式，但選取合適的摻氫體積分?jǐn)?shù)受多種因素影響，因地而異。

（4）當(dāng)可再生能源制氫的成本得到控制，將可再生能源制得的氫氣作為化石能源清潔利用的原料具有明顯的環(huán)境效益和成本優(yōu)勢(shì)。

[1] Ghosh T K，Prelas M A. Energy Resources and Systems：Renewable Resources (Volume 2)[M]. Columbia：Springer，2011：495-629.

[2] Lu J，Zahedi A，Yang C，et al. Building the hydrogen economy in China：Drivers，resources and technologies[J].，2013，23：543-556.

[3] Rifkin J. The Hydrogen Economy：The Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth[M]. New York：Penguin，2003.

[4] Romm J J. The Hype about Hydrogen：Fact and Fiction in the Race to Save the Climate[M]. Washington：Island Press，2004：1-89.

[5] Zorpette G. Super charged[J].，2005，42：32-37.

[6] IPHE. Final Report：IPHE Workshop“hydrogen-a competitive energy storage medium for large scale integration of renewable electricity”[R]. 2012. http：//www.iphe.net/docs/Events/Seville_11-12/Workshop/ Programme/IPHE%20Workshop%20H2_energy_storage_Final_Programme_17_11_2012.pdf.

[7] 佚名. 韓國(guó)現(xiàn)代舉行氫燃料電池車量產(chǎn)儀式[J]. 汽車與配件，2013（14）：8.

[8] IPHE中國(guó)聯(lián)絡(luò)辦公室. 第二十次國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)和燃料電池伙伴計(jì)劃指導(dǎo)委員會(huì)會(huì)議報(bào)[EB/OL]. [2014-10-05]. http：//www.china- hydrogen.org/IPHE/2013-12-25/2968.html.

[9] 樂(lè)紹延. 豐田燃料電池汽車正式上市銷售[EB/OL]. [2015-03-17]. http：//news.xinhuanet.com/fortune/2014-12/15/c_1113651328.htm.

[10] Han W，Zhang G，Xiao J，et al. Demonstrations and marketing strategies of hydrogen fuel cell vehicles in China[J].，2014，39（25）：13859-13872.

[11] 李艷嬌. 氫燃料電池車2015年扎堆上市[EB/OL]. [2015-03-18].http：//www.chinasmartgrid.com.cn/news/20140410/502757.shtml.

[12] Elmer T，Worall M，Wu S，et al. Fuel cell technology for domestic built environment applications：State of-the-art review[J].，2015，42：913-931.

[13] Tanino T，Nara Y，Tsujiguchi T，et al. Coproduction of acetic acid and electricity by application of microbial fuel cell technology to vinegar fermentation[J].，2013，116（2）：219-223.

[14] Alcaide F，Cabot P L，Brillas E. Fuel cells for chemicals and energy cogeneration[J].，2006，153（1）：47-60.

[15] 郭建偉，馬小瓊. 燃料電池對(duì)未來(lái)電力工業(yè)發(fā)展的影響[J]. 現(xiàn)代電力，2007，24（5）：29-33.

[16] Bauen A，Hart D，Chase A. Fuel cells for distributed generation in developing countries-an analysis[J].，2003，28（7）：695-701.

[17] 胡揚(yáng)波. 叉車的綠色環(huán)保與低碳舉措[J]. 物流，2010（7）：49-53.

[18] 俞劍敏. 新能源叉車的推廣[J]. 現(xiàn)代制造，2009（43）：16.

[19] 楊敏，裴向前，鄭建龍. 燃料電池叉車的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 物流技術(shù)：裝備版，2013（10）：41-46.

[20] Sharaf O Z，Orhan M F. An overview of fuel cell technology：Fundamentals and applications[J].，2014，32：810-853.

[21] 肖展，詹劍. 燃料電池技術(shù)在通信行業(yè)的應(yīng)用[J]. 通信電源技術(shù)，2014，31：99-112.

