氫能發(fā)展路線分析

　　20世紀(jì)70年代，中東第三次戰(zhàn)爭導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)后，美國通用汽車公司提出了氫經(jīng)濟(jì)概念，主要為描繪未來氫氣取代石油成為支撐全球經(jīng)濟(jì)的主要能源后，整個氫能源生產(chǎn)、配送、貯存及使用的市場運(yùn)作體系。經(jīng)過近40年的發(fā)展，氫能利用方面取得了一定成就，氫燃料電池汽車等已經(jīng)開發(fā)并運(yùn)用，但氫能產(chǎn)業(yè)整體上仍處于“示范”階段，各種氫能公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍不健全，氫能未進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)用，與氫經(jīng)濟(jì)描繪場景相去甚遠(yuǎn)。

　　1氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1制氫產(chǎn)業(yè)

　　制氫主要的原理一種是從C-H鍵斷裂，主要從烴類物質(zhì)（石油，天然氣等）提取，另一種是從O-H鍵斷裂入手制氫，主要為水分解?，F(xiàn)階段流行的制氫工藝有電解水制氫，甲烷水蒸汽重整制氫，煤制氫、甲醇制氫、氨分解制氫等，除電解水是從O-H斷裂外，基本都是利用化石能源C-H鍵斷裂制取，嚴(yán)格意義上說化石能源制氫除非有除碳措施，并不能達(dá)到減排的目的，目前主流的制氫仍是以化石能源制氫為基礎(chǔ)，大約占了目前制氫比重的90%以上，迫切需要一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的制氫方法來支撐氫能產(chǎn)業(yè)。

　　由于現(xiàn)在技術(shù)水平發(fā)電效率在35%左右，電解水制氫效率即使效率最高的SPE法也才90%，總體效率低于30%，經(jīng)濟(jì)性較差，只能利用峰谷期間余電來制取，或者通過可再生的太陽能，風(fēng)能來進(jìn)行制取，不適宜進(jìn)行大規(guī)模制氫。

　　水裂解制氫是最直接的方法，但是研究表明需要2500K以上水的分解才比較明顯，考慮材料耐高溫及氫氧分離技術(shù)限制，水直接分解目前技術(shù)上不可行。

　　為達(dá)到環(huán)保的目的，利用清潔的一次能源核能大規(guī)模制氫看來是行之有效的辦法。再通過熱化學(xué)方法，把核電廠產(chǎn)生高溫蒸汽與先進(jìn)的熱化學(xué)制氫工藝相結(jié)合，達(dá)到大規(guī)模制氫的目的，這個過程中由核能高溫蒸汽與先進(jìn)的熱化學(xué)方法耦合制氫減少了能量轉(zhuǎn)換（熱-電）這一中間過程，預(yù)期制氫效率可達(dá)50%以上。現(xiàn)在主流的熱化學(xué)方法制氫體系有：含硫體系，氧化物體系，鹵化物體系，雜化物體系。其中又以美國通用GA公司的IS循環(huán)制氫制氫最為著名，并進(jìn)行了小規(guī)模的試驗(yàn)驗(yàn)證。該體系流程如圖1所示，要求蒸汽溫度達(dá)到850℃左右，可以跟當(dāng)前研究的高溫氣冷堆進(jìn)行耦合。

　　1.2氫氣的儲存、運(yùn)輸

　　良好的氫氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要基礎(chǔ)條件。氫由于具有易燃易爆的特點(diǎn)，爆炸極限濃度為4.0%～75.6%（體積濃度），同時在高壓下容易使材料發(fā)生氫脆，導(dǎo)致氫氣儲存、運(yùn)輸一直是一個比較棘手的問題。當(dāng)前主要的氫氣運(yùn)輸主要通過儲氣罐汽車輸送為主。國內(nèi)氫氣的儲存仍是以壓縮罐儲存為主，氫能汽車采用的是35MPa或70MPa的高壓氣儲氣罐。運(yùn)輸基本通過儲氫罐車運(yùn)輸，有少部分工業(yè)園區(qū)采用管道直接供給合成氨、石油催化產(chǎn)業(yè)，均沒有形成較為廣大的網(wǎng)絡(luò)。

