基于碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)下氫能源的發(fā)展前景及加氫站的選址探析★

高紅波，黨金金

（洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471002）

1 地球環(huán)境惡化促使能源轉(zhuǎn)型

溫室效應(yīng)使得地球南北極溫度上升異常，大量冰川融化，極端氣候增多。2021年7月下旬，河南鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁等地遭遇千年不遇的暴雨襲擊，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。另外，南北極消融的冰川可能會(huì)釋放出遠(yuǎn)古的病毒，將是人類無法預(yù)計(jì)的災(zāi)難。IPCC報(bào)告指出：為了減緩溫室效應(yīng)，我國已確定碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，其中之一就是大力降低CO2等溫室氣體的排放。

如今，我國仍采用煤炭、石油、天然氣等能源，大多是通過燃燒做功，而燃燒過程中必然釋放大量的CO2溫室氣體及CO。氫能源不存在這個(gè)問題，氫氣如果燃燒做功，其反應(yīng)物是純水。氫氣如果作為氫燃料電池的原料，電化學(xué)反應(yīng)后，其生成物還是純水。無論哪種形式，氫的碳排放都為零，因此氫氣的使用過程是真正的清潔綠色。

能源轉(zhuǎn)型背景下，發(fā)展氫能已經(jīng)成為發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的共識，發(fā)展氫能可以促進(jìn)能源體系清潔低碳化，優(yōu)化能源終端體系。美國、歐盟和日本等都將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)作為國家能源戰(zhàn)略，氫能與燃料電池在交通領(lǐng)域持續(xù)升溫。美國氫能發(fā)展主要關(guān)注氫能產(chǎn)業(yè)推廣，對氫燃料電池車、加氫站數(shù)量有明確預(yù)測。日本氫能發(fā)展更多關(guān)注技術(shù)開發(fā)，加氫站建設(shè)及運(yùn)營成本，每經(jīng)過一個(gè)階段氫燃料電池車的價(jià)格都有較大幅度的下降。歐洲則更關(guān)注氫能發(fā)展對二氧化碳減排的作用[1-2]。

2 氫能源使用的主要途徑

在燃料中加氫，可減少30%～60%的碳排放（不需要對內(nèi)燃機(jī)做重大改動(dòng)），其反應(yīng)式為燃油燃燒：

燃油燃燒產(chǎn)生大量的CO2和CO，但加氫后CO2和CO減少了。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)中直接燃燒氫氣，可減少50%～70%的碳排放（如寶馬的氫動(dòng)力汽車H2R），但是能量轉(zhuǎn)換效率不高。

其反應(yīng)式是2H2+O2=2H2O+熱量，沒有CO2和CO，依靠反應(yīng)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，能量轉(zhuǎn)換中損失較大，轉(zhuǎn)化效率最高能達(dá)到40%。

通過氫燃料電池使用氫能源，能量轉(zhuǎn)換效率高。在氫燃料電池的使用環(huán)節(jié)，理論上可達(dá)到零碳排[3-5]。

其電化學(xué)反應(yīng)式是：

該電化學(xué)反應(yīng)沒有CO2和CO，轉(zhuǎn)化能量的過程極少熱量損失，轉(zhuǎn)化效率通常為60%以上，理論上可達(dá)80%以上。因此從長遠(yuǎn)來看，氫燃料電池應(yīng)是最終發(fā)展路徑。

3 氫燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

在以上氫能源的使用途徑中不難看到，使用氫燃料電池是碳排放最少，能量轉(zhuǎn)換效率最高的。

目前日本豐田汽車公司氫燃料電池技術(shù)較為成熟，已經(jīng)生產(chǎn)到氫燃料電池汽車Miria五代，國內(nèi)一汽等廠家也達(dá)到量產(chǎn)階段。然而目前氫燃料電池（電堆）成本較高，小型汽車使用價(jià)格高昂，雖有政策補(bǔ)貼，但價(jià)格仍高于同等級燃油車。并且氫燃料電池的使用推廣直接受各地區(qū)加氫站數(shù)量的制約。目前加氫站建設(shè)均是為氫燃料電池汽車使用，汽車路線廣泛靈活，需要加氫站分布廣，數(shù)量多。而建加氫站成本投資大，加氫量少，成本回收不易，目前仍是氫燃料電池汽車少、加氫量少的局面。2021年3月末，我國加氫站（包括油氫合建站）共建成131座，分布情況如圖1所示。其中108座在運(yùn)營，絕大部分處于虧損運(yùn)營狀態(tài)。

圖1 截至2021年3月末全國加氫站（包括在建擬建）分布情況

氫燃料電池汽車與加氫站就陷入了加氫站少——車少——加氫站更不敢建——車更不敢買這樣的惡性循環(huán)。

4 對策建議

4.1 在飛機(jī)上使用氫能源作為動(dòng)力

飛機(jī)內(nèi)燃機(jī)采用航空煤油航空汽油做燃料，因此航運(yùn)是碳排放嚴(yán)重的主要行業(yè)之一。飛機(jī)不能采用電池驅(qū)動(dòng)，因電池儲(chǔ)能非常有限。目前儲(chǔ)能最高的鋰離子電池的能量密度最高僅1 080 kJ/kg，即使按《中國制造2025》制定的目標(biāo)，到2030年也僅有1 800 kJ/kg，根本無法取代航空燃料，無法滿足飛機(jī)巨大的動(dòng)力需求，因此飛機(jī)不能采用電池做主要?jiǎng)恿υ碵6-7]。

