氢能源的利用现状分析

赵永志，蒙波，陈霖新，王赓，郑津洋，顾超华，张鑫，张俊峰



氢能源的利用现状分析

赵永志1，蒙波1，陈霖新2，王赓3，郑津洋1，顾超华1，张鑫1，张俊峰1

（1浙江大学化工机械研究所，浙江杭州 310027；2中国电子工程设计院，北京 100840；3中国标准化研究院，北京 100191 ）

氢能是公认的清洁能源，它具有储运方便、利用途径多样、高利用率及来源广泛等特点，可为解决能源危机、全球变暖和环境污染提供帮助。当前，一些发达国家已将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，我国在氢能的研究及产业化方面也投入巨大。本文综合考虑氢能在能源和化工领域的应用，较为全面地总结了氢能作为清洁能源在燃料电池汽车、分布式发电、燃料电池叉车和应急电源，作为能源载体在可再生能源消纳以及作为重要化工原料在油品质量升级和煤制清洁能源各方面的国内外利用现状，分析明确了氢清洁能源的利用是目前推动氢能发展的主要动力，氢能源载体的利用有助于可再生能源和氢能的协同发展，而氢化工原料的利用则是目前最有希望实现氢能规模化利用的有效途径，同时指出氢的制取、储运和燃料电池技术依然是制约氢能发展的关键因素。

氢能；清洁能源；能源载体；化工原料

煤、石油、天然气等化石能源是当今社会的能源消耗主体，随着消费总量的不断提高，正面临储量减少，开采难度加大，生产边际成本上升的困境。研究认为，2020年之前，全球石油产量将到达顶点，天然气产量的顶点也将在不久之后到达，随之而来的供不应求势必导致世界范围内石油和天然气价格的飞涨。面对这样的能源危机，人们该如何应对？

全球变暖和环境污染对能源的使用提出了新的要求，由其导致的超强台风、飓风、海啸等灾害，暴雨、暴雪、高温、雾霾、酸雨等极端天气时有发生，控制温室气体和污染物的排放已迫在眉睫。面对全球日益严峻的减排任务，人们又该如何应对？

氢能，是公认的清洁能源，被誉为21世纪最具发展前景的二次能源[1-2]，它有助于解决能源危机、全球变暖以及环境污染，其开发利用得到了世界范围内的高度关注。本文将围绕氢能的利用展开，在确定氢能的战略定位之后，讨论了氢作为清洁能源、能源载体以及化工原料的应用，较为全面地总结了国内外氢能的利用现状，总结面临的挑战的同时提出涵盖能源和化工领域的氢能发展方式是推动氢能全面发展的重要途径。

1 氢能的战略定位

2001年，在一个由联合国发展计划署发起的论坛上，皇家荷兰壳牌公司的主席菲尔·瓦特说[3]：“石油和天然气是最重要的矿物燃料，它们曾经把整个世界推进了工业时代，但21世纪它们将为以氢经济为基础的能源新制度革命让出发展空间。”纵观全球，自进入21世纪以来，氢能的开发利用步伐逐渐加快，尤其是在一些发达国家，都将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，人们对其寄予了极大的希望和热忱。

氢具有清洁无污染、储运方便、利用率高、可通过燃料电池把化学能直接转换为电能的特点，同时，氢的来源广泛，制取途径多样[4]。这些独特的优势使其在能源和化工领域具有广泛应用，集中表现为3个方面，如图1所示。首先，氢能是一种理想的清洁能源。不管是直接燃烧还是在燃料电池中的电化学转化，其产物只有水，且效率高。随着燃料电池技术的不断完善，以燃料电池为核心的新兴产业将使氢能的清洁利用得到最大发挥，主要表现在氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车和应急电源产业化初现端倪。其次，氢能是一种良好的能源载体，具有清洁高效、便于存储和输运的特点。可再生能源，特别是风能和太阳能在近十年来发展迅猛，但由于本身的不稳定，导致其电力上网难，出现大量的弃风、弃光现象，严重制约了它们的发展。将多余电量用于电解制氢，可大规模消纳风能、太阳能，制得的氢既可作为清洁能源直接利用，还能掺入到天然气中经天然气管网输运并利用。最后，氢气还是化石能源清洁利用的重要原料。成熟的化石能源清洁利用技术对氢气的需求量巨大，其中包括炼油化工过程中的催化重整、加氢精制以及煤清洁利用过程中的煤制气加氢气化、煤制油直接液化等工艺过程，推进氢能在这些方面的应用有望加速氢能的规模化利用。

