氫能利用方式及發展前景

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、天然氣等傳統化石能源正日益枯竭，溫室效應、環境污染問題也越來越嚴重，獲取和使用新型能源已經變得十分迫切。氫能燃燒的唯一產物是水，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、環境和可持續發展的要求，因此被認為是化石能源最有前途的替代物之一，被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源。氫能應用可以滲透到能源的各個方面，除石化工業應用如合成氨、甲醇、石油與煤炭深加工等之外，近年來在新能源應用方面受到追捧，包括加氫站、氫燃料電池等下游各種應用。但由于制氫成本投資高、大規模儲氫及運輸技術發展緩慢等因素，阻礙了氫能利用的發展。隨著碳排放要求的提升，能源結構轉型已經成為世界能源體系發展的重要趨勢，各國越來越重視發展氫能，“十四五”期間，氫能產業將迎來重大發展機遇。

1 氫能產業發展現狀

氫能在世界能源轉型中的角色價值日益凸顯，世界主要發達國家近年紛紛大力支持氫能產業發展[1]。近年來，美國、日本、歐盟等國家和地區相繼制定了氫能發展戰略[2]。

20世紀70年代，美國出現石油危機，隨著能源自給項目失敗，美國開始關注氫能的利用，著手布局研發新技術，加大相關研究項目的資金投入，攻克制氫、儲氫及氫能利用的關鍵技術。從1990年開始，美國就制定了推動利用氫能的發展思路，包括評估政策、預測應該前景、制定方案、研發技術及示范推廣等[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企業的扶持，主要成立國家實驗室進行研究，高校和企業研究院輔助研究。在一系列推動下，美國氫能燃料電池項目快速發展[6]。

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

歐洲較強的環保意識也促進了氫能產業的發展，氫燃料電池汽車逐漸出現在車企的重點研發中，產業聯盟積極布局加氫站。除了環保意識強烈，歐洲也出臺系列政策支持，在市場經濟的環境下，氫能燃料電池全產業鏈發展的越來越完善。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，注重技術研發，在交通領域氫燃料電池取得了良好應用。在歐盟眾多國家中，德國處于引領地位，在推進氫能發展方面起著重要作用。2019年，歐洲燃料電池和氫能聯合組織發布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉型的可持續發展路徑》，提出了面向2030、2050年的氫能發展路線圖[8]。

近年來，我國致力于構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實現重大突破，抓緊部署低碳前沿技術研究，把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。因此，我國也高度重視發展氫能產業，并出臺了一系列產業政策，氫能已成為國家大力扶持和重點推進的戰略產業。2016年，國家發改委發布《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，將利用可再生能源制氫、氫能與燃料電池技術創新作為重要內容，這表明了氫能產業被列入國家能源戰略[9]。2019年3月，首次將推動加氫基礎設施建設寫入政府工作報告[10]。2019年11月，國家發改委等15 部門印發《關于推動先進制造業和現代服務業深度融合發展的實施意見》（發改產業〔2019〕1762 號），提出完善制氫、儲氫、輸氫及加注站等產業鏈發展，促進氫能產業技術創新。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，國家能源局發布《關于做好可再生能源發展十四五規劃工作有關事項的通知》，將氫能列入可再生能源發展十四五規劃編制重點任務，各個地區都在積極發展氫能產業[12]。

2 氫能利用方式

氫能的利用較為廣泛，傳統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，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、電子工業、食品工業、玻璃產業等領域也有應用[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動機的燃料，代替傳統汽油，已通過美國、日本及德國等國家汽車產業的試驗，技術方案是可行的，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，也不會產生污染環境的氣體，主要生成物是水，因此氫能汽車環境友好，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，發動機冷卻水再加上尾氣產生的熱來釋放氫氣。現階段，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，有利于在貧油區推廣，同時還能夠使發動機的燃燒情況得到改善。同時，很多余氫是作為工業副產品存在的，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，改善環境的同時也能提升整體的經濟效益。

