氫能與氫能發(fā)電技術(shù)

 概述

時(shí)代車(chē)輪的滾滾向前，人類(lèi)掌握的科技則日新月異，作為重要一環(huán)的發(fā)電技術(shù)也得到了快速的發(fā)展與進(jìn)步。在享受科技成果帶來(lái)的文明的同時(shí)，我們又不得不面對(duì)一個(gè)習(xí)卷全球的問(wèn)題：能源問(wèn)題。人類(lèi)文明的進(jìn)步幾乎是依靠地球能源與環(huán)境鋪墊而來(lái)的，同時(shí)隨著科技的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)能源的需求也日益增大。令人困擾的問(wèn)題是化石能源的過(guò)度使用帶來(lái)的環(huán)境方面如全球變暖、環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)可持續(xù)、清潔的新能源已成為世界各國(guó)的共同選擇。

新能源的迅速發(fā)展，未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是電網(wǎng)、氣網(wǎng)、氫網(wǎng)三網(wǎng)合一的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源間的互補(bǔ)以及有效轉(zhuǎn)換。風(fēng)、光等新能源所發(fā)的“綠電”，可作為制氫的電能供應(yīng)，同時(shí)“氫能”可作為儲(chǔ)能通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)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(wàn)戶(hù)，所以氫能是“三網(wǎng)合一”能源網(wǎng)絡(luò)的核心和樞紐。已成為世界新一輪能源轉(zhuǎn)型階段中發(fā)展新能源技術(shù)的首選，甚至被稱(chēng)為“最終能源”。

2020年9月中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)發(fā)表了重要講話(huà)，宣布了中國(guó)的“雙碳”目標(biāo)，對(duì)中國(guó)乃至全球綠色經(jīng)濟(jì)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(yīng)用場(chǎng)景之一在政策的扶持下成功形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，有望在碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下正式邁入提速發(fā)展階段。同時(shí)，傳統(tǒng)的能源和能源核心企業(yè)也紛紛開(kāi)始布局氫能產(chǎn)業(yè)，積極推動(dòng)整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。在此需求的推動(dòng)下，可再生能源技術(shù)大力發(fā)展。在發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等可再生能源迅速發(fā)展。同時(shí)，氫能源則更具有清潔與可再生的特點(diǎn)，它的用途也十分的廣泛，是新世紀(jì)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(wèn)題的日趨嚴(yán)重以及國(guó)家政策對(duì)可再生能源技術(shù)的鼓勵(lì)和“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出，可再生能源技術(shù)、核電等非化石燃料燃燒的發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展。其中，部分可再生能源發(fā)電技術(shù)體系逐漸日趨成熟，在效率等問(wèn)題上逐漸達(dá)到目前技術(shù)所能達(dá)到的暫時(shí)的高峰。

目前，水能的使用在國(guó)內(nèi)基本上已經(jīng)處于飽和的狀態(tài)，其對(duì)于地區(qū)江河環(huán)境要求較高，同時(shí)修建水電站對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響也相對(duì)較大。其次，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生發(fā)電方式由于其本身對(duì)環(huán)境、時(shí)間條件的要求較為嚴(yán)格以及技術(shù)限制等問(wèn)題致使其目前無(wú)法成為我國(guó)主要發(fā)電技術(shù)。

此外，核能的發(fā)電能力較強(qiáng)且沒(méi)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(wèn)題令人們不得不重視。其一是核電單位裝機(jī)容量投資成本較大，是常規(guī)火電廠(chǎng)的1.5到2.0倍；其二則是對(duì)核電安全性問(wèn)題的顧慮，核電的發(fā)展歷史在過(guò)去與現(xiàn)在一直存在著令人無(wú)法對(duì)其完全信任的種種意外：曾經(jīng)的切爾諾貝爾事件，以及一直無(wú)法有效解決的日本福島核電站的相關(guān)問(wèn)題。而且核電站本身核廢水的處理一直無(wú)法有效解決。種種因素的存在致使我國(guó)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(shù)則具備著來(lái)源方便、清潔、發(fā)熱值高等優(yōu)點(diǎn)，十分符合當(dāng)今的時(shí)代理念，有望成為未來(lái)主要發(fā)電方式。

氫能的特點(diǎn)

氫元素處于元素周期表的第一位，其原子質(zhì)量是最小的，早期就有采用氫氣制作成熱氣球，作為運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸鐖D1所示。

