氫能源利用和發展方向

周功宇 中海油惠州石化有限公司

現代社會生產中石化燃料消耗量越來越多，但儲存量卻越來越少，而且因石化燃燒產生的二氧化碳排放量會增加地球的溫度，破壞地球的自然環境，但是氫能源燃燒物是水，清潔環保而且容易制備。目前國際社會發展氫能源已經成為主流的利用趨勢，人們越來越注重燃料的清潔性，保護環境需要改變現有的能源類型，在這種觀念下，氫能源的利用與發展方向也更加明確。

一、氫能源的應用優勢

（一）資源豐富

氫能源的原子序數是1，是元素周期表中的第一位元素，在常溫常壓狀態下，氫能源常以氣態的形式存在，超低溫高壓下可以液態的形式存在，所以屬于一種理想的核能體能源。氫元素的含量非常豐富，屬于比較簡單的元素，約占宇宙總質量的75%，其來源多種多樣，或是通過化石能源與水蒸氣反應進行制備，或是通過生物質裂解、發酵進行制備，或是通過提取石化、焦化等工業副產氣也可以制備，或是通過人們熟知的電解水進行制備。

（二）經濟環保

氫能源的單位熱值較高，約為40kWh/kg，可以達到同質量汽油、柴油等化石燃料熱值的2-4倍，并且氫能源的轉化效率非常高，可以達到85%的轉化效率，常規的汽柴油能源綜合轉化效率約為30%-40%，所以在理論上是可以將氫能源代替柴油或汽油能源的，可以作為新型的汽車驅動能源形式，要比化石燃料更加環保、清潔，不會在燃燒過程中產生一氧化碳、二氧化碳等有害的污染物質。氫能源燃燒生成的水是無毒無害的，不具有腐蝕性，有利于保護環境[1]。

（三）易于存儲

氫能源的應用范圍比較廣泛，在冶金、鋼鐵等行業可以直接提供能源，減少碳的排放量，如交通運輸行業對化石能源比較依賴，所以可以使用氫能源替代化石能源，或者氫能源也可以使用分布式發電，為建筑提供電能，實現跨能源網絡的協同優化供電。比如在供電中，氫能源可以作為能源載體周期調整的媒介，經濟性的保持大規模存儲和長周期的供應，有效的解決棄風、棄光的問題。

二、氫能源的利用現狀

（一）氫能源的利用方向

盡管氫能源有許多應用優勢，但是應用過程中也會存在許多困難，比如氫能源的配套基礎設施不健全，真正優質的氫能源供應不足，而且氫能源的儲存成本較高，這些因素都會限制著氫能源的推廣。氫能源的主要開發方向是新能源汽車，因為氫能源燃燒電池的能量密度較高，大約是鋰電池的120倍，而且氫能源的續航能力非常出色，充電5min就可以行駛400km，目前社會中應用的鋰電池新能源汽車每次充電7小時左右，可以行駛300km，續航能力卻沒有氫能源汽車的優秀，然而氫能源汽車的配套設施卻沒有辦法直接替代鋰電池汽車，只能通過兩種形式相互補充，還是要以技術體系比較成熟的純電動汽車為主，如果是長途卡車或者城市公交車則適用氫能源電池汽車[2]。

（二）氫能源利用面臨的問題

氫能源的儲存量非常豐富，但并不是所有的氫能源都可以高效應用，不同制備的方式也具有不同的優點和缺點，具體可如表1所示。

表1 不同制備方式的優點與缺點（參考）

（三）儲氫、輸氫方式可靠

發展氫能源是社會能源未來發展的主要趨勢，因為目前缺少安全可靠的儲氫輸氫方式，當前國內商用車運行的量大約有2000輛，乘用車每年消耗氫氣約為150kg，如果是載重7.5t物流車，平均每年消耗氫氣2000kg左右，按照我國2035年規劃的氫能源電池汽車數量將會達到100萬輛，則氫氣消耗量約為500萬t/a。低溫業態下儲氫的液化氫氣成本高，約為氫氣能量的40%，關鍵部件需要進口，而且相關設施建設的周期較長。

