世界氫能發展現狀與技術調研

王 寒

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世界氫能發展現狀與技術調研

王 寒

（中國石油大學（北京）， 北京102249）

化石燃料是目前能源消費的主體，隨著能源需求的不斷增大，能源危機、全球變暖及環境污染等問題日趨嚴重，氫能因其取之不盡、高效、零污染的特性逐漸受到重視。氫能作為一種可持續發展的新型能源，其發展前景不可估量，但氫能的實際推廣應用現狀并不理想，氫能的廉價制取及其安全儲存運輸則是制約其發展的主要原因。主要對世界范圍內氫能發展利用現狀趨勢及對石油工業的影響進行調研,針對當前形勢提出在能源發展過渡階段我們在積極發展傳統化石燃料的同時,也應抓住機會從長遠角度考慮問題積極發展氫能等新型能源。

氫能；新能源；發展現狀

1 世界氫能開發利用現狀及前景

1.1 世界氫能開發利用現狀

美國GM公司于1970年就提出了氫經濟的概念。1995年以來，逐年嚴重的環境惡化、對污染物排放量的要求、降低對進口石油的依賴性、對可再生電能儲存及供應的需求等都直接或間接的促進了氫經濟的發展[1]。氫能是一種新型能源，與傳統化石燃料相比，具有零污染、利用率高、危險系數小、儲量充足的優點，是人們寄予厚望的替代能源。雖然目前已經有很多氫能應用在取暖、發電等方面的實例，但氫能在日常生活的交通工具上的應用已經成為熱點。早在1960年左右中國就開始了對氫能的研發工作，為了發展我國的航空航天許多國內學者在獲取可用于火箭燃料的液氫以及氫氧燃料電池的研發方面做了很多努力也取得一定的成果。21世紀以來我國政府多次將氫能列入能源發展規劃，以達到加速我國氫能發展進程，促進氫能商業化的目標。

在交通運輸、軍事、能源以及航空中氫能都有其用武之地。氫能源的利用有熱化學方法，即燃燒，也有被稱為電化學的方法。隨著燃料電池技術的飛速發展，依托其發展起來的產業尤其是燃料電池領域將成為氫能清潔利用的最有利證明，而與之相關的一系列氫能基礎設施建設則是該產業是否能持續發展的關鍵環節。它還可以作為一種能源載體進行開發利用。例如近年來發展形勢大好的風能和太陽能等可持續發展型能源，由于不穩定性而出現電力上網難的問題，使能源利用率極低，成了他們進一步發展的瓶頸。用剩余電量通過電解法制氫，可以有效改善棄風棄光現象，制得的氫既可以直接應用到所需領域，也可以與天然氣摻混后經由其管網混合運輸后再進行應用[2]。

氫能作為清潔能源的應用最主要體現在其燃料電池領域的應用，人們也寄希望于它能解決日后能源危機問題。我國汽車企業的氫燃料電池技術與國外技術先進的車企相比相對落后，其中延長電池壽命及降低生產成本是國內車企急需提高的部分。毛宗強在接受采訪時曾說，我國在推動氫燃料電池汽車的發展上仍有很多不足，加氫站沒有相對完善的相應標準；我國缺少對車用加氫站詳細的建設籌劃，在氫燃料電池車上也需要一個更加明確的發展路線；國家沒有相對成熟的專門機構促進氫能源發展，“中國氫能與燃料電池協會”有望通過參與政府氫能規劃進而推動行標制定并最終完成氫能產業化。根據和訊網報道[3]，我國氫能產業正面臨困境，國內氫能源市場并未真正啟動，缺乏資金投入。在這種形勢下，許多民營企業改變發展戰略，期望借助大型企業的實力擺脫困境，這當中也有一些企業因缺少資金支持而破產。氫能產品大規模生產未能實現，企業難以獲得收益，同時可用資金也制約了技術發展和產品的產業化，這些都造成了我國氫能企業目前的艱難困境，也正因為這樣國內至今都沒有較成型的氫能源企業。國內氫能源產品不能讓投資者看到回報是其難以得到資本市場認同的主要原因。因此氫能企業的發展重心應該放在產品的商業化推廣上。施濤認為，氫能源產業鏈的貫通對其實現商業化至關重要。面對發展困境，國內許多的氫能公司調整發展戰略，將氫能源的技術研發轉移到相對容易完成商業化生產目標更有利于企業發展的備用電源上[3]。