[22] 中國(guó)氫能源網(wǎng). 巴拉德為巴哈馬電信公司提供的備用電源助其順利挺過(guò)颶風(fēng)桑迪[EB/OL]. [2015-03-18]. http：//www.china-hydrogen. org/fuelcell/mix/2013-03-20/2403.html.

[23] 上海攀業(yè)氫能源科技有限公司. 通信用燃料電池備用電源[R/OL]. [2015-03-18]. http：//wenku.baidu.com/link?url= qKYxyPd3 gHcUuZH1p2reaaQ_W5noHL7XqTet_v6yBWak_dZi_F4P7b3_l4i26pL-MGjVLHRKu-c-2plKa3JvKk-m4Fhh3fRLviQp78GAj3a.

[24] Momirlan M，VezirogluT N. Current status of hydrogen energy[J].，2002，6（1）：141-179.

[25] Garmsiri S，Rosen M A，Smith G R. Integration of wind energy，hydrogen and natural gas pipeline systems to meet community and transportation energy needs：A parametric study[J].，2014，6（5）：2506-2526.

[26] 李俊峰，蔡豐波，喬黎明，等. 2014中國(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2014.

[27] BigGeorge. 2013年全球光伏新增裝機(jī)，亞洲首次占居世界首位[EB/OL]. [2014-10-09]. http：//www.solarzoom.com/article-47196-1. html.

[28] Kroniger D，Madlener R. Hydrogen storage for wind parks：A real options evalution for an optimal investment in more flexibility[J].，2014，136：931-946.

[29] Khan M J，Iqbal M T. Pre-feasibility study of stand-alone hybrid energy systems for applications in Newfoundland[J].，2005，30（6）：835-854.

[30] Gahleitner G.Hydrogen from renewable electricity：An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications[J].，2013，38（5）：2039-2061.

[31] Porto M R，Aguado M，Garde R，et al. H2Production from wind power in a wind farm in spain[J].，2012，6（1）：49-59.

[33] Korp?s M，Greiner C J. Opportunities for hydrogen production in connection with wind power in weak grids[J].，2008，33（6）：1199-1208.

[34] 顧為東，張萍，顏?zhàn)坑? 中國(guó)·沿海（京滬）氫能高速公路示范區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 宏觀經(jīng)濟(jì)研究，2012（1）：21-79.

[35] 北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng). 中德聯(lián)手?jǐn)M開發(fā)河北省首個(gè)風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目[EB/OL]. [2015-03-18]. http：//news.bjx.com.cn/html/20131107/ 470745. shtml.

[36] Gondal I A，Sahir M H. Prospects of natural gas pipeline infrastructure in hydrogen transportation[J].，2012，36（15）：1338-1345.

[37] Dries H，William D. The use of the natural-gas pipeline infracture for hydrogen transport in a changing market structure[J].，2007，32（10）：1381-1386.

[38] European Union. Using the existing natural gas system for hydrogen[R]. 2009. http：//issuu.com/exergia/docs/naturalhy_ brochure?e=1774604/5468248.

[39] Kippers M J，De Laat J C，Hermkens R J M，et al. International Gas Research Conference Proceedings[C]. North Miami Beach：Curran Associates，Inc.，2011.

[40] Melaina M W，Antonia O，Penev M. Blending hydrogen into natural gas pipeline networks：A review of key issues[R]. 2013. http：// energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f11/blending_h2_nat_gas_pipeline.pdf.

[41] Suzuki T，Kawabata S，Tomita T. Present status of hydrogen transport systems：Utilizing existing natural gas supply infrastructures in Europe and the USA[R]. 2005. http：//eneken.ieej.or.jp/en/data/ pdf/305.pdf.

[42] The Daily Fusion. Green hydrogen injected into natural gas system for the first time[EB/OL]. [2014-10-11]. http：//dailyfusion.net/2013/ 06/green-hydrogen-injected-into-natural -gas -system-for-the-first- time-11594.

[43] Anon. McPhy energy role in French power-to-gas GRHYD programme[N].，2014-02（9-10）.

