氢能利用方式及发展前景

雷田田

（广东能源集团天然气有限公司，广东 广州 510630）

煤炭、石油、天然气等传统化石能源正日益枯竭，温室效应、环境污染问题也越来越严重，获取和使用新型能源已经变得十分迫切。氢能燃烧的唯一产物是水，无其他温室气体和污染物排放，具有资源丰富、可再生性、可储存性的特点，并且可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，因此被认为是化石能源最有前途的替代物之一，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能应用可以渗透到能源的各个方面，除石化工业应用如合成氨、甲醇、石油与煤炭深加工等之外，近年来在新能源应用方面受到追捧，包括加氢站、氢燃料电池等下游各种应用。但由于制氢成本投资高、大规模储氢及运输技术发展缓慢等因素，阻碍了氢能利用的发展。随着碳排放要求的提升，能源结构转型已经成为世界能源体系发展的重要趋势，各国越来越重视发展氢能，“十四五”期间，氢能产业将迎来重大发展机遇。

1 氢能产业发展现状

氢能在世界能源转型中的角色价值日益凸显，世界主要发达国家近年纷纷大力支持氢能产业发展[1]。近年来，美国、日本、欧盟等国家和地区相继制定了氢能发展战略[2]。

20世纪70年代，美国出现石油危机，随着能源自给项目失败，美国开始关注氢能的利用，着手布局研发新技术，加大相关研究项目的资金投入，攻克制氢、储氢及氢能利用的关键技术。从1990年开始，美国就制定了推动利用氢能的发展思路，包括评估政策、预测应该前景、制定方案、研发技术及示范推广等[3]。2017年，美国能源部着重研究30 个氢能燃料电池项目，投入资金1580 万美元[4]。2003年，《氢经济国际伙伴计划》在华盛顿成立，美国、加拿大、巴西、澳大利亚及中国等国家参加[5]。除此之外，美国能源部一直加强对相关企业的扶持，主要成立国家实验室进行研究，高校和企业研究院辅助研究。在一系列推动下，美国氢能燃料电池项目快速发展[6]。

日本“氢能社会”战略已逐步转化为国民意识，氢能产业链趋于完善，已是全球氢能市场的顶尖竞争者。日本政府于2013年推出了《日本再复兴战略》，把发展氢能提升到国策的高度，进一步明确了日本国内燃料电池车的相关规章制度，并表示将大力普及家用和工业用的燃料电池[7]。2017年，经济产业省为促进氢能发展制定《氢能基本战略》，明确了2050年发展愿景和2030年实现目标的行动计划。2018年，《第五次能源基本计划》出台，在应对气候变化的系列政策中，将节能和氢能利用作为重点内容。目前，日本在氢能生产、储存和运输及下游氢燃料电池应用等方面，技术能力都处于领先地位。

欧洲较强的环保意识也促进了氢能产业的发展，氢燃料电池汽车逐渐出现在车企的重点研发中，产业联盟积极布局加氢站。除了环保意识强烈，欧洲也出台系列政策支持，在市场经济的环境下，氢能燃料电池全产业链发展的越来越完善。同时，欧洲在推进氢能利用的同时，出台政策扶持，加大资金投资，注重技术研发，在交通领域氢燃料电池取得了良好应用。在欧盟众多国家中，德国处于引领地位，在推进氢能发展方面起着重要作用。2019年，欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径》，提出了面向2030、2050年的氢能发展路线图[8]。

近年来，我国致力于构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，实施可再生能源替代行动，加快推动绿色低碳技术实现重大突破，抓紧部署低碳前沿技术研究，把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。因此，我国也高度重视发展氢能产业，并出台了一系列产业政策，氢能已成为国家大力扶持和重点推进的战略产业。2016年，国家发改委发布《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，将利用可再生能源制氢、氢能与燃料电池技术创新作为重要内容，这表明了氢能产业被列入国家能源战略[9]。2019年3月，首次将推动加氢基础设施建设写入政府工作报告[10]。2019年11月，国家发改委等15 部门印发《关于推动先进制造业和现代服务业深度融合发展的实施意见》（发改产业〔2019〕1762 号），提出完善制氢、储氢、输氢及加注站等产业链发展，促进氢能产业技术创新。2020年4月，《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》将氢能列入范畴[11]。同步，国家能源局发布《关于做好可再生能源发展十四五规划工作有关事项的通知》，将氢能列入可再生能源发展十四五规划编制重点任务，各个地区都在积极发展氢能产业[12]。

2 氢能利用方式

氢能的利用较为广泛，传统利用方式是作为石油化工原来，例如炼油过程中的加氢反应，丙烷脱氢合成氨、甲醇等，这也是氢用量最大的方式。此外，在冶金工业、电子工业、食品工业、玻璃产业等领域也有应用[13]。今年来，作为新能源，氢能将是未来氢动力汽车燃料电池、氢能发电的新兴燃料[14]。

