一文看懂未來或?qū)⒅髟啄茉词澜绲臍淠?/p>

　　氫能已經(jīng)成為時(shí)下能源圈的熱點(diǎn)話題，雖然氫能具有取之不盡、高效和清潔等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是安全和高成本也同樣讓普通人對(duì)氫能望而卻步。今天我們就借這篇文章為還不了解氫能的能豆粉們科普一下氫能那些事兒。

　　18世紀(jì)60年代歐洲開始工業(yè)革命（TheIndustrial Revolution），化石燃料（原煤、原油和天然氣）就成為人類主要利用的一次能源，并且消費(fèi)量逐年增高，從而造成環(huán)境污染以及全球氣候暖化。盡管這種現(xiàn)實(shí)目前還無法改變，但清潔能源以快速增長(zhǎng)取代化石燃料，將逐步走向清潔的氫能時(shí)代。

　　在宇宙誕生時(shí)，就存在氫和氦。氫為95%，氦為4%，1%為重陽(yáng)子。當(dāng)星球發(fā)生核聚變反應(yīng)，生成了較重的元素，氫降低到90%，其他元素則增加，因此，氫是地球上最多的元素。

　　氫（Hydrogen）是元素周期表中第一位元素?；瘜W(xué)式H2，無色無味的氣體。很難液化（沸點(diǎn)－252.870C，臨界溫度－239.90C），凝固點(diǎn)－259.140C?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑，能燃燒，能與許多金屬和非金屬直接化合。

　　利用液態(tài)氫可以獲得低溫，也可作高速火箭的燃料，氫也是燃料電池的能源。氫存在于自然界中的水、烴類等化合物中，但氫不能以一種單獨(dú)的資源形式存在于地球上，所以不是一次能源。

　　氫能時(shí)代

　　氫能時(shí)代（HydrogenEra）以氫能作為主要能源的時(shí)代，將是一種理想的能源時(shí)代。氫能時(shí)代是以天然氣作為過渡能源，向氫能時(shí)代逐步發(fā)展。氫能將是人類社會(huì)遠(yuǎn)期主要的、絕對(duì)清潔的能源。

　　未來的氫能社會(huì)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

　　氫能以極高的轉(zhuǎn)換效率（50～90%）轉(zhuǎn)化為電能，以氫氣作為替代化石燃料的能源。石油、煤炭、天然氣將不再作為能源使用，而是作為化工原料。

　　各種類型的氫燃料電池就地部分替代大電網(wǎng)運(yùn)輸，向用戶供電。

　　用以氫燃料電池為動(dòng)力的汽車代替內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車。

　　消除相關(guān)的能源污染和噪音源。

　　各用戶有完善的能源供應(yīng)和回收循環(huán)系統(tǒng)。

　　氫能經(jīng)濟(jì)是人類歷史上能量利用率最高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)，是無污染、無噪音的綠色環(huán)境。

　　在現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，由化石燃料特別是用天然氣制取價(jià)廉氫。但隨著利用可再生能源制取氫的比例不斷增加，天然氣制氫的作用將不斷減小。由可再生能源制取氫是未來的能源體系，而甲烷將起著輸送和儲(chǔ)藏氫的作用或者作為氫的原料。

　　制氫途徑

　　氫能是一種二次能源，因?yàn)樗峭ㄟ^一定的方法利用其他能源來制取的。在自然界中，氫（H2）和氧（O2）結(jié)合成水（H2O）而存在的，必須采用熱分解或電解的方法分離出來氫。

　　分離方式很多，可以采用化石燃料、核燃料或再生能源分離方式，簡(jiǎn)言之，一次能源都可以分離水的氫和氧，但采用化石燃料燃燒所產(chǎn)生的熱或所轉(zhuǎn)換成的電能來分解水制氫，經(jīng)濟(jì)上不可行。

圖1 一次能源制取氫的途徑

　　1、化石燃料制氫

　　利用化石燃料（以天然氣最方便）制氫時(shí)，燃料通過與氧或空氣作用主要生成氫和一氧化碳，然后在催化反應(yīng)器里使一氧化碳和蒸汽反應(yīng)，以產(chǎn)生二氧化碳和更多的氫。這種方式通常應(yīng)用于生產(chǎn)合成氨和其他化工產(chǎn)品。

　　如丹麥托普索公司（HaldorTopsoe）開發(fā)的一種部分氧化制氫法，其工藝過程是將天然氣或石腦油與蒸汽的混合物預(yù)熱到540～6500C，引入到自熱反應(yīng)器頂部，在此與另一股預(yù)熱過的富氧空氣與蒸汽的混合物混合，產(chǎn)生部分燃燒，使溫度升高，并在鎳（Ni）催化劑作用下完成蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。溫度為930～9800C的合成氣通過廢熱鍋爐降溫后，再經(jīng)過變換，二氧化碳脫除和甲烷化等過程，最后獲得高純度氫氣。