2 以燃料电池为核心的氢能应用

氢能是一种理想的清洁能源，其在燃料电池领域的应用是发展氢能清洁利用的关键。燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具有转换效率高、零排放等特点，是最佳的氢能利用技术。近年来，燃料电池技术的不断完善带动了以燃料电池为核心的新兴产业的快速发展，其中，氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车以及应急电源的应用已接近产业化。

2.1 氢燃料电池汽车

汽车是人类迈向工业时代的重要标志，是社会进步的关键因素。然而，传统车用燃料面临紧缺，且产生的汽车尾气是导致全球变暖和环境污染的主要因素之一，这使得汽车工业找到新的技术以替代传统的燃油技术并降低污染物排放变得尤为紧迫。氢燃料电池汽车（FCEV）可实现真正的零排放、零污染，是传统燃油汽车理想的替代品，也是氢能清洁利用的主要方式，图2给出了一种燃料电池汽车的概念设计图[5]。

目前，交通用燃料电池的批量生产成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW[6]，这大大加速了氢燃料电池汽车的推广。2013年3月，现代汽车ix35燃料电池车批产型号在韩国蔚山工厂下线[7]，现代成为全球首个批量生产氢燃料电池车的汽车企业。同年，日本三大车企分别与其它巨头结盟，推进燃料电池汽车的商业化，它们是丰田和宝马、本田和通用、日产和戴姆勒及福特，先后计划于2015—2017年期间实现燃料电池汽车上 市[8]，其中，丰田燃料电池汽车mirai已于2014年12月15日正式上市销售[9]。在国内，氢燃料电池汽车开发也紧随其步，在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会及深圳大运会期间都开展了燃料电池汽车的示范项目[10]。特别是2014年3月，上海汽车集团与德国大众汽车签署联合声明，双方将开展燃料电池技术合作，并宣布于2015年推出80辆燃料电池汽车，进入商业化示范阶段[11]。

然而，氢的制取与储运、燃料电池性能的提高、以及加氢站的建设等问题仍是制约燃料电池汽车发展的主要因素，在产业初期，仅靠企业一己之力很难取得长足进步，还需很大程度依靠政府部门相关政策颁布及资金投入方面的支持。

2.2 分布式发电

分布式发电一般是指靠近最终用户或者就在最终用户处（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人住户）的集成或者单机的小型发电装置。它具有利用技术种类多、发电规模可大可小、设备容易安装及可满足不同需求等优点，可为工业、商业和住宅的供电问题提供解决方案。

目前，以燃料电池为主的分布式发电已在欧美日韩等发达国家和地区开始初步商业化。其中，日本的家用燃料电池发展领先于世界，截至2013年10月，家用燃料电池热电联供系统（CHP）安装量已达57000套，单套售价也已从2009年的350万日元降至今日的200万日元左右，有望至2016年降至（70～80）万日元，到时可完全实现商业化[8]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）和磷酸型燃料电池（PAFC）是现有家用CHP最常用的燃料电池类型。CHP的安装方式主要分为两类，即离网和并网安装，前者为避免受负载波动的影响，使得系统的复杂性和价格提高，而后者可在用电高峰阶段实现电网补充供电，当用电量较少时可向电网输入多余电量，为了得到更高的效率，热存储单元对于两者都是不可或缺的，图3给出了并网安装的家用CHP示意图[12]。此外，燃料电池在工业生产过程领域的应用正在开发中[13-14]，美国能源部资助项目“FutureGen”中SOFC与热机的300kW级工程示范装置发电效率达52%，热电联供后效率可达到80%以上[15]。在我国，国家能源局于2014年4月下发豁免部分发电项目电力业务许可证的通知，为包括分布式发电等在内的分布式能源、清洁能源发展创造了相对宽松的环境，可有效推动国内燃料电池分布式发电的发展。

将燃料电池系统的寿命提高到80000h是目前发展燃料电池分布式发电最具挑战的技术难点。当实现燃料电池的耐久性和成本指标，估计到2020年燃料电池在世界范围内分布式发电领域的占有量将高达50%[16]，这为电力供应提供了新的途径，同时提高了供电质量和可靠性，具有广阔的发展与应用前景。

