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氫能源是全世界能源技術(shù)改革的主要大方向，是可持續(xù)、安全的能源未來(lái)的主要構(gòu)成部分。加快氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，既能應(yīng)對(duì)全球環(huán)境危機(jī)，又能保證能源供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源的可持續(xù)發(fā)展。按照國(guó)際能源署的《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》，預(yù)估到２０５０年，氫能消耗將比目前水平增加１０倍。世界各國(guó)都在大力發(fā)展制氫技術(shù)，搶占國(guó)際氫能制高點(diǎn)。
運(yùn)用可再生能源取代化石燃料制氫是以后清潔、高效制氫發(fā)展壯大的動(dòng)向，在制氫產(chǎn)業(yè)鏈的制備－儲(chǔ)運(yùn)－加注－應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)中，制氫是龍頭，制氫產(chǎn)業(yè)前景很好，要科學(xué)地選擇制氫工藝路線，必須從源頭上滿足環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的要求，實(shí)現(xiàn)氫氣的供給。
１、制氫方法的發(fā)展趨勢(shì)
制氫技術(shù)處在氫能源快速發(fā)展的上游。目前主流的綠色制氫技術(shù)主要有電解水制氫、生物制氫、太陽(yáng)能制氫等。
據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟介紹，中國(guó)制氫的長(zhǎng)期目標(biāo)是到２０５０年實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性充分利用可再生能源電解水制氫，大力推廣生物制氫和太陽(yáng)能光解水制氫。
１）電解水制氫
目前主流的制氫方法是煤氣化制氫和天然氣制氫。從成本費(fèi)用角度來(lái)分析，煤氣化制氫成本最少，具有盈利空間，電解水制氫僅占４％，制約電解水制氫技術(shù)發(fā)展的主要因素是成本高、收益為負(fù)；從綠色環(huán)保的角度來(lái)看，電解水制氫是低碳、可持續(xù)的。與目前主流制氫技術(shù)相比，它具有可持續(xù)性和低污染。它是理論上最理想的制氫技術(shù)，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的方針。
以后制氫技術(shù)的發(fā)展主要是受技術(shù)實(shí)力、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等要素的影響。根據(jù)國(guó)際能源署（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ）的一份新報(bào)告，到２０３０年，利用可再生能源生產(chǎn)氫氣的成本預(yù)計(jì)將下降３０％。可再生綜合能源的利用正在迅速發(fā)展，制氫方法也越來(lái)越多，但未來(lái)的制氫方式仍是電解水制氫技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。到２０５０年，用于可再生能源發(fā)電的電解水將成為主流的制氫技術(shù)。
２）生物質(zhì)能制氫技術(shù)
生物制氫原料來(lái)源廣泛無(wú)污染，反應(yīng)環(huán)境常溫常壓，生產(chǎn)成本低，完全顛覆了傳統(tǒng)的能源生產(chǎn)工藝。生物質(zhì)能制氫做為一種環(huán)境友好型可再生能源，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展不但對(duì)能源的優(yōu)化運(yùn)用有積極主動(dòng)的效果，而且還能減少環(huán)境污染。生物制氫技術(shù)是一種高效的制氫生物工程技術(shù)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)細(xì)菌的作用，將儲(chǔ)存在天然有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、植物碳水化合物）中的能量釋放出來(lái)，產(chǎn)生氫氣。
生物制氫的主要途徑有光解水、光發(fā)酵、暗發(fā)酵制氫和光暗偶聯(lián)發(fā)酵。幾種生物制氫方法的比較見(jiàn)表１。生物制氫有許多優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方式 相比之下，更節(jié)能、可再生、低消耗。這是未來(lái)大規(guī)模制氫的重要途徑。
３）太陽(yáng)能制氫技術(shù)
最近，研究人員正專注于開發(fā)利用太陽(yáng)能和其他可再生能源生產(chǎn)氫氣的新技術(shù)。目前，太陽(yáng)能制氫技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)途徑有光化學(xué)制氫、光催化制氫、人工光合制氫等。幾種太陽(yáng)能制氫方法的比較如表２所示。
伴隨著科學(xué)研究的深入，發(fā)現(xiàn)熱化學(xué)制氫技術(shù)還可以在陽(yáng)光照射條件下運(yùn)用光催化劑降低溫度要求，并提出一種熱化學(xué)循環(huán)制氫方法。光催化制氫是在光催化劑作用下分解水而產(chǎn)生的氫氣。目前，光催化制氫技術(shù)的主要研究工作是提高催化劑的性能，以提高制氫效率。
石墨烯具有超強(qiáng)的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和透光性，且價(jià)格低廉，產(chǎn)氫效率高。石墨烯的轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)低成本制氫提供了巨大的希望。研究后，發(fā)現(xiàn)廢水中的有機(jī)物可以通過(guò)自身的電子給體實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制氫和太陽(yáng)能去污，這個(gè)過(guò)程只需要簡(jiǎn)單地將污水處理與光催化制氫結(jié)合，所以這也是一個(gè)未來(lái)的發(fā)展方向。