此外，氫能具有的特性有：（1）氫氣具有良好的導(dǎo)熱性能。在所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好，1個(gè)大氣壓下（0℃）時(shí)，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1289W/(m?K)，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)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(jī)的冷卻中采用氫氣進(jìn)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(gòu)成了宇宙質(zhì)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(wú)毒。氫是無(wú)色、無(wú)味的氫氣，氫燃燒后的產(chǎn)物是水，沒(méi)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?xì)浠衔锏取＃?）作為多種形態(tài)存在以滿(mǎn)足運(yùn)輸需要。氫能重量較輕，因此從運(yùn)輸成本及社會(huì)總效益考慮，氫能的運(yùn)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(yùn)方式的需要。圖2為L(zhǎng)inde公司放置在德國(guó)Autovision博物館的液氫儲(chǔ)罐樣品。（6）耗損少。氫能可通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，或者采用管道輸氫，這樣就可取消遠(yuǎn)距離高壓輸電，即提高安全性，又降低能源無(wú)效損耗。（7）減少溫室效應(yīng)。氫能的應(yīng)用可減少溫室氣體的排放，最大限度地減弱溫室效應(yīng)，與我國(guó)目前的“雙碳”目標(biāo)相符合。

國(guó)內(nèi)氫能的發(fā)展

氫能汽車(chē)

目前國(guó)內(nèi)氫氣利用較為廣泛的技術(shù)之一，這一技術(shù)被視為解決未來(lái)人類(lèi)能源危機(jī)的有效方案。與此同時(shí)，氫能汽車(chē)行業(yè)在此基礎(chǔ)上也得到了迅速發(fā)展。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的日益提高，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中逐漸占據(jù)較大的份額，但是目前傳統(tǒng)的汽車(chē)主要使用汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然目前對(duì)汽車(chē)的尾氣排放已有極大的技術(shù)改進(jìn)，其溫室氣體的排放仍然對(duì)于環(huán)境有著極大的損害，因此氫能汽車(chē)的發(fā)展對(duì)于能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)有著重要的意義。而如今能源供應(yīng)日趨緊張，在燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)中，氫能作為替代能源的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)政策

我國(guó)氫能產(chǎn)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(chǎn)量來(lái)看，我國(guó)在制氫方面的技術(shù)正在逐步提升，2020年全國(guó)氫氣產(chǎn)量超過(guò)2000萬(wàn)t/a，但主要是以工業(yè)的副產(chǎn)品為主，也就是所謂的“藍(lán)氫”，與“藍(lán)氫”這一概念相對(duì)的則是“綠氫”，指的是使用清潔能源生產(chǎn)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(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家方面也陸續(xù)頒布了相關(guān)政策，意在激發(fā)氫能發(fā)展的速度。2011年以來(lái)，政府主管部門(mén)在戰(zhàn)略定位、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技創(chuàng)新、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面實(shí)施了多項(xiàng)扶持措施。用于指導(dǎo)和促進(jìn)氫能產(chǎn)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(bào)告，其中明確“促進(jìn)水合和其他設(shè)施的建設(shè)”在《2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃》提出的主要任務(wù)當(dāng)中，首次明確地提出中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)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(guó)能源類(lèi)別（征求意見(jiàn)稿）》。2020年4月23日，財(cái)政部、工業(yè)和信息技術(shù)部發(fā)表了一篇關(guān)于氫氣使用的論文。表明：“調(diào)整當(dāng)前燃料電池汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)補(bǔ)貼，以選擇具有基礎(chǔ)、熱情和特色的城市或地區(qū)，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵部件的技術(shù)突破和工業(yè)化應(yīng)用，中央政府將以‘獎(jiǎng)勵(lì)’而不是補(bǔ)貼。要在大約四年內(nèi)建造新型氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈，做到必須掌握自主核技術(shù)，打造布局合理、協(xié)調(diào)發(fā)展的良好競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展市場(chǎng)局面。”

市場(chǎng)方面，目前國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)資本發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)各大能源集團(tuán)都競(jìng)相發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)即將迎來(lái)高速發(fā)展階段。

國(guó)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(gè)戰(zhàn)略的最終目的在于創(chuàng)造一個(gè)以氫能為主題能源的“氫能社會(huì)”。未達(dá)到這一目的，首先要做的就是將氫能價(jià)格拉低實(shí)現(xiàn)與其他燃料的價(jià)格基本持平甚至低于傳統(tǒng)燃料價(jià)格，這樣就能夠更好地推廣氫能在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用；大力建設(shè)加氫站，實(shí)現(xiàn)以新型的氫燃料汽車(chē)替代傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)，以氫能發(fā)電天然氣及煤炭發(fā)電。

