世界氫能研發(fā)及其政策

　　氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ?a href="http://msthinker.com/news/article-5683.html" target="_blank">清潔能源，人類(lèi)對(duì)氫能應(yīng)用自200年前就產(chǎn)生了興趣，到20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界上許多國(guó)家和地區(qū)就廣泛開(kāi)展了氫能研究。    

　　早在1970年，美國(guó)通用汽車(chē)公司的技術(shù)研究中心就提出了氫經(jīng)濟(jì)（Hydrogen Economics）的概念。1976年美國(guó)斯坦福研究院就開(kāi)展了氫經(jīng)濟(jì)的可行性研究。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)多種因素的匯合增加了氫能經(jīng)濟(jì)的吸引力。這些因素包括：持久的城市空氣污染、對(duì)較低或零廢氣排放的交通工具的需求、減少對(duì)外國(guó)石油進(jìn)口的需要、CO2排放和全球氣候變化、儲(chǔ)存可再生電能供應(yīng)的需求等。氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧?a href="http://msthinker.com/" target="_blank">能源，是人類(lèi)的戰(zhàn)略能源發(fā)展方向。世界各國(guó)如冰島、中國(guó)、德國(guó)、日本和美國(guó)等不同的國(guó)家之間在氫能交通工具的商業(yè)化的方面已經(jīng)出現(xiàn)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。雖然其它利用形式是可能的（例如取暖、烹飪、發(fā)電、航行器、機(jī)車(chē)），但氫能在小汽車(chē)、卡車(chē)、公共汽車(chē)、出租車(chē)、摩托車(chē)和商業(yè)船上的應(yīng)用已經(jīng)成為焦點(diǎn)。由于氫能利用過(guò)程中CO2的零排放這一優(yōu)勢(shì)，其能源供給及轉(zhuǎn)換技術(shù)已被認(rèn)真加以評(píng)估。氫能能夠通過(guò)從化石燃料或生物物質(zhì)（包括城市廢物等）中獲取氫原子而得到，或者通過(guò)用化石發(fā)電，無(wú)碳能源電解水得到。后種方式通?；ㄙM(fèi)更為昂貴并且產(chǎn)品利用率僅能達(dá)到4％。雖然如此，這種基于混合資源的電解氫會(huì)增加CO2的排放，因?yàn)榇朔N方法通常增加了低效、碳基能源產(chǎn)品的產(chǎn)量。在近幾年內(nèi)，除了在斯堪的納維亞(半島)、巴西和加拿大這些地區(qū)有價(jià)格低廉而又豐富的水力電能，從天然氣、甲醇、重油或MSW中獲取氫的成本是最低的。早期在島嶼應(yīng)用的有冰島、夏威夷島、瓦努阿圖、大西洋群島，氫能的應(yīng)用具有特別的吸引力，然而即使包括CO2的回收和封存的成本，在大型市場(chǎng)當(dāng)中從化石燃料中提取氫產(chǎn)品的成本仍然比電解氫的成本低。    

　　隨著國(guó)際氣候變化和對(duì)石油進(jìn)口依賴(lài)程度的不斷加深，導(dǎo)致人們對(duì)氫能市場(chǎng)生存能力發(fā)展的普遍興趣。雖然日本是世界上第一個(gè)以審慎的態(tài)度為世界能源網(wǎng)絡(luò)工程投入2億美元開(kāi)展氫能研究的國(guó)家(研究計(jì)劃年限為1993～2002年)，在其之后，又興起了大量尋求構(gòu)建氫經(jīng)濟(jì)的國(guó)家。從歷史的角度上說(shuō)，能源觀念的轉(zhuǎn)變需要花費(fèi)幾十年才能實(shí)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)政府、跨國(guó)公司和個(gè)人企業(yè)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)將是加速能源轉(zhuǎn)換的必要因素。已有的一些有關(guān)氫能研發(fā)順序的問(wèn)題也會(huì)影響氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。舉例來(lái)說(shuō)，氫生產(chǎn)集中與分散，研究、發(fā)展和氫能汽車(chē)的營(yíng)銷(xiāo)，燃料電池技術(shù)的發(fā)展與內(nèi)燃機(jī)，基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)包括燃料運(yùn)輸和建立燃料供應(yīng)站等等，氫能商業(yè)化和市場(chǎng)滲透往往依賴(lài)于這些因素相互間錯(cuò)綜復(fù)雜的影響，也影響它的成本、效率、能量存儲(chǔ)密度和交通工具的成本、性能和安全性，而且在一個(gè)地區(qū)氫能和燃料電池發(fā)展突破將不可避免地影響其他地區(qū)全球性的經(jīng)濟(jì)發(fā)展計(jì)劃。    