2.3 氢燃料电池叉车

叉车是物流行业中必不可少的搬运工，是工业车辆中的重要设备，但同汽车一样，大多数叉车依然使用化石燃料提供动力，产生的尾气对环境造成了很大的破坏。保守估计，我国内燃叉车保有量约35万台，叉车参与的所有环节产生的碳排放量，总量估计高达上千万吨[17]，因此，将零排放的燃料电池用于叉车行业的环境效益显著，而且，有相关报道表明燃料电池叉车的效率可在内燃叉车的基础上提高30%～50%[18]。

目前，燃料电池叉车在发达国家中的使用已经开始。2005年，产自丰田的世界首台FCHV-F型燃料电池叉车在德国汉诺威举行的世界最大国际物流展上亮相，随后，美国Cat公司、德国STILL叉车公司、美国Crown公司、美国Raymond公司等纷纷推出自己的燃料电池叉车。其中美国Plug Power公司的GenDrive 1990燃料电池可完美取代电动叉车的蓄电池，其客户名单包括宝马、可口可乐、联邦快递等大公司[19]，据《FUEL CELL 2000》2013年4月研究报告，目前北美地区有3500辆燃料电池叉车在用，其中Plug Power公司占有北美燃料电池叉车市场85%的份额。反观国内叉车市场，内燃叉车仍占据主导地位，燃料电池叉车的研发也才刚刚起步，未来还有很大的发展空间。

除具有与燃料电池汽车零排放的相同特点之外，燃料电池叉车的使用相对集中，因此方便实现燃料的集中供给，这将大大减少加氢站建设方面的投入，这也是燃料电池叉车发展领先汽车的主要原因。

2.4 应急电源

信息技术部门、银行、医院等重要企业或机构与人们的日常生活息息相关，关乎每个人的切身利益，为了在发生电力供应不足或中断的情况下能够保证这些部门继续正常工作，要求必须备有强大的应急电源系统。常用应急电源系统包括铅酸蓄电池组和移动油机。但是，铅酸蓄电池组笨重、备电时间有限且不确定、容易造成环境污染、对环境温度要求苛刻；移动油机后勤保障复杂、易造成废气污染和噪声污染等。相比之下，氢燃料电池，以其具有的能源效率高、环境友好、占地面积小、质量轻、运行稳定可靠、寿命长（铅酸蓄电池的2～10倍[20]）等特点开始受到应急电源市场越来越多的青睐。

将氢燃料电池应用于应急电源的企业众多，比如苹果公司、微软公司、威瑞森公司、AT&T公司、奥巴哈第一国家银行等。尤其是通信用燃料电池应急/备用电源，已成熟商业化应用5年以上，应用规模达到了近万套级，我国三大电信运营商已有百余套燃料电池备用电源投入使用[21]。而且，燃料电池应急电源的可靠性也在实际应用中得到了验证，2012年10月25号ElectraGen™-ME 燃料电池系统为在受飓风桑迪影响的新普罗维斯登群岛上的手机服务领域挽回了大约50%的损失[22]。2012年攀业公司在中国移动开设的首个燃料电池试验局PBP-3000运营至今，期间经历了沙尘暴、降雪等恶劣天气，运行依然稳定[23]。

燃料电池的稳定可靠性是其在应急电源领域推广的重要优势，当然，成本因素仍是限制其规模化应用的主要原因，可以设想，随燃料电池技术的进一步发展，当成本继续降低，燃料电池在应急电源领域的应用也将进一步加大。

3 以氢为载体的可再生能源应用

风能、太阳能的开发利用受间歇性和不可预测性的影响，造成大量能源的浪费，严重制约了它们的发展。氢能是一种良好的能源载体，通过电解制氢的方式将风电、光伏电转化为氢气可提高风能、太阳能的使用量和利用效率[24-25]，制得的氢气可直接利用，还可掺入现有天然气管网实现大规模输运和利用，其流程如图4所示。

3.1 可再生能源消纳

近年来，可再生能源特别是风能、太阳能发展迅猛，已成为部分国家和地区的重要能源之一。2013年，全球新增风电装机容量为35GW，累计装机容量达到318.12GW，其中，我国风电新增装机容量16.09GW，累计装机容量为91.4GW，居世界第一位[26]；同年，全球太阳能光伏新增装机容量超过36GW，累计装机容量超过132GW，其中我国新增并网装机容量11.3GW，累计装机容量18.1GW，亦居世界第一位[27]。然而，风能、太阳能的不稳定性造成了严重的弃电。据统计，2013年单就我国已运营的风场“弃风”量就超过162亿千瓦时，弃风率达到10.74%[26]。