燃料電池發展方面，中國產業調研網發布的2016年中國氫能現狀調研及市場前景走勢分析報告認為[4]，燃料電池發動機的核心技術問題雖然已基本解決，但是燃料電池技術仍有繼續深入研究的必要以保證技術的最大成熟化。目前政府應加大研發投入力度，給掌握關鍵技術的企業提供資金和融資能力方面的幫助，進而使中國在燃料電池發動機關鍵技術方面占據領先地位。此外，對燃料電池主要原材料、零部件國產化、規模化生產等方面國家還需要大力投入從而促進其產業鏈的延伸發展。

除中國外的其他國家也在都不同程度地開發氫能源。美國對加氫站的投運始于2002年，2009年時加氫站數目共有63座，隨后成逐年下降趨勢，截至美國能源部2015年7月19日發布的最新數據，目前處于運行中的加氫站數目僅為41座，處于規劃之中的有50座，而處于臨時停用狀態有2座。美國能源部在2008到2011三年間[5]，拿出約9億美元的資金用于氫能和燃料電池發展計劃。目前，美國氫能輸送管道約有1 500英里，但與縱橫交錯的石油和天然氣管道相比，氫能輸送管道的里程卻只有其千分之一。美國國家可再生能源實驗室2013年計算了十種不同制氫方式生產成本，結果顯示“分布式天然氣重整”是目前現有的技術條件下最便宜制氫方式，而“分布式乙醇重整”則是最昂貴的方式。由于一直以來氫能的大規模商業化應用未曾實現，其產量在過去30多年的時間里面并沒有明顯的增長。1982年的產量約為19億ft3/d，到1995年超過30億ft3/d后，此后產能在這一水平維持了約20年，僅有較小幅度的波動。

加拿大在2010年也同樣大力推動過氫能，還專門為溫哥華冬奧會啟用了一批氫能公交車，但由于運營成本過高，這些公交車最終淡出了人們的視線。加利福尼亞州2004年曾宣布計劃建設加氫站150~200座，但目前僅建成不到30座。自從2010年以來，隨著相比之下性能更好的電池、電動汽車和其他可再生能源在全球范圍內的推廣，倡導氫能的力量也日漸微弱。

早在二十世紀九十年代末，冰島[6]就曾聲稱計劃在2030年之前將本國經濟全面過渡到氫能經濟。冰島化石燃料儲量不足，為滿足本國人民對能源及電力方面的需求便大力發展本國蘊藏豐厚的水力電力及地熱資源。冰島重要的汽車業與船舶業都離不開以石油為代表的化石燃料，正是進口石油的高成本促成冰島氫能經濟發展規劃的形成。冰島電解氫產量每年約為兩千噸，計劃通過可再生氫替代石油天然氣等化石燃料來為各行業提供能源[7]。

日本一直以來都以構建氫能社會為發展目標，其加氫站密度世界排名第一[8]。日本采用政府主導和立法先行等方式積極推動氫能源產業在本國的發展，通過立法的方式來體現對新能源產業發展的重視,而政策上也給相關技術研發機構和生產企業提供可觀的補貼。2015年初，氫能源相關項目的預算是401億日元，與2014年相比上漲了236億。加氫站網絡建設方面日本也毫不遜色,目標兩年內建成100座加氫站,目前在建的有41座,已經完工的有4座。在政府戰略指導下，日本眾企業也看好氫能源的發展前景并陸續投入發展。豐田、日產等車企在燃料汽車上投入頗多, 迄今為止，豐田已經投入400億日元用于推廣氫氣作為替代燃料；日本國土交通省2014年開始牽頭開展生物氣制氫的試驗，計劃利用福岡市中部水處理中心產生的污泥來制氫。