　　2、核燃料制氫

　　利用核燃料生產(chǎn)氫有兩種方式：

　?、潘娊庵茪?。核能生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣；

　?、茻峄瘜W(xué)循環(huán)制氫。該法既可以降低反應(yīng)溫度,又可以避免氫-氧分離問題,而循環(huán)中所用的其他試劑都可以循環(huán)使用。

　　3、再生能源制氫

　　利用再生能源生產(chǎn)氫有兩種方式：

　　⑴水電解制氫。再生能源生產(chǎn)電力，然后水電解產(chǎn)生氫氣；

　?、普羝D(zhuǎn)化制氫。各種生物質(zhì)經(jīng)由蒸汽催化轉(zhuǎn)化制取氫。

　　可再生氫

　　當(dāng)前全球氫氣生產(chǎn)48%來自天然氣，30%來自石油，18%來自煤，而水電解只占4%。這里談及的“氫能”主要指再生能源制取氫，也不排斥核能生產(chǎn)氫，但跟化石燃料制取氫無關(guān)。利用可再生能源制取氫是新能源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，被稱為拯救地球的動(dòng)力。已經(jīng)提出了“可再生氫(enewable hydrogen)”的概念，正在開展的研究包括：利用可再生電力電解水制氫、生物質(zhì)氣化和蒸汽轉(zhuǎn)化制取氫、生物質(zhì)熱解制取氫、光電化學(xué)法制取氫和太陽(yáng)能與熱化學(xué)循環(huán)耦合制取氫等。如果在這些生產(chǎn)過程中使用可再生能源或核能制取氫，那么整個(gè)制氫流程的二氧化碳排放可以趨向于零。

　　可再生能源如光伏、風(fēng)電場(chǎng)、海洋能等生產(chǎn)的電力是間歇性的、不穩(wěn)定的，而且多數(shù)在電力需求小的邊遠(yuǎn)地區(qū)。如果能夠聯(lián)網(wǎng)直接供給消費(fèi)地如沿海地區(qū)，問題就簡(jiǎn)單了，當(dāng)其再生電力無法使用，于是產(chǎn)生“棄風(fēng)限電”這種現(xiàn)象。圖2表示風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電力過剩，采用電解水產(chǎn)生氫，然后注入燃料電池汽車。電解生產(chǎn)的氫經(jīng)由壓縮機(jī)儲(chǔ)存在200bar（1bar=0.98692標(biāo)準(zhǔn)氣壓）的儲(chǔ)罐里，以便供應(yīng)給燃料電池汽車。

圖2風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電力供應(yīng)給燃料電池汽車

　　氫氣儲(chǔ)存

　　氫氣儲(chǔ)能可看作是一種化學(xué)儲(chǔ)能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風(fēng)電場(chǎng)制氫儲(chǔ)能技術(shù)為例，其核心思想是當(dāng)風(fēng)電充足但無法聯(lián)網(wǎng)、需要棄風(fēng)時(shí)，利用風(fēng)電將水電解制成氫氣(和氧氣)，將氫氣儲(chǔ)存起來；當(dāng)需要電能時(shí)，將儲(chǔ)存的氫氣通過不同方式（內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或其他方式）轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。

　　通常所指的氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是電－氫－電的循環(huán)，且不同于常規(guī)的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環(huán)節(jié)，多以功率（kW）計(jì)算容量，代表氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的“充電”功率；后端的燃料電池環(huán)節(jié)，也以功率（kW）計(jì)算容量，表示氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的“放電”功率；中間的儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，多以氫氣的體積（標(biāo)準(zhǔn)立方米Nm3）計(jì)算容量，儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的容量大小決定了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)“充電”或“放電”的時(shí)長(zhǎng)，所以如果想增加電能的儲(chǔ)存容量，加大儲(chǔ)氫罐的體積或壓力即可。

　　已被確認(rèn)并被使用的氫氣儲(chǔ)存是經(jīng)由壓縮或液化的純氫儲(chǔ)存；常用的氫氣儲(chǔ)存是壓縮氫氣。隨著壓力的增加，氫密度隨之增加。圖3表示氫氣在不同的壓力和溫度的條件下儲(chǔ)存的密度。

圖3 氫氣儲(chǔ)存密度與壓力和溫度的關(guān)系

　　另外還有兩種成熟的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)：

　　1、地下儲(chǔ)存氫（Undergroundhydrogen storage）是在地下洞穴、鹽丘和枯竭的油氣田儲(chǔ)存氫氣。ICI（英國(guó)帝國(guó)石油公司）把大量的氫儲(chǔ)存在地下沒有發(fā)生任何困難，大量液態(tài)氫儲(chǔ)存可作為電網(wǎng)儲(chǔ)能使用。地下儲(chǔ)存氫往返效率約40%（抽水儲(chǔ)能為75～80%），其費(fèi)用高于抽水儲(chǔ)能，但地下儲(chǔ)存氫氣仍被采用，其原因是初次建設(shè)費(fèi)用低，容量大。

　　 2、電轉(zhuǎn)氣（Power to gas，簡(jiǎn)寫P2G）是將電能轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)，解決再生能源電力儲(chǔ)存的難題的一項(xiàng)技術(shù)。目前采用三種方式，但所有的方法都是借助于電力將水分解為氫和氧。