　　歐洲NaturalHy項(xiàng)目、荷蘭的VG2項(xiàng)目、德國的DVGW項(xiàng)目以及美國能源部實(shí)施的氫能管道研究發(fā)展工程等均研究了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。據(jù)了解已有管道達(dá)到摻氫20%左右，仍能保證安全性。利用現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行改造升級，使其能夠輸送氫氣，是氫能快速推廣的一種捷徑。但是由于天然氣目前儲量還是比較豐富，現(xiàn)階段只需要支付開采成本，氫氣沒有價格優(yōu)勢，氫氣使用普及存在一定阻力。

　　液化氫氣密度為常溫下的845倍，氫氣液化儲存需要達(dá)到超低溫-253℃，但氫氣液化成本高，能量損失大（氫液化所需能量為液化氫燃燒產(chǎn)熱額的30%），且存在蒸發(fā)損失，需要極好的絕熱裝置來隔熱，也僅在一些特殊領(lǐng)域有所運(yùn)用，如航天領(lǐng)域。當(dāng)前也在研究運(yùn)用合金儲存，或者芳烴類有機(jī)物進(jìn)行儲存，但目前情況來看儲存的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在10%以下，還需要配套催化加氫脫氫設(shè)備，現(xiàn)在情況相對于儲氣罐儲存仍沒有優(yōu)勢。

　　氫氣輸送與運(yùn)用的理想狀態(tài)是如電能一樣，達(dá)到發(fā)電量與負(fù)荷的平衡狀態(tài)，盡量減少儲存環(huán)節(jié)。預(yù)期未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定程度，使氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)達(dá)到基本平衡，實(shí)現(xiàn)氫氣零儲存的理想的狀況。

　　1.3氫能應(yīng)用領(lǐng)域

　　現(xiàn)階段氫氣主要用于化工領(lǐng)域，少部分用于交通運(yùn)輸?；ゎI(lǐng)域包括合成氨生產(chǎn)，石油催化劑提高油品，醫(yī)藥合成中的催化氫化等。交通運(yùn)輸方面主要運(yùn)用于氫能汽車，但全球范圍內(nèi)比重較小。

　　目前氫能源汽車?yán)m(xù)航里程已經(jīng)可以達(dá)到400~600km，電池電堆壽命也可達(dá)到4000h以上，但由于現(xiàn)在燃油車預(yù)計仍在相當(dāng)一段時間內(nèi)仍有優(yōu)勢，以及電動汽車的競爭壓力，加氫站數(shù)量限制，基礎(chǔ)配套設(shè)施不能滿足需要，氫能汽車未廣泛推廣。

　　值得關(guān)注的是目前開發(fā)的燃料電池不僅可用氫氣作為燃料，也可用甲烷，甚至是石油均可作為燃料。且當(dāng)前氫燃料電池要求的氫氣濃度要達(dá)到99.99%以上，這對于氫氣的要求太高，這也限制了氫能汽車的發(fā)展。

　　2氫能發(fā)展主要制約問題

　　2.1經(jīng)濟(jì)性問題

　　化石能源仍在相當(dāng)一段時間內(nèi)有競爭力，畢竟基本上支付開采成本就好，而氫氣在地球自然界沒有大規(guī)模存在，需要經(jīng)過加工提取，相對來說成本較高。同時在氫氣運(yùn)輸上，氫氣管道材料要求較高，氫氣管線成本是普通燃?xì)夤艿赖?~3倍。加之下游氫能推廣仍處于起步階段，市場不夠廣闊，仍不夠經(jīng)濟(jì)。如果目前沒有環(huán)保方面的壓力，化石燃料還是在經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)勢。

　　2.2基礎(chǔ)設(shè)施不完善

　　截止2018年底，全球共有369座加氫站。其中歐洲152座，亞洲136座，北美78座。中國目前12座，在建24座。沒有形成較大的氫氣傳輸管道。這極大的限制了氫燃料電池汽車等終端使用。現(xiàn)在國內(nèi)燃?xì)夤艿阑旧鲜翘烊粴夤艿?，以前含有氫氣的煤氣管道基本上進(jìn)行了改造，氫氣在成本上并不占有優(yōu)勢，加之安全問題，并沒有大規(guī)模用于居民燃?xì)狻?/p>