1.2 世界氫能開發利用前景展望

日本政府計劃通過即將到來的東京奧運會向世界展示其氫能發展利用情況，到時奧運場館將使用以氫氣為能源的公交車。目前日本政府已經聯合豐田巖谷等企業開始加氫站網絡的建設，已經建成加氫站十余個，其目標是在整個日本建成并投入運營加氫站35座。根據東芝公司預測，到2030年全球燃料電池發電設施、燃料電池車以及其他與氫能利用有關的基礎設施等的市場規模預計達40萬億日元，到2050年則有望擴大到160萬億日元。正是由于日本政府和企業認識到了氫能源巨大的市場潛力，才會大力發展氫能源，希望通過可再生能源制氫進而掌握國際氫能源領域的制高點并搶占商機。除了氫能汽車及加氫站外，東京政府正規劃氫能快速公交系統，氫能輪船及水上巴士應用于運輸旅游部門，并在奧運村和體育館安裝燃料電池。日本川崎重工計劃構建液態氫能供應鏈，氫能供應網絡的開發則是其開發的重心。川崎重工最新制氫計劃瞄準了蘊含大量褐煤的澳大利亞Latrobe Valley煤礦，希望通過褐煤產氫，提高褐煤利用價值同時降低制氫成本。預計規?；a氫后，這些褐煤產生的氫氣可以供30萬氫能汽車利用，而氫氣的生產成本同時也會減半，制氫站點最早將于2017年建成，每天可產20噸氫氣。據世界能源網工程估計[1]，日本通過可再生能源生產氫能產品約為210 g·Nm3/a。

根據國際能源署IEA預計，14年之內插電式汽車、純電動汽車仍會是全球新能源汽車市場的主力。預計到2030年氫燃料電池汽車約占全球汽車銷售總量的2%~3%[9]，到2050年之前的未來二十年間，三種新能源汽車的發展優先性及市場格局會基本處于穩定狀態，其中氫燃料電池汽車的比重會略有增加，同時加氫站的投建規模也必將隨之變化。中國目前并沒有針對氫能的發展政策，只是對新能源汽車做了一些規劃，加強基礎加氫站設施的建設將成為我國未來發展的趨勢。

2 國內外氫能技術發展現狀、趨勢

氫能作為眾所周知的新型能源，但實際應用中卻存在一些困難：一是目前制氫還是要依賴于存量有限且會造成環境污染的化石能源，而且整個制氫過程耗能很大，目前制氫效率并不高。如何開發廉價的制氫方法顯得尤為重要，也是氫能大規模推廣應用的瓶頸所在。二是現存儲存及運輸氫氣的方法不夠安全可靠。因為氫具有容易氣化、著火、爆炸的性質，如何將制得的氫與需求用戶有效對接而不產生危險，成了限制氫能大規模商業化發展的關鍵。

氫氣作為一種常用的工業氣體，依據生產原料、能量來源、設備、生產成本情況，以及對氫氣純度和用量等方面的要求，可有以下幾種制備方式：電解制氫，水煤氣轉化法，烴類裂解法，烴類蒸氣轉化法。氫氣在工業生產中常以副產物的形式存在，加以提純處理后也可作為一種制氫途徑，例如釀造工業中用玉米發酵丙酮、丁醇時，發酵罐的廢氣經多次提純后可生產氫。當前形勢下，很多國家都正積極探索能用最少的資金投入制取大量氫氣的方法。學者們使用太陽能并結合相應催化劑的手段分解H2O進而制得H2。日本一直以來都致力于構建氫能社會，其采取的制氫方法多種多樣，從利用天然氣、污泥、褐煤到電解水等手段。有專家指出[10]，我們應善于有效利用工業中以副產品形式出現的氫，比如利用焦爐煤氣制氫，我國盛產焦爐煤氣，內地大部分省都有煉焦工廠；再有就是利用相對不那么集中的二次能源來獲取氫氣。

有學者[11]認為氫氣作為一種高效環保的能源至今沒有大規模推廣，氫氣大容量儲運的問題就是關鍵。周鵬等人[12]指出，氫的存儲對于氫能實現商業化至關重要，常見的有物理儲氫和化學儲氫，而后者較為安全將成為未來儲氫材料發展的重點，其主要包括金屬氫化物，配位氫化物和有機液體氫化物儲氫方法，而這三種方法也各有利弊。作者還指出，氫材料的研究近年來成果顯著，但仍存在一些問題，如儲氫容量、工作溫度、可逆循環性能等方面還有待于提高。除此外，還有文獻指出[13]可以通過生物酶催化CO2加氫的方法制得的甲酸鹽來完成氫能儲運。