　　第一種方法是將所產(chǎn)生的氫氣輸入天然氣管網(wǎng)作為交通運(yùn)輸燃料或工業(yè)利用。

　　第二種方法是將氫和二氧化碳相結(jié)合，把這兩種氣體采用甲烷化反應(yīng)如薩巴捷反應(yīng)（Sabatierreaction）轉(zhuǎn)化為甲烷（天然氣），或者采用生物甲烷化，但會(huì)造成8%額外能量損失，然后輸入天然氣管網(wǎng)。

　　氫氣儲(chǔ)存仍然處于研究之中

　　燃料電池汽車是未來汽車發(fā)展的方向。燃料電池汽車氫儲(chǔ)存有三種方式；

　　壓縮后儲(chǔ)存在高壓容器中；

　　液化后儲(chǔ)存在絕熱容器中；

　　與某些金屬及合金化合后以固體氫化物儲(chǔ)存。在這種儲(chǔ)存方法中，金屬及合金的氫化物吸附氫就像海綿吸水一樣，儲(chǔ)氫效率高。

　　目前，世界上三種儲(chǔ)氫方法都有試驗(yàn)樣車。如美國(guó)邁阿密汽車使用壓縮氫氣；加利福尼亞公共汽車使用氫化物儲(chǔ)存氫；德國(guó)的一些示范公共汽車使用液態(tài)氫。

　　要使氫能達(dá)到規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用其關(guān)鍵問題是：

　?、胖茪浼夹g(shù)。由于氫是一種二次能源，現(xiàn)有的制氫技術(shù)能耗大，效率低，價(jià)格昂貴。

　?、瓢踩煽康膬?chǔ)運(yùn)方法。由于液氫溫度很低（－253攝氏度），易氣化、著火、爆炸，因此需解決氫能的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。

　　因此，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的研究一直在進(jìn)行中，名目繁多，其中儲(chǔ)氫合金特別值得關(guān)注。

　　利用儲(chǔ)氫合金（金屬氫化物）來儲(chǔ)存氫氣。在一定的溫度和壓力條件下，儲(chǔ)氫金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。然后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會(huì)分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。這種會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱為“儲(chǔ)氫合金”。

　　儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。單位體積儲(chǔ)氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲(chǔ)存了1000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。

　　由于儲(chǔ)氫合金都是固體，既不用儲(chǔ)存高壓氫氣的鋼瓶，又不需存放液態(tài)氫極低的溫度條件，需要儲(chǔ)氫時(shí)，使合金與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物并放出熱量，需要用氫時(shí)通過加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋放出來。因此儲(chǔ)氫合金是一種簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。

　　儲(chǔ)氫合金主要有鈦系儲(chǔ)氫合金、鋯系儲(chǔ)氫合金、鐵系儲(chǔ)氫合金及稀土系儲(chǔ)氫合金。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　氫能的吸引力在于高效和清潔，大大減少溫室氣體排放，而且可以利用多種能源生產(chǎn)。氫資源豐富，但是必須從水或者烴類中制取，這需要消耗大量能源。因此，使用氫能源必須綜合考慮氫能的生產(chǎn)、輸送和消費(fèi)的成本以及溫室氣體的排放。

　　雖然表面上，氫是取之不盡，用之不竭的能源；但實(shí)際上此進(jìn)程既艱難又漫長(zhǎng)。氫是二次能源，在氫能成為可行的燃料之前，必須面對(duì)許多挑戰(zhàn)，其中包括安全問題以及生產(chǎn)和輸送的高成本問題。

　　 在今后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，以每公里行駛里程所用燃料費(fèi)用計(jì)算，氫氣的生產(chǎn)和輸送費(fèi)用是汽油的兩倍。使用可再生能源制氫的成本和投資最大，而使用天然氣制氫的成本最低，但天然氣和氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施是不兼容的，因此也還會(huì)造成投資增大。

　　人們對(duì)使用可再生能源制氫的研究一直在進(jìn)行，因?yàn)槭褂每稍偕茉粗茪洳⒂米魅剂系娜^程都實(shí)現(xiàn)了“零排放”，但是生產(chǎn)成本很高。目前，美國(guó)可再生能源制氫的平均成本，如果用風(fēng)能，成本為汽油的5倍，如果用太陽(yáng)能，成本就為汽油的17倍；此外，土地需求量也很大。

　　未來的能源形式已經(jīng)提出多種，如甲醇經(jīng)濟(jì)時(shí)代、乙醇經(jīng)濟(jì)時(shí)代、以光伏發(fā)電為主的“第三次工業(yè)革命”、全球能源互聯(lián)網(wǎng)、氫氣時(shí)代等。未來能源是以多元（種類）化、多源（渠道）化發(fā)展，究竟未來哪種能源主宰世界，其關(guān)鍵是環(huán)境和諧和成本價(jià)格。（【無所不能專欄作家，龐名立，曾在中國(guó)計(jì)量科學(xué)院（北京）和中石油（四川）工作。著有多本石油和天然氣書籍?！浚?/p>