太陽(yáng)能制氫技術(shù)還處于初步研究階段。隨著大量的投資，技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步會(huì)越來(lái)越快。光催化劑制氫技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和生物制氫效率的進(jìn)一步提高的希望也會(huì)更大，前景非常廣闊。
表１生物質(zhì)制氫技術(shù)對(duì)比
表２太陽(yáng)能制氫技術(shù)比較
２、氫儲(chǔ)運(yùn)方法的發(fā)展趨勢(shì)
氫氣的儲(chǔ)運(yùn)是氫氣高效利用的關(guān)鍵，也是影響氫能大規(guī)模開發(fā)的重要因素。因此，氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，主要的儲(chǔ)氫方式有多孔材料和金屬合金中的固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣體儲(chǔ)氫、低溫液化儲(chǔ)氫等。
目前，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸主要是氣態(tài)形式，主要是因?yàn)槠涑杀镜停僮骱?jiǎn)單，充放氣速度快，但安全風(fēng)險(xiǎn)因素高。低溫液氫儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)展緩慢，存在難度系數(shù)高、液化成本高、能耗高、保溫材料成本高等缺點(diǎn)。
固態(tài)儲(chǔ)氫法具有許多優(yōu)點(diǎn)，操作方便。它是三種儲(chǔ)氫方法中最有前途的一種，也是儲(chǔ)氫技術(shù)研究的前沿方向之一。在未來(lái)，儲(chǔ)氫合金有望成為使用過(guò)程更方便、成本更低的主要儲(chǔ)氫方法。
此外，隨著研究的發(fā)展，出現(xiàn)了無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫和有機(jī)物儲(chǔ)氫。無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫是通過(guò)與離子型非金屬氫化物（如復(fù)合金屬氫化物ＮａＢＨ４、ＮＨ３ＢＨ４等）之間化學(xué)的相互作用來(lái)儲(chǔ)氫。釋放過(guò)程與儲(chǔ)氫合金原理相似，儲(chǔ)存在其中的氫通過(guò)加熱釋放。
有機(jī)物儲(chǔ)氫是指苯或甲苯等液體與氫反應(yīng)生成環(huán)乙烷。這種氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸方式不依賴于高壓和低溫的設(shè)備。釋放過(guò)程中的脫氫反應(yīng)需要催化劑，這也是一種未來(lái)備受關(guān)注的儲(chǔ)氫技術(shù)。
３、氫能應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)
氫氣在提供清潔、安全、可靠、豐富的能源方面具有很大的發(fā)展前景，具有廣泛的應(yīng)用前景。作為工業(yè)原料，可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產(chǎn)領(lǐng)域，少量可用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業(yè)領(lǐng)域。
截至２０１８年底，全球ＦＣＥＶ（燃料電池電動(dòng)汽車）庫(kù)存達(dá)到１１２００輛，當(dāng)年銷量約４０００輛（較２０１７年增長(zhǎng)８０％）。預(yù)計(jì)到２０３０年，燃料電池汽車行業(yè)將實(shí)現(xiàn)重大發(fā)展。預(yù)測(cè)趨勢(shì)如圖１所示。
圖１ ２０１８ － ２０３０年部分國(guó)家的燃料電池汽車
目前，氫的發(fā)展被提升到戰(zhàn)略層面，但仍存在成本高、安全、突破、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱等問(wèn)題，應(yīng)提前與當(dāng)?shù)亟o予為主，優(yōu)先發(fā)展加氫示范基礎(chǔ)設(shè)施和氫燃料電池等。逐步從地方化走向區(qū)域化，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)培訓(xùn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。
隨著可再生能源系統(tǒng)、燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車生產(chǎn)成本大幅下降，加氫站將有較大增長(zhǎng)，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將以氫氣為主體，國(guó)家“能源獨(dú)立”有望完成，氫產(chǎn)業(yè)將從區(qū)域發(fā)展逐步向主要市場(chǎng)延伸，依托國(guó)家天然氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氫天然氣混輸規(guī)模化運(yùn)營(yíng)，包括氫能輸送管網(wǎng)、氫能加氣站在內(nèi)的國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本形成。氫氣作為一種清潔能源，將在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
本文編輯于《中國(guó)電工技術(shù)學(xué)報(bào)》２０２１年第３期，題為《可再生能源中多能量互補(bǔ)制氫－儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)綜述》。作者：李征、張銳等。