[44] Jarullah A T，Mujtaba I M，Wood A S. Improving fuel quality by whole crude oil hydrotreating：A kinetic model for hydrodeasphaltenization in a trickle bed reactor[J].，2012，94：182-191.

[45] 費(fèi)紀(jì)川. 煤制油工藝技術(shù)探討[J]. 硅谷，2013（16）：1-2.

[46] 錢衛(wèi)，黃于益，張慶偉，等. 煤制天然氣（SNG）技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 潔凈煤技術(shù)，2011，17（1）：27-32.

[47] 劉洋. 中國(guó)煉油工業(yè)發(fā)展及其生產(chǎn)工藝[J]. 機(jī)械工程師，2014 （5）：59-62.

[48] 金云，朱和. 中國(guó)煉油業(yè)2013年回顧與趨勢(shì)展望[J]. 國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2014，22（5）：21-29.

[49] 焦云強(qiáng)，蘇宏業(yè)，侯衛(wèi)鋒. 煉油廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度及其應(yīng)用[J]. 化工學(xué)報(bào)，2011，62（8）：2101-2107.

[50] 許紅星. 我國(guó)煤炭清潔利用戰(zhàn)略探討[J]. 中外能源，2012，17（4）：1-13.

[51] 張運(yùn)東，趙星. 國(guó)際煤制合成天然氣技術(shù)的專利格局[J]. 石油科技論壇，2009（4）：59-62.

[52] 徐宏賓. 煤制油液化化工工藝的探討[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，30（2）：28-29.

[53] 吳秀章. 神華煤炭直接液化項(xiàng)目氫氣系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 石油煉制與化工，2008，39（6）：26-29.

[54] 閆志強(qiáng). 煤制氣項(xiàng)目需走向正規(guī)化[N]. 中國(guó)能源報(bào)，2015-01-12（11）.

[55] 路鄭.煤制油技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭良好[N].中國(guó)能源報(bào)，2014-12-01（19）.

Utilization status of hydrogen energy

ZHAO Yongzhi1，MENG Bo1，CHEN Linxin2，WANG Geng3，ZHENG Jinyang1，GU Chaohua1， ZHANG Xin1，ZHANG Junfeng1

（1Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；2China Electronics Engineering Design Institute，Beijing 100840，China；3China National Institute of Standardization，Beijing 100191，China）

Hydrogen is widely recognized as clean energy. It can be stored and transported conveniently，utilized in multiple ways and efficiently，and also has rich resources，which makes it a real help for resolving energy crisis，environment pollution and global warming. At present，hydrogen is classified as an important part of the national energy structure in some developed countries. In China，enormous investments have been made in research and industrialization associated with hydrogen. In this paper，hydrogen applications in energy and chemical sectors are considered and the utilization of hydrogen in China and abroad is presented. Hydrogen is used in fuel-cell vehicles，distributed power generation，fuel-cell forklifts and emergency power supplies as clean energy. It is used in renewable energy consumption as energy carrier and in oil upgrading and clean coal as feedstock. The use as clean energy is the primary way to promote hydrogen development and the use as energy carrier can contribute to coordinated development of renewable energy and hydrogen. Under current conditions，the use as feedstock is a promising way to achieve large-scale utilization of hydrogen. Besides，the production，storage and transportation of hydrogen and fuel cell technology are still the barriers which restrict hydrogen development.

hydrogen；clean energy；energy carrier；chemical feedstock

TK 91

A

1000–6613（2015）09–3248–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.007

2015-02-09；修改稿日期：2015-04-09。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA051504）及國(guó)家自然科學(xué)基金（51206145）項(xiàng)目。

趙永志（1977—），男，博士，副教授，主要從事高壓儲(chǔ)氫、氫安全、化工過(guò)程裝備及計(jì)算顆粒力學(xué)方面的研究。聯(lián)系人：顧超華，碩士，副教授，主要從事先進(jìn)能源承壓設(shè)備、極端承壓設(shè)備方面的研究。E-mail guchaohua@zju.edu.cn。