【收藏】氢能发展路线分析

2019 年 5 月 28 日 材料科学与工程

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文/彭福银彭疆南，国核（福建）核电有限公司，转自《低碳世界》

20世纪70年代，中东第三次战争导致世界范围内的能源危机后，美国通用汽车公司提出了氢经济概念，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。经过近40年的发展，氢能利用方面取得了一定成就，氢燃料电池汽车等已经开发并运用，但氢能产业整体上仍处于“示范”阶段，各种氢能公共基础设施建设仍不健全，氢能未进行大规模运用，与氢经济描绘场景相去甚远。

1氢能产业发展现状

1.1制氢产业

制氢主要的原理一种是从C-H键断裂，主要从烃类物质（石油，天然气等）提取，另一种是从O-H键断裂入手制氢，主要为水分解。现阶段流行的制氢工艺有电解水制氢，甲烷水蒸汽重整制氢，煤制氢、甲醇制氢、氨分解制氢等，除电解水是从O-H断裂外，基本都是利用化石能源C-H键断裂制取，严格意义上说化石能源制氢除非有除碳措施，并不能达到减排的目的，目前主流的制氢仍是以化石能源制氢为基础，大约占了目前制氢比重的90%以上，迫切需要一种经济环保的制氢方法来支撑氢能产业。

由于现在技术水平发电效率在35%左右，电解水制氢效率即使效率最高的SPE法也才90%，总体效率低于30%，经济性较差，只能利用峰谷期间余电来制取，或者通过可再生的太阳能，风能来进行制取，不适宜进行大规模制氢。

水裂解制氢是最直接的方法，但是研究表明需要2500K以上水的分解才比较明显，考虑材料耐高温及氢氧分离技术限制，水直接分解目前技术上不可行。

为达到环保的目的，利用清洁的一次能源核能大规模制氢看来是行之有效的办法。再通过热化学方法，把核电厂产生高温蒸汽与先进的热化学制氢工艺相结合，达到大规模制氢的目的，这个过程中由核能高温蒸汽与先进的热化学方法耦合制氢减少了能量转换（热-电）这一中间过程，预期制氢效率可达50%以上。现在主流的热化学方法制氢体系有：含硫体系，氧化物体系，卤化物体系，杂化物体系。其中又以美国通用GA公司的IS循环制氢制氢最为著名，并进行了小规模的试验验证。该体系流程如图1所示，要求蒸汽温度达到850℃左右，可以跟当前研究的高温气冷堆进行耦合。

1.2氢气的储存、运输

良好的氢气运输网络是氢能产业发展的必要基础条件。氢由于具有易燃易爆的特点，爆炸极限浓度为4.0%～75.6%（体积浓度），同时在高压下容易使材料发生氢脆，导致氢气储存、运输一直是一个比较棘手的问题。当前主要的氢气运输主要通过储气罐汽车输送为主。国内氢气的储存仍是以压缩罐储存为主，氢能汽车采用的是35MPa或70MPa的高压气储气罐。运输基本通过储氢罐车运输，有少部分工业园区采用管道直接供给合成氨、石油催化产业，均没有形成较为广大的网络。

欧洲NaturalHy项目、荷兰的VG2项目、德国的DVGW项目以及美国能源部实施的氢能管道研究发展工程等均研究了掺氢天然气管道输送的安全问题。据了解已有管道达到掺氢20%左右，仍能保证安全性。利用现有的天然气管道进行改造升级，使其能够输送氢气，是氢能快速推广的一种捷径。但是由于天然气目前储量还是比较丰富，现阶段只需要支付开采成本，氢气没有价格优势，氢气使用普及存在一定阻力。

液化氢气密度为常温下的845倍，氢气液化储存需要达到超低温-253℃，但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30%），且存在蒸发损失，需要极好的绝热装置来隔热，也仅在一些特殊领域有所运用，如航天领域。当前也在研究运用合金储存，或者芳烃类有机物进行储存，但目前情况来看储存的氢气质量分数都在10%以下，还需要配套催化加氢脱氢设备，现在情况相对于储气罐储存仍没有优势。

氢气输送与运用的理想状态是如电能一样，达到发电量与负荷的平衡状态，尽量减少储存环节。预期未来氢能产业发展到一定程度，使氢气生产与消费达到基本平衡，实现氢气零储存的理想的状况。