2.1 氢动力汽车

氢动力汽车是以氢气作为发动机的燃料，代替传统汽油，已通过美国、日本及德国等国家汽车产业的试验，技术方案是可行的，但是面临氢成本较高的阻碍。燃烧每公斤氢能够产生33.6 kW/h 的能量，具有较高的效能，约为汽油燃烧的2.8 倍。氢气在具有高热值的同时，很低的能量就能点燃，火焰具有较高的传播速度，因此氢动力汽车具有较高的燃料利用效率，比汽油汽车高约20%。除此之外，氢气燃烧基本不含有碳氢化物，也不会产生污染环境的气体，主要生成物是水，因此氢能汽车环境友好，是理想的交通运输工具。

供氢在氢动力汽车中十分重要，储氢材料是金属氧化物，发动机冷却水再加上尾气产生的热来释放氢气。现阶段，氢能汽车主要有两种模式，一种是纯氢汽车，一种是汽油和氢气混合燃烧的掺氢汽车。掺氢汽车一般是稍加改变汽车的发动机，便可以减少排放污染尾气，同时燃料整体的利用率也大大提高。鉴于目前氢气成本较高，一般多为掺氢汽车，未来纯氢汽车将越来越受欢迎。

掺氢汽车是使用氢气和汽油的混合燃料，有利于在贫油区推广，同时还能够使发动机的燃烧情况得到改善。同时，很多余氢是作为工业副产品存在的，通常作为燃料烧掉或者直接以尾气排放，若能回收利用，提纯后作为氢动力汽车燃料，改善环境的同时也能提升整体的经济效益。

2.2 氢燃料电池

氢燃料电池无需经过燃烧，即可将燃料中的化学能转化为电脑，可以达到60%-80%的转换效率，而且装置较小，比较灵活，噪声污染和环境污染较小[15]。之前，氢燃料电池的成本交给，主要作为电源应用在航天领域，随着技术的发展，造价成本逐渐降低，应用越来越广泛。目前，氢燃料电池种类较多，主要由以下几种：

2.2.1 磷酸盐型燃料电池

最早的燃料电池是磷酸盐型燃料电池，具有相对成熟的工艺流程，美国已经建成4 500 kW 的商用电站，日本建成11 000 kW 的商用电站。磷酸盐型燃料电池能达到200℃的操作温度，45%的发电效率，150 毫安每平方厘米的最大电流密度，以氢、甲醇等作为燃料，以空气为氧化剂，铂系列为催化剂，发电成本比较高，平均为40 美分每千瓦时[16]。

2.2.2 融熔碳酸盐型燃料电池

融熔碳酸盐型燃料电池归属于第二代燃料电池，它的运行温度可达到650 摄氏度，发电效率可以达到55%，日本已有公司建成的发电装置达到10千瓦级。这种燃料电池在比较高的温度下工作，采用的是液态的电解质，一氧化碳可以留存，一氧化碳、氢、天然气等都可以作为燃料。发电的成本能够低于每千瓦小时40 美分。

2.2.3 固体氧化物型燃料电池

固体氧化物型燃料电池被认为是第三代燃料电池，其操作温度1 000 ℃左右，发电效率可超过60%，目前不少国家在研究，它适于建造大型发电站，美国西屋公司正在进行开发，可望发电成本每千瓦小时低于20 美分。

另外，燃料电池还有其他类型，如碱性的燃料电池，其可以达到200 摄氏度的运行温度，60%的发电效率，且催化剂不使用贵金属，瑞典开发的用于潜艇的装置能够达到200 千瓦。

氢燃料电池其原理跟电解制氢是互逆的，因此氢气是燃料电池最佳的燃料[17]。燃料电池可以用来成立固定电站，同时也可以为移动车船等提供能量，是未来氢能利用的重点发展方向。

2.3 氢能发电

在发电领域，火电、风电及水电等，都是由电厂发电，经过电网输送后到达终端用户使用。由于用户用电有时是高峰有时是低谷，因此用电负荷是不规律的。而氢能发电能够很好地解决这个问题，氢能发电站相对灵活，能够快速启动，具有良好的调峰作用。还有一种氢氧发电机组，其原理是燃烧氧气和氢气，可以用在火箭身上，不需要蒸汽系统，内燃发动机加上发电机即可，具有简单的结果，能够实现快速启停，也能便于修理。氢能发电具有调峰作用的同时，还可以通过对火电机组运行状况的改变，从而将发电能力提高。未来，随着传统发电污染严重、占地面积大等问题，氢能发电等新能源发电将应用越来越广泛。

2.4 家庭用氢

化石能源越来越少，随着氢能利用的发展，氢能将逐渐代替化石能源，未来将从大城市开始，氢气通过管道，进入每家每户，像天然气一样，入户后接通厨房灶具、热水器等用气设备，同时可以与家庭内充氢设备相连，给氢能汽车补充能量。有了入户的氢能管道，可以代替天然气、煤气、电力管线等，汽车也不用到加油站加油。未来，家庭用氢系统，不仅清洁方便，也使生活环境更加舒适。