三、氫能源的發展方向

氫能源的利用與開發都需要核心技術，而氫能源的核心技術還需要長時間的深入研究，可以確定的是，以氫能源為燃料的汽車會應用在港口、物流中心等方面，城市中的綠色公交方面也可以應用氫能源，但是氫能源會受到儲氫和輸氫技術發展的限制，氫能源使用的場所與氫源點經濟距離要低于100km，石化企業或者氯堿企業周邊都可以成為氫能源發展的區域。氫能源的應用還是以交通運輸為主要發展空間，研究交通運輸中如何將氫能源應用于汽車能源供應，是緩解當今汽車尾氣污染空氣問題的有效措施。

四、氫能源的制備

（一）利用礦物燃料制備氫能源

在傳統的氫能源制備工業中，經常會運用到的一種氫能源制備方法就是通過礦物燃料的利用來制備，并且目前企業已經掌握了比較成熟的植被技術并且擁有完善的工業裝置。礦物燃料制備氫能源的方法主要有通過重整水蒸氣天然氣制備氫能源、通過重整重油部分制備氫能源、通過煤和水蒸氣的重整制備氫能源。其中以天然氣和水蒸氣為原料制備氫能源的化學反應公式為：

以煤和水蒸氣為原料制備氫能源的化學反應公式為：

雖然現階段大部分氫能源制備的原料為煤和天然氣，但是這兩種能源都比較有限，并且在制備的過程中會對環境產生一定的污染。顯然這與現如今的可持續發展理念不相符，所以這種氫能源的制備方法并非最佳選擇。

（二）利用電解水制備氫能源

利用電解水制備氫能源已經有較長的歷史，這種氫能源制備方法的重要基礎為氫氧可逆反應，其化學公式為：

現階段在電解水氫制備中經常使用電解槽結構通常為壓濾式復極結構，各電解槽之間的電壓在1.8到2.0伏，每制備1立方米氫能源每小時消耗的能源量在4.0到4.5千瓦之間。箱式電解槽不僅裝置較為簡單，并且投入成本極少，同時容易維修，但是其也有缺點那就是時空產率并不是很高，并且占地面積比較大。

（三）通過催化熱分解甲烷制備氫能源

以往通過裂解甲烷制備氫能源時會伴隨形成較多的二氧化碳，但是，近些年隨著科學技術的不斷發展，通過熱分解甲烷制備氫能源的過程中，可以有效的避免二氧化碳的排放。通過分解甲烷每獲得1mol氫能源就會消耗掉37.8千焦的能量，并且還會有0.05mol的二氧化碳隨之排放。通過這種方法制備氫能源不單單可以獲取到具有較高純度的氫能源，同時這種方法還十分的經濟。

（四）生物法制備氫能源

生物制備氫能源的方法就是利用常溫、常壓狀態下，將含有氫元素的物質作為底物，利用微生物誘發酶生化反應，以此制備氫能源。

綠藻和藍細菌屬于光合生物，其可以憑借自身的光合結構將太陽能轉化成為氫能源，所以在研究生物制備氫能源方法時，針對光合生物的研究遠比對非光合生物的研究更深入。雖然這兩種生物均能夠通過光裂解形成氫能源，但是綠色和藍細菌在光合產氫的同時，還會釋放出氧氣，不僅制備氫能源的效率比較低，同時還需要解決其釋放的氫霉遇到氧氣失去活性的問題。相對于綠藻和藍細菌來說，厭氧光合細菌在光合放氫時，并不會產生氧氣。

非光合生物在降解大分子有機物的同時，會產生氫氣，其可以對可再生能源物質進行生物轉化，以此完成氫能源的植被。據相關研究表明非光合生物在制備氫能源方面表現出的優勢要比光合生物優越。二十世紀90年代末，我國將有機物廢水和厭氧活性污泥作為原料研究和開發了有機廢水發酵法生物制備氫能源的技術，該項技術的出現，意味著我國的生物制備氫能源技術已經打破了必須采用固定技術和純菌種的局限，打開了生物制備氫能源技術發展的新空間。

五、結束語

現代社會中以化石燃料為能源的方式是不利于可持續發展，化石能源的時代要逐漸被綠色能源時代所替代，這也是歷史發展的必然趨勢，社會大眾非常關注氫能源的研究成果。從長遠發展的角度來講，應用氫能源實現商業化的價值，可以在市場導入期發揮氫能源的經濟優勢，因為氫能源的綠色特點成為開發利用的優勢條件，深入研究氫能源的應用技術，實現氫能源的高價值應用。