　　私營(yíng)機(jī)構(gòu)的研發(fā)與商業(yè)化努力   

　　一、機(jī)動(dòng)車(chē)輛公司    

　　幾乎所有主要的汽車(chē)公司和在美國(guó)、歐洲和日本的幾家小型公司都積極立項(xiàng)開(kāi)發(fā)氫能汽車(chē)。私營(yíng)公司在氫能研發(fā)上的投入總額使得政府投入相形見(jiàn)絀。大多數(shù)汽車(chē)公司的氫能汽車(chē)原型需要使用燃料電池（著名的寶馬車(chē)除外），很難判斷哪一家汽車(chē)制造商將在這場(chǎng)商業(yè)和承受能力競(jìng)爭(zhēng)中贏得勝利。20世紀(jì)60年代寶馬車(chē)率先研發(fā)氫能汽車(chē)模型，開(kāi)此行業(yè)先河。它現(xiàn)在的汽車(chē)采用液氫供能且最高限速為240英里，希望到2010年提供使用。本田汽車(chē)和豐田汽車(chē)于2002年12月在加利福尼亞首次投放幾輛氫能動(dòng)力燃料電池汽車(chē)，并希望與寶馬汽車(chē)和Nissan汽車(chē)共同進(jìn)入美國(guó)的汽車(chē)零售市場(chǎng)，成為汽車(chē)行業(yè)的新軍，這些燃料電池汽車(chē)最高限速235英里，這些汽車(chē)制造商計(jì)劃于2004年在美國(guó)的加利福尼亞出售80輛不同類(lèi)型的氫能汽車(chē)。其他汽車(chē)公司在2004年也相繼做了些安排。一種以氫燃料電池為動(dòng)力的混合發(fā)動(dòng)機(jī)敞蓬小型載貨卡車(chē)由Anuvu汽車(chē)公司在2003年下半年開(kāi)始供應(yīng)銷(xiāo)售，此車(chē)定價(jià)在10萬(wàn)美元以下，在城市中這種卡車(chē)在高速路上的行駛速度范圍一般在60～250英里之間。    

　　GM公司計(jì)劃大量生產(chǎn)一種被稱(chēng)為"自控"的、時(shí)速可達(dá)200英里的燃料電池汽車(chē)。由于這種車(chē)零部件較少，預(yù)期生產(chǎn)成本較低，起初GM的銷(xiāo)售目標(biāo)為100萬(wàn)輛，到2010年前承擔(dān)全世界的"自控"車(chē)銷(xiāo)售，盡管這個(gè)數(shù)額可能到2015～2025年實(shí)現(xiàn)更加現(xiàn)實(shí)一些。GM公司正在與Dow Chemical公司合作在位于得克薩斯州的Dow\''''s Freeport化工廠(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，力求降低燃料電池技術(shù)成本。第三家美國(guó)主要的汽車(chē)制造商福特公司計(jì)劃于2004年下半年在薩克拉曼、底特律、奧蘭多試制30種混合燃料電池汽車(chē)，BP公司和Ballard公司也對(duì)此項(xiàng)計(jì)劃予以支持。 在這些市場(chǎng)計(jì)劃中還隱含著對(duì)氫燃料傳輸基礎(chǔ)設(shè)施、小型蒸汽及甲烷重整器、地區(qū)燃料站電解劑的需求及其成本的預(yù)想。但在當(dāng)前，氫能汽車(chē)的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的承受能力，超出了降低空氣污染、溫室氣體、以及提高能源安全性成本效益選擇。    

　　二、能源公司    

　　BP和Royal Dutch Shell兩家跨國(guó)石油公司立足于氫能研發(fā)和改革技術(shù)：Shell公司和BP公司分別于1998和1999年設(shè)立了性質(zhì)不同的商業(yè)單位以從事氫能的研發(fā)。同時(shí)由兩家主要的石油公司承擔(dān)了可再生能源發(fā)展和減少溫室氣體排放研發(fā)重任。ChevronTexaco(通過(guò)本公司與ECD Ovonics建立聯(lián)系)和Exxon Mobil公司也設(shè)立了氫能研究計(jì)劃，只是Exxon Mobil公司在減少溫室氣體排放的相關(guān)研究上承擔(dān)較少。

