氢能在新能源领域的应用

李鑫圣

(西藏大学理学院，拉萨 850000)

新能源是区别于传统能源的非常规能源，过度依赖常规不可再生能源极易引起环境问题，且常规能源地理分布极不均衡，因此以新技术和新材料为基础的新能源逐步被重视。目前，开发较为成熟的新能源主要以太阳能、风能、核能与生物质能为主，但太阳能、风能存在间歇性、波动性与随机性，在传输、储存等后续过程中存在诸多问题[1]。核能的安全标准与核废料的处理方式仍需进一步提高和改进[2]。生物质能分布零散[3]，亦给使用带来了较大不便。

1 氢能

1.1 氢能发展历史

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，也是应对气候变化综合解决方案的重要手段。1970年，“氢经济”被首次提出。1976年，美国斯坦福研究院研究了氢经济的可行性。当今世界多国都非常重视氢能[4]。我国对氢能的研究始于20世纪70年代，在同期进行了大量基础性燃料电池的研发工作。为进一步推动氢能发展，21世纪初，氢能即被列入本世纪第一个五年计划。

1.2 氢能特点

作为二次能源，氢能被称为世界上最干净的能源，相对于常规能源燃烧生成的SO2、NO等有害产物，氢能燃烧产物仅为水。氢的热值是焦炭的4.5倍，相同情况下，氢能放出的热量更高。相对于常规能源的复杂分布情况和二次能源的难以储存问题，氢能来源广泛，可利用电解技术、光解技术、化石燃料副产品加工技术实现制备目的，便于储运，适用于大规模储能。氢的大规模储运，高度依赖技术进步和基础设施建设。我国在加氢站建设的快速发展下，氢能发展取得了实质性进展。

1.3 氢能意义

氢能作为缓解能源污染、提高能量储存转化效率、构建安全高效现代能源体系的综合解决方案，对未来的能源系统至关重要。由于氢能全产业链较长，因此氢能产业的快速发展也可带动经济的全面发展。

2 应用

2.1 后级储能

21世纪以来，世界各国对可再生能源领域投入了大量资源，以风能、太阳能为主要对象的新能源技术和产业得到了迅速发展，我国亦十分重视。2020年3月，由黄河水电开发公司承建的青海省太阳能光伏发电站已并网发电，该电站是世界第二大电站。

随着风力发电、光伏发电的发展，电力输送和综合消纳问题逐渐浮现。由于太阳能与风能具有随机性，导致部分电能品质较差，不能被利用和存储。氢能作为现代绿色储能技术中最适合的方式，通过收集两者废弃的能量，可以有效提升风力发电与光伏发电中电能的储存与运输效率，具体系统结构见图1。

图1 氢能储能方式结构图

2.2 氢燃料电池

燃料电池有助于实现氢能的便携化、普及化。氢燃料电池通过电化学方式产生水和热，对环境无污染，发电效率可达到50%以上。氢燃料电池运行噪音小，适合在室内安装，可被广泛应用于通信、住房、交通等各种场合。氢燃料电池在航天领域做出了巨大贡献。2008年，美国波音公司成功地在西班牙试飞了氢燃料波音飞机。2020年，ZeroAvia公司宣布经改装后的六座氢动力飞机完成了环形试飞并成功降落。同年，我国开发的氢动力无人机续航时间打破了世界记录。这些成果都表明，氢燃料电池在商用领域有着巨大的发展潜力。氢燃料电池产业链部分产业见图2。

图2 氢燃料电池产业图

2.3 氢动力汽车

新能源汽车指使用非汽油能源发动机的汽车，包括燃料电池动力、混合动力、氢能源动力等。新能源汽车产业正蓬勃发展(见表1)，目前新能源汽车所用的电池以锂电池为主，一般为磷酸铁锂电池和锂硫电池，前者材料耐低温性较差，后者可循环周期较短，安全性较低。这两种电池，都未完全实现碳中和，存在一定的不足。氢动力汽车生成物是水，没有硫和其他有害物质，所以氢电池相对燃油和锂电池具备较大优势。氢能源成本也在逐渐降低，未来新能源汽车的发展方向仍会以氢动力汽车方向为主。

表1 我国近年新能源汽车销售情况

2.4 工业原料

氢气除了作为绝佳的储能材料外，也可作为工业原料用于石油炼制、合成氨、焊接、食品工业等方面。

2.5 富氢水

富氢水是含有一定浓度氢气的水。富氢水的制备技术在一定程度上已比较成熟。富氢水通过饮用或作用于皮肤，可改善因皮肤老化而产生的色斑、皱纹等，其在医学、体育及美容领域有着广泛的应用。

3 总结与展望

氢能作为一种可再生能源，可通过多种方式制备，将节约大量的不可再生资源，其在新能源领域也具有大量且广泛的应用。多项研究表明，氢能在未来能源发展中将起到重要作用，有着非常高的应用潜力，并且氢能的成本将会随着科学技术的不断进步而日益降低。在倡导节能减排、保护环境的情况下，氢能正越来越受到世界各国的重视。应加大对氢能相关产业的研发投入，积极制订氢能发展规划，使我国氢能技术和产业得到快速发展。