2.2 氫燃料電池

氫燃料電池無需經過燃燒，即可將燃料中的化學能轉化為電腦，可以達到60%-80%的轉換效率，而且裝置較小，比較靈活，噪聲污染和環境污染較小[15]。之前，氫燃料電池的成本交給，主要作為電源應用在航天領域，隨著技術的發展，造價成本逐漸降低，應用越來越廣泛。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，發電效率可以達到55%，日本已有公司建成的發電裝置達到10千瓦級。這種燃料電池在比較高的溫度下工作，采用的是液態的電解質，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，發電效率可超過60%，目前不少國家在研究，它適于建造大型發電站，美國西屋公司正在進行開發，可望發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%的發電效率，且催化劑不使用貴金屬，瑞典開發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展方向。

2.3 氫能發電

在發電領域，火電、風電及水電等，都是由電廠發電，經過電網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律的。而氫能發電能夠很好地解決這個問題，氫能發電站相對靈活，能夠快速啟動，具有良好的調峰作用。還有一種氫氧發電機組，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，內燃發動機加上發電機即可，具有簡單的結果，能夠實現快速啟停，也能便于修理。氫能發電具有調峰作用的同時，還可以通過對火電機組運行狀況的改變，從而將發電能力提高。未來，隨著傳統發電污染嚴重、占地面積大等問題，氫能發電等新能源發電將應用越來越廣泛。

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、熱水器等用氣設備，同時可以與家庭內充氫設備相連，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，不僅清潔方便，也使生活環境更加舒適。

作為替代傳統化石能源的新能源，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，燃燒后產物是水，對溫室效應沒用影響，也不會傷害人體。

3 氫能利用發展前景

3.1 制氫技術分析

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、焦炭工業、輕油裂解等均有大量副產氫氣，如能采取適當的工藝將氫氣進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發展成熟；含氫物質制氫、太陽能制氫、生物制氫等技術仍處于研究和示范階段，是未來制氫技術的重要發展方法；工業副產氫氣提純制氫技術得到了廣泛的應用，但多用于場區內自產自銷[18]。

因制氫原料的差異，各類制氫技術生產的氫氣中雜質組成及其含量差異大，水電解制氫技術相對更易獲得高純度、雜質少的氫氣。

3.2 儲氫技術分析

氫在常溫常壓下為氣態，密度非常小，因此，在氫能技術中，氫的儲存是個重要環節，目前氫氣儲存方法主要有高壓氣態儲氫、液化儲氫、玻璃微球儲氫、金屬氫化物儲氫、碳質吸附儲氫、有機液體儲氫等[19]。目前使用廣泛的儲氫方式為高壓氣態儲氫，主要是由于對環境污染少，并具有較好的經濟性；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域應用；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量，導致成本比壓縮儲存方式要高；碳質吸附儲氫關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中，碳質吸附儲氫具有較大的優勢，雖然目前還在初步研究階段，但是發展空間非常大的儲氫方式。

3.3 輸氫技術分析

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

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

未來，隨著氫氣應用越來越廣泛，管道大規模氣態輸氫將是研究的重點。國外氫氣管道建設多為工業氣體公司進行，在工業氣體生產基地與用戶之間建設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，管道輸氫技術已基本成熟，但我國氫氣管道建設剛剛起步，國內氫氣管道建設多為場區內管道，基本為回收利用增產創收項目，尚需完善氫氣管道設計、建設、運營管理等方面的規范、標準體系[20]，開展系統的基礎研究，開發更優異的抗氫脆、高強度管道材料，為建設將來大規模建設長距離、高壓力、大輸量的輸氫管道創造條件[21]，預計到2030年后將得到較大的發展。但氫氣管道運輸的發展最終取決于整個氫能產業的發展。

4 結論

在積極應對全球氣候變化、加快綠色低碳發展的大背景下，氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續的新能源得到快速發展，其利用前景將十分廣闊，而氫能的利用也將促進制氫、儲氫和輸氫技術的發展。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、大規模管道輸氫尚在起步階段，氫能暫未得到大規模應用。因此，根據不同的場合要求對氫能高效利用、開展大規模管道輸氫技術研究將是未來研究的重點。