美國(guó)作為最早將氫能納入國(guó)家能源戰(zhàn)略的國(guó)家，早在1990年就出臺(tái)了《1990年氫研究、開(kāi)發(fā)及示范法案》。此后，美國(guó)能源部發(fā)布了《氫能項(xiàng)目計(jì)劃2020》，該計(jì)劃對(duì)于美國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展做了全面的闡述和明確的目標(biāo)，為發(fā)展氫能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前美國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)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(chǔ)設(shè)施等方面。

氫能發(fā)電面臨的問(wèn)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(cè)算，2030年和2050年季節(jié)性?xún)?chǔ)能高峰電量潛力約為0.99萬(wàn)億kWh和2.14萬(wàn)億kWh，由此產(chǎn)生的制氫規(guī)模將分別達(dá)到1800萬(wàn)噸和4000萬(wàn)噸。電解水制氫的成本主要有三部分組成：第一是制氫廠(chǎng)建設(shè)、設(shè)備費(fèi)用，第二是日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作費(fèi)用，第三是電費(fèi)。在這三大成本當(dāng)中，電價(jià)是導(dǎo)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(jìn)行電解水制氫是一種降低成本的優(yōu)良途徑。

氫氣儲(chǔ)運(yùn)困難、加氫站建設(shè)數(shù)量少

氫能儲(chǔ)運(yùn)和加注產(chǎn)業(yè)化整體滯后。儲(chǔ)氫技術(shù)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(duì)滯后。運(yùn)輸方面主要有兩種運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸和氫拖車(chē)運(yùn)輸，二者相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是成本都比較高。總之儲(chǔ)氫和運(yùn)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(dāng)前，氫的運(yùn)輸方式包括道路車(chē)輛、鐵路、輪船、管道運(yùn)輸四種， 道路運(yùn)輸方面，氣氫拖車(chē)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種氫運(yùn)輸方式。最常見(jiàn)和成熟的氫儲(chǔ)存技術(shù)，鋼缸具有簡(jiǎn)單的儲(chǔ)存和運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，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(xiǎn)性，安全性能差。

液化儲(chǔ)氫雖然能夠節(jié)約下較大的存儲(chǔ)空間，但是卻帶來(lái)了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸過(guò)程中可以極大地減少空間。技術(shù)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(huì)導(dǎo)致液態(tài)氫發(fā)生氣化，具有較大的危險(xiǎn)。經(jīng)濟(jì)方面的難題在于，將1kg氫氣需要消耗4~10千瓦時(shí)的電能，再加上需要在液態(tài)儲(chǔ)氫對(duì)于材料的高要求，這些都使得氫氣儲(chǔ)運(yùn)的成本很大程度地增加了。

近年來(lái)，固體材料由于其高儲(chǔ)氫密度，良好的安全性和高純度氫氣備受關(guān)注。固體材料儲(chǔ)氫方式主要有兩種，物理吸附儲(chǔ)氫、化學(xué)吸附儲(chǔ)氫。前者主要原理是通過(guò)多孔材料的范德華力與氫原子之間的相互作用來(lái)存儲(chǔ)氫氣，但缺點(diǎn)在于常溫常壓條件下材料的范德華力很弱，會(huì)導(dǎo)致逸出氫，而氫氣屬于易燃易爆氣體，因此具有一定的危險(xiǎn)性；后者則是使用特定的能與氫原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料，二者相互反應(yīng)形成穩(wěn)定的水合物來(lái)儲(chǔ)氫，當(dāng)然這種儲(chǔ)氫方式也有一些缺點(diǎn)具體有吸氫溫度高、動(dòng)力學(xué)差、可逆性差等。

總而言之，我國(guó)目前對(duì)于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)仍然沒(méi)有達(dá)到工業(yè)化的要求，這是影響氫能發(fā)電大規(guī)模推廣應(yīng)用突出問(wèn)題。

總結(jié)

氫能發(fā)電已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究方向，其發(fā)展?jié)摿薮螅澜缰饕獓?guó)家對(duì)氫能源和燃料電池的開(kāi)發(fā)非常重視。美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家持續(xù)支持氫能源、燃料電池的研發(fā)和工業(yè)化。

中國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，是能源不足的國(guó)家。氫能源對(duì)于加快中國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、加快新時(shí)代能源轉(zhuǎn)換發(fā)展非常重要。清潔能源氫的生產(chǎn)和能源利用尚處于開(kāi)發(fā)的初期階段，氫能量在未來(lái)的運(yùn)輸和電力儲(chǔ)存領(lǐng)域具有很大的前景。