作为替代传统化石能源的新能源，氢能的安全性受到人民的高度重视。从原理方面来看，氢气泄漏或燃烧时，能很快在空气中扩散，在空气中垂直上升很快消失，因此是比较安全的。另外，氢气不含有放射性，本身也是无毒的，燃烧后产物是水，对温室效应没用影响，也不会伤害人体。

3 氢能利用发展前景

3.1 制氢技术分析

氢气是一种二次能源，需要通过一定的方法利用其他能源制取，其制取方法按照制备源不同主要分为四大类：化石能源制氢、其他含氢物质制氢、太阳能制氢和可再生能源制氢，同时，多种化工过程如电解食盐制碱工业、焦炭工业、轻油裂解等均有大量副产氢气，如能采取适当的工艺将氢气进行有效的分离并回收，每年可以得到近千万吨的氢气。

当前，我国化石能源制氢技术发展成熟；含氢物质制氢、太阳能制氢、生物制氢等技术仍处于研究和示范阶段，是未来制氢技术的重要发展方法；工业副产氢气提纯制氢技术得到了广泛的应用，但多用于场区内自产自销[18]。

因制氢原料的差异，各类制氢技术生产的氢气中杂质组成及其含量差异大，水电解制氢技术相对更易获得高纯度、杂质少的氢气。

3.2 储氢技术分析

氢在常温常压下为气态，密度非常小，因此，在氢能技术中，氢的储存是个重要环节，目前氢气储存方法主要有高压气态储氢、液化储氢、玻璃微球储氢、金属氢化物储氢、碳质吸附储氢、有机液体储氢等[19]。目前使用广泛的储氢方式为高压气态储氢，主要是由于对环境污染少，并具有较好的经济性；液化储氢的能量密度很高，效率可以达到93%，但由于昂贵的储存成本，因此主要是航空航天领域应用；金属氢化物储氢在所有储氢方式中体积密度是最高的，能够达到100 kg·m-3，但是具有比较大的质量，导致成本比压缩储存方式要高；碳质吸附储氢关键是研究吸附量的提升，通常是在常压、常温下进行，虽然在许多方面都取得一定进展，包括净化吸附剂、合成吸附剂等方面，但都刚刚起步。在上述各种储氢技术中，碳质吸附储氢具有较大的优势，虽然目前还在初步研究阶段，但是发展空间非常大的储氢方式。

3.3 输氢技术分析

氢能要得到广泛应用，运输环节是关键。通常情况下，氢能用户距离生产单位具有一定的距离，氢气输送就显得十分关键。根据在运输过程中氢气所呈现的状态不同，输氢方式包括气态输送、液态输送及固态输送。其中，气态输送和液态输送目前应用比较广泛。通常，根据用户用氢要求、用户分布情况及输送距离等因素，氢的气态输送可以采用高压容器装车、船，或者采用管道输送。

对于高压气态氢气输送，应用高压容器车载或船舶运输方式，技术非常成熟，被广泛应用于商品氢气运输，缺点在于运输量小，不适合于远距离运输；对于液态氢输送，多使用槽车运输，国外应用较为广泛，国内仅应用于航空航天领域，相对气态氢气的高压容器运输，液态氢槽车输量大，但存在液化投资高、能耗高、设备要求高等缺点。除此之外，还可以利用储氢材料输送固态氢，但目前应该教室，处于初步研究阶段。

未来，随着氢气应用越来越广泛，管道大规模气态输氢将是研究的重点。国外氢气管道建设多为工业气体公司进行，在工业气体生产基地与用户之间建设长距离输送氢气管道，管道具备输送和储存的双重功能，管径多在DN100～DN350 之间，压力一般不超过4.0 MPa。

目前，管道输氢技术已基本成熟，但我国氢气管道建设刚刚起步，国内氢气管道建设多为场区内管道，基本为回收利用增产创收项目，尚需完善氢气管道设计、建设、运营管理等方面的规范、标准体系[20]，开展系统的基础研究，开发更优异的抗氢脆、高强度管道材料，为建设将来大规模建设长距离、高压力、大输量的输氢管道创造条件[21]，预计到2030年后将得到较大的发展。但氢气管道运输的发展最终取决于整个氢能产业的发展。

4 结论

在积极应对全球气候变化、加快绿色低碳发展的大背景下，氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源得到快速发展，其利用前景将十分广阔，而氢能的利用也将促进制氢、储氢和输氢技术的发展。目前，对氢能利用的研究虽然取得了一定的进步，但大部分研究的不够充分；同时受制于制氢成本高、大规模管道输氢尚在起步阶段，氢能暂未得到大规模应用。因此，根据不同的场合要求对氢能高效利用、开展大规模管道输氢技术研究将是未来研究的重点。