　　2.3安全問題

　　由于氫氣自身性質(zhì)，易燃易爆，易泄露等原因，使氫能基礎(chǔ)設(shè)施成本加大，民眾的接受認(rèn)可程度也較低，不利于創(chuàng)造寬松的應(yīng)用發(fā)展環(huán)境，使氫氣運(yùn)用受限。

　　2.4技術(shù)成熟度不夠

　　核能制氫技術(shù)仍停留在理論上，由于下游需求問題，沒有專門用于制氫的在運(yùn)的核電廠；碘硫循環(huán)等制氫技術(shù)也只是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小規(guī)模驗(yàn)證；發(fā)展比較成熟的氫燃料電池技術(shù)取得了一定成績，但是由于鉑催化劑來源等問題發(fā)展受限，短期內(nèi)跟電動汽車、傳統(tǒng)燃料汽車沒有優(yōu)勢。

　　3氫能發(fā)展方向建議

　　3.1規(guī)模低價的氫氣來源

　　氫能作為清潔低碳能源，未能大規(guī)模應(yīng)用，成本是大問題，現(xiàn)在制備價格都5元/m3左右，是天然氣的2倍以上，需要從源頭上降低氫氣價格。通過核能蒸汽熱化學(xué)循環(huán)是未來制氫發(fā)展的方向，只有保證穩(wěn)定，充足的來源才能為下游終端用戶創(chuàng)造良好環(huán)境。

　　3.2以自然壟斷促進(jìn)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

　　要讓氫能發(fā)展成未來社會的必需品，可以參考水、電、天然氣、通訊的發(fā)展模式，讓企業(yè)通過壟斷，大規(guī)模建造氫氣運(yùn)輸、儲存網(wǎng)絡(luò)來降低成本，特別是利用天然氣已有的管道來改造升級，先通過摻氫管道建設(shè)，首先讓氫氣可以用起來，有了市場，自然也能促進(jìn)下游終端開發(fā)，即使再不濟(jì)，居民生活用氣也是一個大市場。

　　3.3氫能發(fā)展應(yīng)先粗獷式的發(fā)展

　　目前火熱的燃料電池技術(shù)雖然成果較大，極大的提升了氫能利用效率，但是對于氫氣純度要求太苛刻，一般要達(dá)到99.99%以上，使用門檻太高對氫能發(fā)展不是好事情。如能開發(fā)出純度要求不高的混合氣體燃料電池，或者是直接開發(fā)高效率的內(nèi)燃式的氫氣發(fā)動機(jī)，或許更能促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在初期發(fā)展階段，建議可考慮用氫氣替代一部分天然氣，讓氫能先應(yīng)用于生活、生產(chǎn)能源，改變社會能源結(jié)構(gòu)，先達(dá)到減排作用。

　　3.4加大氫能產(chǎn)業(yè)的扶持力度

　　新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期階段都離不開政府政策的支持，政府資金政策扶持可降低投資者初期風(fēng)險?？刹扇『献鞯姆绞脚c投資者建設(shè)加氫站，補(bǔ)貼氫氣運(yùn)輸管道建設(shè)，獎勵儲氫材料，氫能技術(shù)開發(fā)研究等。

　　4總結(jié)

　　地球豐富的水資源為氫能未來發(fā)展提供巨大空間，技術(shù)的日趨成熟也為氫能發(fā)展提供了保障，氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要足夠的耐心，需等待到大眾已經(jīng)不能忍受化石能源帶來的一系列問題，氫能將逐漸成為主流?？梢韵胂笪磥硗ㄟ^清潔的一次能源核能作為制氫能源，通過核蒸汽與碘硫循環(huán)等先進(jìn)的熱化學(xué)工藝集合制取廉價氫氣，完善的管道網(wǎng)絡(luò)輸送至生產(chǎn)，生活終端，達(dá)到制造與消費(fèi)的平衡，氫經(jīng)濟(jì)最終形成。（文/彭福銀 彭疆南，國核（福建）核電有限公司）