氫能這么火熱，還不快來了解下？

　　摘要：本文將簡單介紹發(fā)展氫能的必要性，為大家展示一個簡化版的氫產(chǎn)業(yè)鏈模型，分析其未來可能的發(fā)展方向及發(fā)展瓶頸，希望讀者對氫能有個初步的了解。

　　隨著全球化石燃料消耗量日益增加，人類對環(huán)境造成的污染日益嚴重，能源的清潔化也成了能源供給行業(yè)的一個必然趨勢，為了減少溫室氣體的排放，一場遍布全球低碳能源革命也正在轟轟烈烈的進行。而這一革命的基石毫無疑問是發(fā)展新能源技術(shù)，尋找一種作為化石能源替代品的清潔能源。

　　自然界中清潔能源的資源無處不在，想要將各類能源有效利用起來，卻是一個不小的問題。雖然在各地風(fēng)力發(fā)電、光伏早就已經(jīng)不再是什么新鮮的事物，但是風(fēng)能、光能作為大自然中無限的資源，卻不是能夠輕易控制的，由此獲得的電能也畢竟是一種看不見摸不著的能量媒質(zhì)，電能的存儲、運輸相比實實在在的化學(xué)燃料都要困難很多。一個值得努力的方向是，將這些不可控制的能量，轉(zhuǎn)化為一種像化石燃料一樣易于存儲運輸?shù)幕瘜W(xué)能量載體。于是，人們發(fā)現(xiàn)了一種可以將電能，轉(zhuǎn)化為氣體的技術(shù)：Power-to-X，其中最直接的便是通過水解技術(shù)直接獲得氫氣，由此也拓展了一個全新的行業(yè)：氫能產(chǎn)業(yè)。

　　首先，讓我們來看看氫氣的特性

　　想必學(xué)過高中化學(xué)的理科生們都知道，氫氣是由兩個宇宙中最輕的原子組成的氣體，無色無味、無毒、易燃，遇到火源，可引起爆炸，燃燒后除了水，什么也不會留下。聽到爆炸，可能很多人都會不安，但是實際上我們平時使用地汽油和天然氣也易爆炸。相比之下，氫氣反而由于輕便，擴散得更快，更不易形成可爆炸的氣霧。就算萬一不幸泄露了，一般來說，氫氣爆炸要達到兩個條件，除了要滿足氫氣的爆炸極限（在空氣中體積濃度在4%-75.6%），還要施加靜電、明火或混合空氣溫度達到527℃及以上，才會爆炸，而且氫氣的泄露能量和爆炸當(dāng)量也只有天然氣的40%，汽油氣的1/22。

　　當(dāng)然，涉及到作為燃料，熱值也是很重要的一個標(biāo)準(zhǔn)。氫氣的單位質(zhì)量熱值是33.33KWh/kg,是柴油的3倍多。但是由于氫氣密度小，在壓縮到700bar的時候，單位體積熱值是1.3KWh/l;液化的時候，也才2.4KWh/l,相比柴油的10KWh/l,還是相對較小。

　　那么，為什么要發(fā)展氫能呢？

　　當(dāng)前的我國的能源改革主要思想是，大力發(fā)展以風(fēng)光為主的新能源，提高新能源發(fā)電比例。然而，新能源發(fā)電的波動性會對電網(wǎng)造成一定的影響，造成電網(wǎng)頻率的波動，僅靠電池儲能的很難實現(xiàn)大量的新能源的消納。特別是在我國，三北地區(qū)的新能源裝機容量巨大，但由于當(dāng)?shù)叵{能力有限，而且沒有足夠多的電力外送通道，因此在過去幾年裝機量快速增長的同時，棄光限電的情況也逐年惡化。除了建設(shè)大型的儲能電站以外，一個更好的解決方案是：在風(fēng)光過剩的地區(qū)，建設(shè)產(chǎn)氫設(shè)備，將多余的電力通過電解裝置轉(zhuǎn)化為氫氣存儲。產(chǎn)生的氫氣，脫離了電能時間上和空間上的限制，相比之下更加便于運輸和存儲，同時也避免了電網(wǎng)管網(wǎng)的不穩(wěn)定和擴建，而其本身也夠成了一個完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈：首先，產(chǎn)生的氫氣一方面可以像天然氣一樣，長期存儲在地下氣穴中，或大型的儲氫站中，等到需要使用的時候，可以通過管道，或經(jīng)過壓縮，或經(jīng)過液化由卡車運輸至需求點，用于各種用途。

　　氫能利用的前景是什么樣的呢？

　　提到氫氣的利用，人們最熟悉的便是將氫氣作為傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)原料。事實上，氫氣是一種十分靈活的能源載體，是除了電力以外少有的零排放能量載體之一，燃燒后的產(chǎn)物只有水。氫氣作為一種能源載體，在交通、工業(yè)和建筑等各個領(lǐng)域的能源供應(yīng)中都有重要的應(yīng)用（如上圖），結(jié)合燃料電池技術(shù)，能夠大大提高未來低碳能源系統(tǒng)的操作靈活性，足夠當(dāng)之無愧地被稱為21世紀(jì)的終極能源。

　　然而，大多數(shù)氫和燃料電池技術(shù)仍處于商業(yè)化的早期階段，并且由于其目前的成本太高，目前正在與包括其他可能替代技術(shù)有著強烈的競爭。其中最受矚目的便是在新能源汽車行業(yè)的鋰電和燃料電池路線之爭。而恰好就在上周，特斯拉迎來特大喜報：盈利3.12億美元！似乎這場鋰電和燃料電池的紛爭之中，鋰電率先拿下了第一場勝利。