　　BP和Shell公司的研究?jī)?nèi)容廣泛地涉獵了世界范圍的氫能研究計(jì)劃，到2006年Shell公司已投資10億美元從事氫能研發(fā)和商業(yè)化活動(dòng)，Shell公司確信到那時(shí)氫能汽車(chē)市場(chǎng)將開(kāi)始啟動(dòng)。另一個(gè)具有氫能實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的能源公司的工作是發(fā)展氫燃料供應(yīng)站和氫能高速公路。從表1可以看出迄今為止有不到80個(gè)氫燃料加油站，大都位于北美、日本和北歐（預(yù)計(jì)到2010年德國(guó)有2000多個(gè)）。除主要的石油公司外，Stuart 能源系統(tǒng)公司、Linde AG和空氣產(chǎn)品與化學(xué)品公司已將其營(yíng)業(yè)范圍擴(kuò)大到氫能零售。歐洲幾個(gè)著名氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展國(guó)正在努力開(kāi)展研發(fā)工作，特別是冰島和歐洲聯(lián)盟分別在1999年和2002年的前景規(guī)劃中確立了本國(guó)將成為世界氫能經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的地位。    

　　三、燃料電池公司    

　　雖然燃料電池（燃料電池制造技術(shù)情況）價(jià)格非常昂貴且氫能使用并非電動(dòng)汽車(chē)所必需，但其實(shí)踐應(yīng)用仍得到人們審慎鄭重的思考。這是因?yàn)闅淠茈姵卦趯浜脱蹀D(zhuǎn)換為低壓、直流電時(shí)可達(dá)55％～60％高效能(天然氣、汽油、甲醇重整僅達(dá)40％)，是內(nèi)燃機(jī)效率的三倍。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明燃料電池可發(fā)揮85％的潛在效率，甚至更高。在將其與一臺(tái)具有80％效能的電動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用時(shí)，可產(chǎn)生高于直接使用氫能內(nèi)燃機(jī)2～3倍的效能。起碼有一半的優(yōu)勢(shì)燃料電池技術(shù)可以利用，研究者們正在從事質(zhì)子交換膜(PEM)的研究，質(zhì)子交換膜技術(shù)是在電解時(shí)用碳氟化合物與一個(gè)Nafion類(lèi)型的聚合體膜進(jìn)行離子交換，質(zhì)子交換膜電池具有起動(dòng)速度快、高能量密度和耐久性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。質(zhì)子交換膜電池的工作溫度在50℃～80℃間，能夠按照汽車(chē)運(yùn)行電量的需求變化調(diào)整電量的輸出。還有一些研究者們熱衷于其它一些氫能相關(guān)技術(shù)的研究，如應(yīng)用于航天飛機(jī)的堿性燃料電池，盡管堿性燃料電池在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用較少。    

　　世界上已有100多家燃料電池生產(chǎn)商，除此之外，還有許多的汽車(chē)和石油公司積極參與該領(lǐng)域的研發(fā)、生產(chǎn)工作。Ballard是一家大型且正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期的加拿大公司，與DaimlerChrysler和Ford公司共擔(dān)10年風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)劃投入10億美元資金，到2010～2012年打造生產(chǎn)商業(yè)實(shí)用型氫能汽車(chē)，目前尚未有利潤(rùn)回報(bào)，因而其計(jì)劃和商業(yè)前景與其產(chǎn)品的主要用戶(hù)緊密相連。    

　　四、各國(guó)政府的氫能研發(fā)及相關(guān)政策    

　　一、美國(guó)和加拿大    

　　北美對(duì)氫能研發(fā)產(chǎn)生興趣始于1973年的石油危機(jī)，當(dāng)時(shí)成立了國(guó)際氫能協(xié)會(huì)，并在美國(guó)邁阿密海灘召開(kāi)了有關(guān)該主題的第一界國(guó)際會(huì)議，美國(guó)能源研究開(kāi)發(fā)署（ERDA）對(duì)氫能研究計(jì)劃加以扶持，作為對(duì)美國(guó)政府能源自給不成功計(jì)劃部分的一種彌補(bǔ)。但投入資金在20世紀(jì)70年代每年從未超過(guò)2.4億美元，少于西歐同類(lèi)計(jì)劃的資金投入。美國(guó)政府資金投入持續(xù)下降至20世紀(jì)80年代，直到20世紀(jì)90年代，伴隨著對(duì)全球氣候變化和減少石油進(jìn)口依賴(lài)關(guān)注程度的提高才得以回升。    