发展可再生能源，储能是关键[28]。可再生能源的储能技术主要包括蓄电池蓄能、压缩空气蓄能、抽水蓄能及氢储能技术，其各自特点如表1所示，通过比较发现，当氢储能技术的成本得到控制，相较于其他储能技术，将具有明显的优势。目前，许多国家已开始借用氢储能技术消纳可再生能源的方式来推动可再生能源发展。

表1 储能技术的比较

法国阿海珐集团的“MYRTE”项目，集成了氢能系统和太阳能光伏电厂，在科西嘉岛运作，旨在通过调峰和平稳光伏电厂负载来稳定电网。欧盟的资助项目“NGRID”，包括1MW的电解槽和储氢容量达33MW∙h的金属氢化物，计划将在意大利运行。此外，加拿大、美国、英国、西班牙、挪威等国，都有氢储能技术的示范项目运行[29-33]。国内也开展了一些氢消纳可再生能源的示范项目，2010年年底，在江苏沿海建成了首个非并网风电制氢示范工程[34]，利用1台30kW的风机直接给新型电解水制氢装置供电，日产氢气120m3（标准状态下）。2013年11月，河北建投集团与德国迈克菲能源公司和欧洲安能公司签署了关于共同投建河北省首个风电 制氢示范项目的合作意向书，其中包括建设100MW的风电场、10MW的电解槽和氢能综合利用装置[35]。

氢储能技术巧妙地结合了可再生能源和氢能的共同发展，与当前人们追求可再生能源及清洁能源的利用趋势一致。目前，其高昂的投资成本及关键装置燃料电池、氢气储运设备之间的配置与优化等问题是限制其发展的主要因素，当各环节进一步发展，制氢成本最终得到控制时，其发展潜力巨大，有望取代传统制氢，成为既经济又环保的制氢方式。此外，制得的氢气可直接掺入到现有的天然气管网进行输运，这很大程度上减少了氢能的输运成本，有助于推动氢能的大规模使用。

3.2 可再生能源制得氢气掺入天然气的利用

利用可再生能源制氢，可制得大量的氢气。按照2013年的“弃风”量计算，保守估计可制得23.7亿立方米氢气。对于这些氢气，研究者不得不面临它的输运问题。常用的输氢方式有长管拖车、液氢罐车及管道输运，然而，前两者输运规模小，且成本高，后者的建设耗时耗财巨大。因此，将可再生能源制得的氢气掺入到天然气，组成掺氢天然气（HCNG），再通过现有天然气管网输送的方式的提出受到了国际上广泛的关注，被认为是目前大规模输氢的最佳选择。研究发现，将氢气的掺入体积分数控制在17%以下时，基本不会对天然气管网造成影响[36-37]。

国际上专门针对HCNG开展了一些研究工作。2004—2009年期间，由欧洲委员会支撑的“NATURALHY”项目比较系统的研究了氢气掺入对整个天然气系统的影响[38]。2008—2011年，在荷兰的Ameland开展了有关将风电氢掺入当地天然气管网的研究，其中2010年年均氢气掺入体积分数高达12%[39]。此外，美国能源部（DOE）也对HCNG投入了大量的研究[40-41]。在德国的Falkenhagen，一个具有2MW“电转氢”能力的示范电厂于2013年完全服役，制取的氢气被直接送入天然气管线[42]。法国环境与能源控制署（ADEME）赞助的“GRHYD”项目也是将可再生能源制得的氢气掺入天然气中供加氢站和居民使用，掺氢体积分数最高将达到20%[43]。然而，要开展天然气管道输送HCNG，受管道材料、管道配件、天然气成分及地理环境的影响，选取合适的掺氢体积分数依然是研究的重点。

HCNG用途广泛，可用作交通燃料、清洁燃气和工业炉燃料，其中，交通燃料的使用是当前的研究重点。研究发现，使用氢气体积分数20%的HCNG的国产内燃机的排放标准可达到国Ⅳ要求[34]。倘若实现了大规模HCNG的利用，其不仅带来良好的环境效益，更有希望缓解我国东部地区天然气储量不足的现状。

4 氢在化石能源清洁利用中的应用

氢气是化石能源清洁利用的重要原料。进入21世纪，环境污染成为全球性的危机，主要责任归咎于化石能源的使用。为了倡导清洁能源的高效利用，控制碳排放量，化石燃料的清洁利用至关重要。油品质量升级和煤制清洁能源是化石能源清洁利用的主要途径，而加氢则是这些过程中的重要环节[44-46]。

