氫能與氫能發(fā)電技術

 概述

時代車輪的滾滾向前，人類掌握的科技則日新月異，作為重要一環(huán)的發(fā)電技術也得到了快速的發(fā)展與進步。在享受科技成果帶來的文明的同時，我們又不得不面對一個習卷全球的問題：能源問題。人類文明的進步幾乎是依靠地球能源與環(huán)境鋪墊而來的，同時隨著科技的進步，人類對能源的需求也日益增大。令人困擾的問題是化石能源的過度使用帶來的環(huán)境方面如全球變暖、環(huán)境污染等問題，開發(fā)可持續(xù)、清潔的新能源已成為世界各國的共同選擇。

新能源的迅速發(fā)展，未來能源網(wǎng)絡將會是電網(wǎng)、氣網(wǎng)、氫網(wǎng)三網(wǎng)合一的立體網(wǎng)狀結構，可實現(xiàn)各個能源間的互補以及有效轉換。風、光等新能源所發(fā)的“綠電”，可作為制氫的電能供應，同時“氫能”可作為儲能通過燃料電池轉化為電能，也可以摻雜到天然氣管道部分替代天然氣送入千家萬戶，所以氫能是“三網(wǎng)合一”能源網(wǎng)絡的核心和樞紐。已成為世界新一輪能源轉型階段中發(fā)展新能源技術的首選，甚至被稱為“最終能源”。

2020年9月中國國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會發(fā)表了重要講話，宣布了中國的“雙碳”目標，對中國乃至全球綠色經濟發(fā)展具有積極影響。其中氫燃料電池作為氫能源的重要應用場景之一在政策的扶持下成功形成了一定的產業(yè)規(guī)模，有望在碳中和目標驅動下正式邁入提速發(fā)展階段。同時，傳統(tǒng)的能源和能源核心企業(yè)也紛紛開始布局氫能產業(yè)，積極推動整個氫能產業(yè)鏈的發(fā)展，中國氫能產業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機遇。在此需求的推動下，可再生能源技術大力發(fā)展。在發(fā)電技術中，風能、太陽能、水能等可再生能源迅速發(fā)展。同時，氫能源則更具有清潔與可再生的特點，它的用途也十分的廣泛，是新世紀十分理想的能源形式。

氫能發(fā)電背景

隨著世界環(huán)境與能源問題的日趨嚴重以及國家政策對可再生能源技術的鼓勵和“碳中和”“碳達峰”目標的提出，可再生能源技術、核電等非化石燃料燃燒的發(fā)電技術快速發(fā)展。其中，部分可再生能源發(fā)電技術體系逐漸日趨成熟，在效率等問題上逐漸達到目前技術所能達到的暫時的高峰。

目前，水能的使用在國內基本上已經處于飽和的狀態(tài)，其對于地區(qū)江河環(huán)境要求較高，同時修建水電站對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響也相對較大。其次，風能、太陽能、潮汐能等可再生發(fā)電方式由于其本身對環(huán)境、時間條件的要求較為嚴格以及技術限制等問題致使其目前無法成為我國主要發(fā)電技術。

此外，核能的發(fā)電能力較強且沒有除了核廢料之外的污染物排放，能夠提供清潔的電能。但是核電存在的問題令人們不得不重視。其一是核電單位裝機容量投資成本較大，是常規(guī)火電廠的1.5到2.0倍；其二則是對核電安全性問題的顧慮，核電的發(fā)展歷史在過去與現(xiàn)在一直存在著令人無法對其完全信任的種種意外：曾經的切爾諾貝爾事件，以及一直無法有效解決的日本福島核電站的相關問題。而且核電站本身核廢水的處理一直無法有效解決。種種因素的存在致使我國不選擇將其作為主要的發(fā)電方式。