　　美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)發(fā)布了一篇中期報(bào)告，以對(duì)該計(jì)劃中的氫能技術(shù)成本研究和美國(guó)能源部的相關(guān)研究及發(fā)展策略等加以評(píng)估。未來(lái)氫能產(chǎn)品應(yīng)用選擇與策略委員會(huì)向美國(guó)能源部提出了4項(xiàng)中期建議：（1）在氫能計(jì)劃中建立一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)工程和分析小組負(fù)責(zé)對(duì)各種不同技術(shù)路線(xiàn)的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)和論證；（2）應(yīng)給予基礎(chǔ)性和探索性研究增加財(cái)政預(yù)算；（3）在產(chǎn)品安全性問(wèn)題方面做出積極的努力；（4）應(yīng)繼續(xù)利用私營(yíng)企業(yè)在氫能研究方面的經(jīng)驗(yàn)和能力優(yōu)勢(shì)，更好地發(fā)揮美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在氫能計(jì)劃中的作用。    

　　加拿大也已成為發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)的最活躍的國(guó)家之一，并在這一領(lǐng)域眾多主導(dǎo)行業(yè)中占有獨(dú)特地位，加拿大工業(yè)部是兩個(gè)政府領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)之一，它與加拿大自然資源部聯(lián)合設(shè)立了一個(gè)技術(shù)合作企業(yè)計(jì)劃，以加速氫能技術(shù)的發(fā)展、商業(yè)化和及早采用。聯(lián)邦政府給予0.85億加元專(zhuān)款作為能源部研究和發(fā)展及氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展基金，前期的工作已經(jīng)在進(jìn)行中，大約預(yù)留0.6億加元作為培養(yǎng)支持示范計(jì)劃和展示會(huì)的基本金，至少有0.5億加元將用在合作企業(yè)中，包括由加拿大燃料電池部設(shè)在多倫多的一家工業(yè)協(xié)會(huì)，加拿大可持續(xù)發(fā)展技術(shù)部正在對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行協(xié)調(diào)組織。最后，還將分配0.2億加元給優(yōu)秀的技術(shù)革新計(jì)劃，這些計(jì)劃涉及性能提高和降低成本方面的技術(shù)。然而對(duì)于能源原材料供給，加拿大在此方面做出的努力所得到的結(jié)果尚不清楚，充足而又廉價(jià)的水力電氣資源在一些省可能依然受到偏愛(ài)。    

　　二、巴西    

　　巴西關(guān)注可選擇能源的發(fā)展已有30年歷史，自1973～1974年國(guó)際石油危機(jī)以后，于1975年提出國(guó)家乙醇計(jì)劃，隨即巴西成為世界乙醇燃料發(fā)展規(guī)模最大的國(guó)家，特別是供汽車(chē)使用的含水乙醇和乙醇－汽油混合燃料，這種燃料由蔗糖發(fā)酵而成，每年總產(chǎn)量超過(guò)30億加侖。由于該系統(tǒng)由原始能量轉(zhuǎn)換而成，產(chǎn)品僅有33％能夠符合乙醇燃料的要求，因此，研究提高生產(chǎn)效率的技術(shù)尤為重要。巴西正在進(jìn)行這樣一項(xiàng)研究：將生物能量轉(zhuǎn)換成氫。   

　　假設(shè)巴西本國(guó)的再生能源、水力電力能以及生物燃料具有很高的可依賴(lài)度，政府預(yù)言可將這些能源作為氫能生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料。將風(fēng)能和光電電池應(yīng)用于氫生產(chǎn)也是可能的，在巴西應(yīng)用非峰值水力電氣進(jìn)行大規(guī)模的電解氫生產(chǎn)應(yīng)考慮到其成本僅為從化石燃料中獲取氫的一半。已有50萬(wàn)噸的氫供工業(yè)應(yīng)用，然而，這些僅是巴西氫能源研發(fā)的一個(gè)開(kāi)端。    

　　三、冰島和挪威    

　　兩個(gè)最為關(guān)注氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國(guó)家是位于北歐地區(qū)的冰島和挪威。冰島曾于1999年2月公開(kāi)發(fā)表一項(xiàng)引起世人關(guān)注的國(guó)家目標(biāo)：至2030年冰島要將其經(jīng)濟(jì)過(guò)渡到氫能經(jīng)濟(jì)。由于沒(méi)有化石燃料資源，擁有2.94萬(wàn)居民的冰島開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)本國(guó)豐富的水力電力資源和地?zé)豳Y源，以此滿(mǎn)足超過(guò)一半的能源需求以及接近100％的電力需求。冰島重要的汽車(chē)業(yè)與船舶業(yè)所賴(lài)以生存的石油進(jìn)口代價(jià)十分高昂，進(jìn)而成為促成氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃形成的動(dòng)因。由于低廉的2分/kWh的電力價(jià)格，冰島每年可生產(chǎn)出2000噸電解氫，希望通過(guò)提供充足的可再生氫以滿(mǎn)足本國(guó)整個(gè)運(yùn)輸業(yè)的能源需求。    