　　但是，需要了解的事實是，雖然鋰電技術(shù)和燃料電池技術(shù)都早已有大量研究，但是鋰電汽車產(chǎn)業(yè)比氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展早了十幾年，在過去的幾年，提到新能源汽車人們所想到的是鋰電池汽車，而氫能源汽車，僅僅是近幾年靜悄悄的走進了大眾的視野。鋰電池汽車在市場上試探了十幾年，而燃料電池汽車的商業(yè)化階段才剛剛開始，短短幾年就成為了繼鋰電之后的第二大新寵。相比于鋰電池汽車，氫燃料電池汽車有加氫快、續(xù)航持久等優(yōu)點，比如：氫燃料電池汽車加氫時間一般在3-5分鐘，而相比之下，純電動汽車出于對電池的保護，充電時間少則半小時，多則達數(shù)個小時；此外燃料電池汽車的續(xù)航能力，也遠超純電動汽車。需要注意的是氫燃料電池汽車，本質(zhì)上也是電動汽車，只不過是將動力儲存在了化學(xué)燃料之中，經(jīng)燃料電池轉(zhuǎn)化為電，它的舒適度不會低于電動汽車。

　　除了在汽車行業(yè)的應(yīng)用，燃料電池也可以應(yīng)用在工業(yè)和建筑行業(yè)的能源供應(yīng)中，橫跨電力、供熱和燃料三個領(lǐng)域應(yīng)用。作為一種靈活的二次能源，氫能能夠十分有效地將電網(wǎng)、熱力管網(wǎng)和各類的終端燃料的利用結(jié)合起來（見下圖），促使能源供應(yīng)端融合，實現(xiàn)多能互補，提升能源使用效率。比如：

　　通過大型的燃料電池，可以將氫氣再次轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻；

　　另一方面也可以以一定比例混入燃氣管網(wǎng)，實現(xiàn)與熱力管網(wǎng)的耦合；

　　同時也可作為家庭和汽車用戶的終端燃料使用。據(jù)了解，目前基于燃料電池技術(shù)的家用熱點聯(lián)產(chǎn)設(shè)備效率可以達到97%，其效率遠高于普通的燃氣機組熱電聯(lián)產(chǎn)。

氫能耦合各供能領(lǐng)域示意

　　氫能發(fā)展的瓶頸

　　雖說，氫能的利用前景一片大好， 但是目前氫能源產(chǎn)業(yè)僅處于將氫氣從工業(yè)原料向能源利用初期階段，其在未來的發(fā)展依舊處在初期的探索階段，氫氣的制造設(shè)備、運輸設(shè)備以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，是發(fā)展氫能的第一步，這也是氫能發(fā)展即將面臨的最大挑戰(zhàn)。氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施成本在其產(chǎn)業(yè)鏈上的每一環(huán)節(jié)都不容小覷。

　　·從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上看，目前的氫氣大多數(shù)依然來自化石能源制氫，占世界產(chǎn)氫量的96%，而用化石燃料制氫來供給交通、工業(yè)、建筑的能源，背棄節(jié)能減排的初衷，其效率、經(jīng)濟、環(huán)保性問題依然突出。而太陽能或風(fēng)能等可再生能源制氫成本依舊高昂，但目前來看，有不斷下降的趨勢。

　　·從存儲環(huán)節(jié)上看，雖然加壓壓縮儲氫技術(shù)、液化儲氫技術(shù)、金屬氫化物儲氫技術(shù)和有機化合物儲氫技術(shù)均取得了較大進步，但儲氫密度、儲氫安全性和儲氫成本之間的平衡關(guān)系尚未解決，離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。從筆者的模型計算來看，這部分的成本在未來有著最大的降低空間。

　　·從運輸環(huán)節(jié)來看，如果想要通過管道運輸氫氣，目前只能以最多10%的比例與天然氣混合輸入管網(wǎng)，而單獨建造氫氣運輸管網(wǎng)，從目前的需求量來看，平均成本過高；如果以物流車形式運輸，其成本相對較低，但仍然有待進一步降低。

　　·從利用環(huán)節(jié)上看，加氫站的建設(shè)，直接關(guān)系到了氫氣的普及范圍。一方面，氫氣用能需求不足，導(dǎo)致加氫站投入平均成本過高、難以大規(guī)模鋪設(shè)；另一方面，加氫站的布局不足，又使得氫能發(fā)展嚴重的受阻，如此形成惡性循環(huán)。

　　因此，氫能的利用依舊是面臨著諸多障礙，而筆者的拙見是，目前的重點更應(yīng)該是大量投入科研精力，力求實現(xiàn)重大技術(shù)突破、降低成本；政府提供政策扶持，度過前期的瓶頸期；同時也要針對現(xiàn)狀，提前布局好氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是大規(guī)模制氫設(shè)備的選址、儲氫洞穴探查、加氫站的布局，同時厘清發(fā)展思路和定位，保證氫能的穩(wěn)定發(fā)展。

　　小結(jié)：

　　作為一種公認的清潔能源，氫能當(dāng)之無愧被稱為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源，能夠有效解決可再生能源的消納問題，以解決全球化石能源危機、全球變暖以及環(huán)境污染等問題。毋庸置疑，氫能發(fā)展的一個重要方向，會是在未來的交通、建筑和工業(yè)的能源供應(yīng)方面。為實現(xiàn)我國氫能產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展，應(yīng)在不斷突破技術(shù)、成本壁壘的同時，參考國外成熟經(jīng)驗案例，準(zhǔn)備布局氫能產(chǎn)業(yè)；同時，以市場為主導(dǎo)，制定合理政策，規(guī)劃化各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)的建設(shè)，保障氫能產(chǎn)業(yè)有條不紊的發(fā)展。（玉昇）