4.1 油品质量升级

原油是现代工业的命脉，然而因其不可再生性使之储量日益减少，开采难度逐年加大且质量不断降低。特别是最近十年，我国炼油行业加工高硫和重质原油的比例越来越大，原油重质化和劣质化的趋势越发明显，但与此同时为追求环境效益，国家对油品质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质量。

氢气是炼油企业提高轻油收率、改善产品质量必不可少的原料。炼油过程中的耗氢主要集中在催化重整和加氢精制工艺，如图5和图6所示[47]。整个过程的氢耗一般介于原油质量的0.8%～1.4%，如果按照2015年我国预计的7亿吨炼油能力计算[48]，当氢耗取原油质量的1%时，耗氢量高达700万吨。而随着炼厂各种临氢工艺的快速发展，加氢装置数量的不断增多，氢气的需量将进一步加大。目前，氢气成本已是炼厂原料成本中仅次于原油成本的第二位成本要素[49]。

面对如此巨大的氢气需求量，选择经济的制氢方式至关重要，目前，全球范围内炼油企业中的90%制氢装置都采用烃类蒸汽转化法，但考虑到化石能源的减少以及可再生能源制氢成本的下降，由可再生能源制得的氢气有望作为主要的氢气来源，这不但具有潜在的成本优势，而且环境效益明显。

4.2 煤制清洁能源

我国呈现“富煤、贫油、少气”的能源结构，发展煤制清洁能源，被认为是应对能源和环境挑战的路径之一，具有重要的战略意义。

煤制天然气、煤制油是煤炭清洁利用的重要途径[50]。其中，煤制气的加氢气化过程以及煤制油直接液化过程中需要通入大量的氢气，具体工艺见图7和图8[51-52]。仅以神华煤炭直接液化项目为例，按照优化后的工艺计算，每单位小时处理250t干煤的耗氢量就高达19.186t/h[53]。

由国务院办公厅下发的《能源发展战略行动计划（2014—2020）》中明确指出，要稳妥实施和推进煤制气、煤制油示范工程和技术研发。目前，我国已投产的煤制气项目产能约40亿立方米，预计到2020年其产能将达到600亿立方米[54]。有关煤制油，仅2014年就有多个百万吨级甚至600万吨级的项目获得国家发展与改革委员会的审批[55]。随着示范项目的陆续成功投产，煤制气、煤制油项目的投入力度将进一步加大，届时氢气的需求量也将大大增加，对推动氢气的规模化利用作用明显。类似于油品质量升级过程中的氢气来源，当煤制清洁能源产业进一步发展，使用由可再生能源制得的氢气依然是较好的选择。

在现有条件下，油品质量升级及煤制清洁能源工艺基本完善，并考虑到其过程对大量氢气的需求，使得氢气作为化工原料在该领域的应用成为现有条件下推进氢能规模化利用的最佳方式。

5 结 语

（1）涵盖能源和化工领域的氢能利用是推动氢能全面发展的重要途径，其主要包括在清洁能源、能源载体以及化工原料3个方面的应用。首先，氢作为清洁能源的利用是当今世界上发展最快、环境效益最佳的氢能利用途径，也是目前推动氢能快速发展的主要动力；其次，氢作为能源载体用来消纳可再生能源的利用已在全球开始推广，有助于可再生能源和氢能的协同发展，利用前景广阔；最后，氢气作为化石能源清洁利用的重要原料，需求量巨大，是现有条件下加速氢能规模化利用的关键。

（2）氢的制取与储运、燃料电池性能的提高与成本的降低、以及加氢站的建设等问题是目前限制以燃料电池为核心的新兴产业发展的主要因素，解决这些问题是实现燃料电池商业化应用的关键。

（3）氢能助推可再生能源的发展，解决氢的经济性制取及大规模输运是关键，其中，将可再生能源制得的氢气掺入到现有天然气管道的输送方式被认为是现阶段最有效的输氢方式，但选取合适的掺氢体积分数受多种因素影响，因地而异。

（4）当可再生能源制氢的成本得到控制，将可再生能源制得的氢气作为化石能源清洁利用的原料具有明显的环境效益和成本优势。

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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。

国家高技术研究发展计划（2012AA051504）及国家自然科学基金（51206145）项目。

赵永志（1977—），男，博士，副教授，主要从事高压储氢、氢安全、化工过程装备及计算颗粒力学方面的研究。联系人：顾超华，硕士，副教授，主要从事先进能源承压设备、极端承压设备方面的研究。E-mail guchaohua@zju.edu.cn。