　　雖然挪威也有近100％可再生電力能源產(chǎn)生于本國(guó)豐富的水力電力資源，但與冰島不同，挪威在豐富的天然氣資源、產(chǎn)品、高級(jí)轎車(chē)、石油以及柴油機(jī)燃料等方面存在高額稅收。這些情況使得挪威極為適合實(shí)現(xiàn)向氫能利用方面的轉(zhuǎn)變。挪威于2003年建立了國(guó)家氫能委員會(huì)，并于2004年遞交了委員會(huì)報(bào)告。報(bào)告制定了最初的10年發(fā)展規(guī)劃并推薦借鑒美國(guó)的125～145美元債券方法，用發(fā)行長(zhǎng)期債券的方法來(lái)收回短期債券。挪威已在斯塔萬(wàn)格與奧斯陸之間建成一條長(zhǎng)達(dá)580公里的氫能高速公路，沿著這條高速公路將建成幾個(gè)新型燃料供應(yīng)站（Bak,2003c）。北美西海岸也有類(lèi)似的氫能高速公路計(jì)劃。    

　　四、歐盟    

　　伴隨著德國(guó)制定的歐洲大陸最先進(jìn)的氫能規(guī)劃出臺(tái)，最重要且最具首創(chuàng)精神的區(qū)域政策的制定當(dāng)屬歐盟（EU）和歐洲委員會(huì)（EC）。2003年，歐盟（EU）和歐洲委員會(huì)（EC）發(fā)表的一篇重要報(bào)告和行動(dòng)計(jì)劃，闡述了有關(guān)氫能利用的遠(yuǎn)大前景。這篇報(bào)告是歐洲委員會(huì)承諾長(zhǎng)期發(fā)展氫經(jīng)濟(jì)的重要文件，各個(gè)國(guó)家政治團(tuán)體對(duì)該項(xiàng)工作的重視程度已超過(guò)了冰島和日本。    

　　歐洲委員會(huì)草案報(bào)告提出燃料電池的本質(zhì)是清潔器和傳統(tǒng)能源的高效轉(zhuǎn)換器，清潔性問(wèn)題的關(guān)鍵在于氫能能源運(yùn)輸工具的清潔性而不是制造運(yùn)輸工具的燃料的清潔性。歐洲委員會(huì)成員國(guó)政府在四年內(nèi)預(yù)計(jì)投資20億美元，以扶持發(fā)展氫能與燃料電池技術(shù)，相比而言，美國(guó)能源部也在五年內(nèi)投資17億美元支持同類(lèi)技術(shù)的研發(fā)。但在當(dāng)前，氫能/燃料電池技術(shù)尚無(wú)法與傳統(tǒng)燃料燃燒技術(shù)相抗衡。    

　　2010年前的階段目標(biāo)是研制以天然氣為原料的用于發(fā)電的初級(jí)燃料電池產(chǎn)品。專(zhuān)家組認(rèn)為到2020年成員國(guó)當(dāng)中會(huì)有5％的新型汽車(chē)和2％的船舶使用氫能產(chǎn)品，到2030～2040年市場(chǎng)占有額會(huì)不斷提高（見(jiàn)表2），并預(yù)計(jì)在2020～2050年間可再生能源和先進(jìn)的核能會(huì)成為主要的氫能源。盡管在天然氣技術(shù)發(fā)展道路上會(huì)有一些危險(xiǎn)性，但歐洲委員會(huì)預(yù)言即使在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，來(lái)源于碳隔離化石燃料的氫能產(chǎn)品與可再生能源及核能一起都將仍然扮演重要的角色。    

　　令人吃驚的是，歐洲非常缺乏基于可再生性的氫能相關(guān)扶持政策，因而無(wú)法給予在德國(guó)、西班牙、丹麥等國(guó)家的風(fēng)能、太陽(yáng)能產(chǎn)品以有力的保障。在英國(guó)也已開(kāi)創(chuàng)了重要的氫能和可再生能源，盡管還處于起步階段。作為必然的結(jié)果，幾家以可再生氫能資源為產(chǎn)品的初級(jí)氫能燃料供應(yīng)站在西歐建立起來(lái)，所用氫能產(chǎn)品諸如：水力電氣能源、地?zé)崮?/strong>、太陽(yáng)能和風(fēng)能。