目前所討論的氫能源相較于其他發(fā)電技術則具備著來源方便、清潔、發(fā)熱值高等優(yōu)點，十分符合當今的時代理念，有望成為未來主要發(fā)電方式。

氫能的特點

氫元素處于元素周期表的第一位，其原子質量是最小的，早期就有采用氫氣制作成熱氣球，作為運輸?shù)墓ぞ?，如圖1所示。

此外，氫能具有的特性有：（1）氫氣具有良好的導熱性能。在所有氣體中，氫氣的導熱性最好，1個大氣壓下（0℃）時，氫氣的導熱系數(shù)為0.1289W/(m?K)，比大多數(shù)氣體的導熱系數(shù)均高出10倍左右，在能源工業(yè)中氫是傳熱載體，比如在發(fā)電機的冷卻中采用氫氣進行冷卻。（2）理想的發(fā)熱值。每千克氫燃燒后能放出142.35千焦的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。（3）自然界存在最普遍的元素。氫原子構成了宇宙質量的75%，氫多以化合物的形式存在于水中。在地球上，海洋占到地球的3/4，地球上水最為廣泛。（4）無毒。氫是無色、無味的氫氣，氫燃燒后的產物是水，沒有造成環(huán)境污染的硫氧化物、氮氧化物和粉塵顆粒以及溫室氣體如：二氧化碳，碳氫化合物等。（5）作為多種形態(tài)存在以滿足運輸需要。氫能重量較輕，因此從運輸成本及社會總效益考慮，氫能的運輸優(yōu)于其他能源。氫常溫下為氣態(tài)，低溫高壓下為液態(tài)，或與金屬可化和為固態(tài)金屬氫化物，這三種形態(tài)可作為不同的貯運方式的需要。圖2為Linde公司放置在德國Autovision博物館的液氫儲罐樣品。（6）耗損少。氫能可通過燃料電池轉化為電能，或者采用管道輸氫，這樣就可取消遠距離高壓輸電，即提高安全性，又降低能源無效損耗。（7）減少溫室效應。氫能的應用可減少溫室氣體的排放，最大限度地減弱溫室效應，與我國目前的“雙碳”目標相符合。

國內氫能的發(fā)展

氫能汽車

目前國內氫氣利用較為廣泛的技術之一，這一技術被視為解決未來人類能源危機的有效方案。與此同時，氫能汽車行業(yè)在此基礎上也得到了迅速發(fā)展。隨著國家經濟的發(fā)展與人民生活水平的日益提高，汽車產業(yè)在我國工業(yè)生產中逐漸占據(jù)較大的份額，但是目前傳統(tǒng)的汽車主要使用汽油或柴油發(fā)動機，雖然目前對汽車的尾氣排放已有極大的技術改進，其溫室氣體的排放仍然對于環(huán)境有著極大的損害，因此氫能汽車的發(fā)展對于能源節(jié)約與環(huán)境保護有著重要的意義。而如今能源供應日趨緊張，在燃料發(fā)動機的汽車中，氫能作為替代能源的優(yōu)勢更加明顯。

國家氫能產業(yè)政策

我國氫能產業(yè)的“東南西北中”五大塊發(fā)展區(qū)域。其中，東部地區(qū)（主要是上海，江蘇等地）的氫能發(fā)展較為迅速。從產量來看，我國在制氫方面的技術正在逐步提升，2020年全國氫氣產量超過2000萬t/a，但主要是以工業(yè)的副產品為主，也就是所謂的“藍氫”，與“藍氫”這一概念相對的則是“綠氫”，指的是使用清潔能源生產的氫氣，目前需要大力發(fā)展的就是清潔能源制氫。

為了加速推進氫能產業(yè)的發(fā)展，國家方面也陸續(xù)頒布了相關政策，意在激發(fā)氫能發(fā)展的速度。2011年以來，政府主管部門在戰(zhàn)略定位、產業(yè)結構、科技創(chuàng)新、氫能產業(yè)發(fā)展等方面實施了多項扶持措施。用于指導和促進氫能產業(yè)發(fā)展的融資和資金。2019年，氫能首次被納入政府工作報告，其中明確“促進水合和其他設施的建設”在《2020年國民經濟和社會發(fā)展計劃》提出的主要任務當中，首次明確地提出中國氫能產業(yè)發(fā)展國家戰(zhàn)略規(guī)劃。隨后，在2020年4月10日，首次將“氫能”列入《中華人民共和國能源類別（征求意見稿）》。2020年4月23日，財政部、工業(yè)和信息技術部發(fā)表了一篇關于氫氣使用的論文。表明：“調整當前燃料電池汽車購買補貼，以選擇具有基礎、熱情和特色的城市或地區(qū)，重點關注關鍵部件的技術突破和工業(yè)化應用，中央政府將以‘獎勵’而不是補貼。要在大約四年內建造新型氫燃料電池汽車產業(yè)鏈，做到必須掌握自主核技術，打造布局合理、協(xié)調發(fā)展的良好競爭和發(fā)展市場局面。”

市場方面，目前國內氫能產業(yè)資本發(fā)展迅速，國內各大能源集團都競相發(fā)展氫能產業(yè)，總的來說，我國氫能產業(yè)即將迎來高速發(fā)展階段。