若飛機(jī)換用清潔燃料氫氣是可行的。航空煤油的熱值是42 000 kJ/kg，氫氣的熱值是143 000 kJ/kg，氫氣的熱值是航空煤油的3倍。成本方面，燃料電池的成本核心是膜電極，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其制造成本也隨之下降。電堆目前成本在500元/kW左右，電堆中核心的膜電極組件，占據(jù)電堆成本的65%以上。未來隨著量產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大，膜電極（質(zhì)子交換膜+催化劑+氣體擴(kuò)散層）在電堆成本中的占比，有望從70%（年產(chǎn)1 000套電堆）下降至57%（年產(chǎn)50萬套電堆）。而飛機(jī)需求的功率大，可促使電堆成本下降。成本下降，可帶動(dòng)汽車、船舶、動(dòng)車等行業(yè)加入，將會(huì)進(jìn)入氫燃料電池技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)期。

改進(jìn)航空用發(fā)動(dòng)機(jī)，將飛機(jī)原來的傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)改造為氫燃料內(nèi)燃機(jī)或徹底更換為氫燃料電池。這樣可有效減少航空行業(yè)的碳排放。

飛機(jī)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)改為氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)不需要大的改動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)。氫能內(nèi)燃機(jī)的典型代表是寶馬7系氫能汽車。

飛機(jī)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)用氫燃料電池替代，初期改裝成本較高，但氫燃料電池功率越大，單位功率的成本將越低，加之在減碳目標(biāo)下，清潔能源將獲得政策補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)，單位功率的成本會(huì)更低。因此要降低航空行業(yè)的碳排，改用氫能發(fā)動(dòng)機(jī)或者氫燃料電池作為動(dòng)力是較理想的選擇。

4.2 在機(jī)場建立加氫站

在各機(jī)場建立加氫站，設(shè)對內(nèi)、對外兩條加氫通道。如果飛機(jī)改用氫能源，由于飛機(jī)運(yùn)營對能源的需求量大，加氫地點(diǎn)集中，雖然加氫站的前期建站成本高，但后期容易較快實(shí)現(xiàn)盈利，早日實(shí)現(xiàn)加氫站的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)可促進(jìn)氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)氫燃料電池汽車及氫能汽車的發(fā)展。

4.3 在港灣碼頭設(shè)立加氫站

大型船舶采用氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池，可在港灣碼頭設(shè)立加氫站。海運(yùn)業(yè)是溫室氣體主要排放源之一，CO2是船舶排放最主要的溫室氣體，船舶領(lǐng)域減碳脫碳工作也已是當(dāng)務(wù)之急[8]。20世紀(jì)后半葉以來，船舶大型化趨勢日益凸顯，其中尤以集裝箱船、油輪和干散貨船發(fā)展明顯。國際能源署分析稱，2019年，國際海洋運(yùn)輸約占全球能源行業(yè)CO2排放的2%。根據(jù)國際海事組織（IMO）2020年發(fā)布的第四次溫室氣體調(diào)查研究顯示：2012—2018年間，國際海運(yùn)溫室氣體年排放量從9.77億噸增加到10.76億噸。改用氫燃料電池為船舶電機(jī)提供動(dòng)力及其他所有電力需求，氫燃料電池不產(chǎn)生溫室氣體，唯一的副產(chǎn)品是干凈、可飲用的水。排放量越高的船舶，受零排放法規(guī)的影響越大，也最適合用氫能船舶替代。固定線路輪渡、近海船只、進(jìn)出峽灣的游輪等都適合采用氫燃料電池技術(shù)。可在沿海沿江的港灣碼頭設(shè)立加氫設(shè)施，給來往船舶實(shí)現(xiàn)能源補(bǔ)給。

目前需要解決的難題是實(shí)現(xiàn)液氫的加注。船舶分為內(nèi)河船舶和遠(yuǎn)洋船舶，內(nèi)河船舶用于我國長江或沿海運(yùn)輸，隨時(shí)可以靠岸加注燃料，理論上和氫燃料汽車相似，用氫氣罐儲(chǔ)存即可[9]。遠(yuǎn)海船舶則需要加注液氫，液氫的能量密度大、可以儲(chǔ)存的氫更多，目前我國還沒有一座液氫加氫站，液氫技術(shù)的成熟應(yīng)用將推動(dòng)遠(yuǎn)洋氫能船舶的應(yīng)用。

4.4 建設(shè)加油加氫一體站

石油公司的加油站數(shù)量龐大，區(qū)位優(yōu)勢顯著，可部分改造為加油加氫一體站，既節(jié)約了寶貴的土地資源，又可以快速培育忠實(shí)客戶群，以油養(yǎng)氫。目前國內(nèi)加氫站實(shí)現(xiàn)盈利的2座加氫站均為廣東的油氫一體站，說明油氫一體站運(yùn)營模式是值得推廣的[10]。這和廣東的區(qū)域氫能行業(yè)領(lǐng)先也是分不開的。截至2021年3月末，廣東省已運(yùn)營、已建成、在建及擬建的加氫站共61座，排名全國第一。

5 展望綜述

氫燃料電池技術(shù)可解決能源短缺問題，并有效降低碳排放。如果在機(jī)場及船舶流量大的碼頭建立加氫站，同時(shí)改造飛機(jī)船舶內(nèi)燃機(jī)，在飛機(jī)上使用氫燃料電池驅(qū)動(dòng)，能夠有效降低碳排放，逐步擺脫對傳統(tǒng)能源的依賴，改善能源布局，降低能源對外依存度。

據(jù)國際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì)，到2050年，氫能將承擔(dān)全球18%的能源終端需求，可能創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價(jià)值，減少60億噸CO2排放，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%～25%，屆時(shí)將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費(fèi)主體。