氫氣能夠以氣態、液態及固態儲氫材料等方式輸送，其中液化法已成為大規模儲運氫能產品的主要方法。有學者[14]已經研發了一套無氫運輸體系，該體系先通過一些措施讓氫以某種液體的形式存在，將其輸送到需求用戶后再制取氫，進而改善低效運輸問題，但這種方法的可行性還有待于進一步證明。日本將目標投向開發氫的長距離運輸技術，千代田化工建設正在研發將液態氫通過甲苯儲存的技術，使常溫常壓運輸氫成為可能，還成立了以該技術為支撐發展的氫燃料公司。

3 氫能與石油工業

2008年以前國際油價處于低迷期，很多國際石油企業積極發展包括氫能在內的新能源，以尋求新的商機。有相關文獻報道了部分國際石油公司氫能源發展情況[15]，BP和Shell兩家跨國石油公司立足于氫能的研發和改革技術，分別于1998和1999年先后成立了不同性質的商業單位開展氫能研發工作。BP和Shell公司的研究包含全世界范圍內的氫能研究計劃，其中Shell公司對氫能汽車市場頗感興趣，BP一直與美國和歐洲的兩個全球最大氫示范項目保持合作關系，在制氫和汽車加氫站試運營方面經驗豐富并參與了許多的氫能示范項目。除了上述以石油為主業的企業，Stuart 能源系統、Linde AG以及空氣產品與化學品公司的業務范圍也拓展到氫能的零售。2008年后國際油價大漲，再加上2010美國頁巖氣的突破進展使得國際石油企業重新將重點轉向油氣業務。

各石油公司能源戰略調整都有偏向綜合性能源的發展趨勢且都以利益為導向。對于各石油企業來說，準確把握能源發展走向顯得尤為重要，一方面要保證傳統能源發展并尋求突破，另一方面也要積極投資新能源領域，提早適應可能的能源結構變化和能源競爭，為企業長遠發展做好準備工作。

［1］ 中國新能源與可再生能源網. 世界氫能研發及其政策[EB]. 2005(12).

［2］ 趙永志，蒙波，陳霖新，等. 氫能源的利用現狀分析[J]. 化工進展，2015，34(9)：3248-3255.

［3］ 張慧. 氫能源產業困境[J]. 中國能源，2013(4)：57-59.

［4］ 2016年中國氫能現狀調研及市場前景走勢分析報告[R].

［5］ 張聰. 世界氫能技術研究和應用新進展[J]. 石油石化節能，2014(8)：56-59.

［6］ Jone.W.Ogden, David Whitsell, A.K.Brisdon,等. 世界各國聚焦氫能源經濟[J]. 資源與人居環境，2010(3)：38-40.

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［10］ 中國化工信息中心_資訊中心. 我國氫能的開發與利用情況(2)[R]. 2016(3).

［11］ Orimo S，Nakamori Y，Eliseo J R，et al. Complex hydrides for hydrogen storage[J]. Chemical Reviews，2007，38：4111-4132.

［12］ 周鵬，劉啟斌，隋軍，等. 化學儲氫研究進展[J]. 化工進展，2014(8)：2004-2011.

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［15］ 國外大公司新能源開發戰略[G]. 現代國企研究，2015(8).

Development and Technology Research of the World Hydrogen Energy

WANG Han

（China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Fossil fuels are the main part of current energy consumption; with increasing of the demand for energy, the energy crisis, global warming and environmental pollution problems have become more serious, and hydrogen energy gets increasing attention because of its inexhaustible, efficient and zero emission characteristics. Hydrogen is a new energy of sustainable development and has immeasurable prospects, but practical application status of hydrogen energy is not ideal; the problems of hydrogen preparation, storage and transportation are the main reason for constraining its development. In this article, development status and trend of the hydrogen energy were investigated as well as its influence on the oil industry. At last，it’s pointed out that new energy such as the hydrogen energy should be actively developed at the transition stage of energy development.

hydrogen; new energy sources; development status

TK 91

A

1671-0460（2016）06-1316-04

2016-03-22

王寒（1992-），女，黑龍江綏化人，碩士研究生，研究方向：多相管流及油氣田集輸。E-mail：1485035007@qq.com。