1.3氢能应用领域

现阶段氢气主要用于化工领域，少部分用于交通运输。化工领域包括合成氨生产，石油催化剂提高油品，医药合成中的催化氢化等。交通运输方面主要运用于氢能汽车，但全球范围内比重较小。

目前氢能源汽车续航里程已经可以达到400~600km，电池电堆寿命也可达到4000h以上，但由于现在燃油车预计仍在相当一段时间内仍有优势，以及电动汽车的竞争压力，加氢站数量限制，基础配套设施不能满足需要，氢能汽车未广泛推广。

值得关注的是目前开发的燃料电池不仅可用氢气作为燃料，也可用甲烷，甚至是石油均可作为燃料。且当前氢燃料电池要求的氢气浓度要达到99.99%以上，这对于氢气的要求太高，这也限制了氢能汽车的发展。

2氢能发展主要制约问题

2.1经济性问题

化石能源仍在相当一段时间内有竞争力，毕竟基本上支付开采成本就好，而氢气在地球自然界没有大规模存在，需要经过加工提取，相对来说成本较高。同时在氢气运输上，氢气管道材料要求较高，氢气管线成本是普通燃气管道的2~3倍。加之下游氢能推广仍处于起步阶段，市场不够广阔，仍不够经济。如果目前没有环保方面的压力，化石燃料还是在经济上有优势。

2.2基础设施不完善

截止2018年底，全球共有369座加氢站。其中欧洲152座，亚洲136座，北美78座。中国目前12座，在建24座。没有形成较大的氢气传输管道。这极大的限制了氢燃料电池汽车等终端使用。现在国内燃气管道基本上是天然气管道，以前含有氢气的煤气管道基本上进行了改造，氢气在成本上并不占有优势，加之安全问题，并没有大规模用于居民燃气。

2.3安全问题

由于氢气自身性质，易燃易爆，易泄露等原因，使氢能基础设施成本加大，民众的接受认可程度也较低，不利于创造宽松的应用发展环境，使氢气运用受限。

2.4技术成熟度不够

核能制氢技术仍停留在理论上，由于下游需求问题，没有专门用于制氢的在运的核电厂；碘硫循环等制氢技术也只是在实验室进行小规模验证；发展比较成熟的氢燃料电池技术取得了一定成绩，但是由于铂催化剂来源等问题发展受限，短期内跟电动汽车、传统燃料汽车没有优势。

3氢能发展方向建议

3.1规模低价的氢气来源

氢能作为清洁低碳能源，未能大规模应用，成本是大问题，现在制备价格都5元/m3左右，是天然气的2倍以上，需要从源头上降低氢气价格。通过核能蒸汽热化学循环是未来制氢发展的方向，只有保证稳定，充足的来源才能为下游终端用户创造良好环境。

3.2以自然垄断促进氢气基础设施建设

要让氢能发展成未来社会的必需品，可以参考水、电、天然气、通讯的发展模式，让企业通过垄断，大规模建造氢气运输、储存网络来降低成本，特别是利用天然气已有的管道来改造升级，先通过掺氢管道建设，首先让氢气可以用起来，有了市场，自然也能促进下游终端开发，即使再不济，居民生活用气也是一个大市场。

3.3氢能发展应先粗犷式的发展

目前火热的燃料电池技术虽然成果较大，极大的提升了氢能利用效率，但是对于氢气纯度要求太苛刻，一般要达到99.99%以上，使用门槛太高对氢能发展不是好事情。如能开发出纯度要求不高的混合气体燃料电池，或者是直接开发高效率的内燃式的氢气发动机，或许更能促进氢能产业的发展。在初期发展阶段，建议可考虑用氢气替代一部分天然气，让氢能先应用于生活、生产能源，改变社会能源结构，先达到减排作用。

3.4加大氢能产业的扶持力度

新兴产业的发展初期阶段都离不开政府政策的支持，政府资金政策扶持可降低投资者初期风险。可采取合作的方式与投资者建设加氢站，补贴氢气运输管道建设，奖励储氢材料，氢能技术开发研究等。

4总结

地球丰富的水资源为氢能未来发展提供巨大空间，技术的日趋成熟也为氢能发展提供了保障，氢经济发展需要足够的耐心，需等待到大众已经不能忍受化石能源带来的一系列问题，氢能将逐渐成为主流。可以想象未来通过清洁的一次能源核能作为制氢能源，通过核蒸汽与碘硫循环等先进的热化学工艺集合制取廉价氢气，完善的管道网络输送至生产，生活终端，达到制造与消费的平衡，氢经济最终形成。