國外氫能源的發(fā)展

早在2017年，日本政府起草并公布了“基本氫能戰(zhàn)略”，這個戰(zhàn)略的最終目的在于創(chuàng)造一個以氫能為主題能源的“氫能社會”。未達到這一目的，首先要做的就是將氫能價格拉低實現(xiàn)與其他燃料的價格基本持平甚至低于傳統(tǒng)燃料價格，這樣就能夠更好地推廣氫能在國內的應用；大力建設加氫站，實現(xiàn)以新型的氫燃料汽車替代傳統(tǒng)的燃油汽車，以氫能發(fā)電天然氣及煤炭發(fā)電。

美國作為最早將氫能納入國家能源戰(zhàn)略的國家，早在1990年就出臺了《1990年氫研究、開發(fā)及示范法案》。此后，美國能源部發(fā)布了《氫能項目計劃2020》，該計劃對于美國的氫能產業(yè)發(fā)展做了全面的闡述和明確的目標，為發(fā)展氫能打下了堅實的基礎。當前美國氫能產業(yè)的技術瓶頸主要集中在各環(huán)節(jié)的成本、耐久性、安全性以及缺乏基礎設施等方面。

氫能發(fā)電面臨的問題和瓶頸

氫氣制取成本較高

電解水制氫單位能耗在4-5kWh/Nm3，據(jù)測算，2030年和2050年季節(jié)性儲能高峰電量潛力約為0.99萬億kWh和2.14萬億kWh，由此產生的制氫規(guī)模將分別達到1800萬噸和4000萬噸。電解水制氫的成本主要有三部分組成：第一是制氫廠建設、設備費用，第二是日常運營維護工作費用，第三是電費。在這三大成本當中，電價是導致電解水制氫成本高最主要的原因，約占總成本的78%。若利用電網(wǎng)消納不了的電能進行電解水制氫是一種降低成本的優(yōu)良途徑。

氫氣儲運困難、加氫站建設數(shù)量少

氫能儲運和加注產業(yè)化整體滯后。儲氫技術雖然也在不斷提高，但其受基本材料的約束，發(fā)展速度相對滯后。運輸方面主要有兩種運輸方式，管道運輸和氫拖車運輸，二者相比各有優(yōu)缺點，但是成本都比較高?？傊畠浜瓦\輸?shù)母甙撼杀竞艽蟪潭壬现萍s了氫氣的使用和發(fā)展。

當前，氫的運輸方式包括道路車輛、鐵路、輪船、管道運輸四種， 道路運輸方面，氣氫拖車是目前應用最為廣泛的一種氫運輸方式。最常見和成熟的氫儲存技術，鋼缸具有簡單的儲存和運輸結構，壓縮氫的低能消耗，高速填充和排放速度，但有泄漏和爆炸的危險性，安全性能差。

液化儲氫雖然能夠節(jié)約下較大的存儲空間，但是卻帶來了技術和經濟性上的雙重難題。液態(tài)氫的體積大約只有氣態(tài)氫的1/845，因而在運輸過程中可以極大地減少空間。技術上的難題在于，要使氫氣維持在液態(tài)需要將溫度保持在-253℃以下，否則會導致液態(tài)氫發(fā)生氣化，具有較大的危險。經濟方面的難題在于，將1kg氫氣需要消耗4~10千瓦時的電能，再加上需要在液態(tài)儲氫對于材料的高要求，這些都使得氫氣儲運的成本很大程度地增加了。

近年來，固體材料由于其高儲氫密度，良好的安全性和高純度氫氣備受關注。固體材料儲氫方式主要有兩種，物理吸附儲氫、化學吸附儲氫。前者主要原理是通過多孔材料的范德華力與氫原子之間的相互作用來存儲氫氣，但缺點在于常溫常壓條件下材料的范德華力很弱，會導致逸出氫，而氫氣屬于易燃易爆氣體，因此具有一定的危險性；后者則是使用特定的能與氫原子發(fā)生化學反應的材料，二者相互反應形成穩(wěn)定的水合物來儲氫，當然這種儲氫方式也有一些缺點具體有吸氫溫度高、動力學差、可逆性差等。

總而言之，我國目前對于氫氣的儲運技術仍然沒有達到工業(yè)化的要求，這是影響氫能發(fā)電大規(guī)模推廣應用突出問題。

總結

氫能發(fā)電已經成為國內外重點研究方向，其發(fā)展?jié)摿薮?，世界主要國家對氫能源和燃料電池的開發(fā)非常重視。美國、日本、德國等發(fā)達國家持續(xù)支持氫能源、燃料電池的研發(fā)和工業(yè)化。

中國是能源消費大國，是能源不足的國家。氫能源對于加快中國能源生產和消費革命、加快新時代能源轉換發(fā)展非常重要。清潔能源氫的生產和能源利用尚處于開發(fā)的初期階段，氫能量在未來的運輸和電力儲存領域具有很大的前景。