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北極星儲(chǔ)能網(wǎng)訊: 為什么世界科學(xué)家對(duì)氫能如此重視?氫燃料電池汽車真的會(huì)替代電動(dòng)電池車嗎?“終極能源”之稱是媒體炒作的噱頭還是確會(huì)如此?
“21世紀(jì)初葉人類正面臨的兩大危機(jī)：一是人為因素導(dǎo)致的氣候變化是真實(shí)存在的，至21世紀(jì)末，氣溫的升高將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)大的幅度，并將會(huì)給人類、動(dòng)物、植物以及人類文化遺產(chǎn)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。二是傳統(tǒng)化石能源或核能源燃料被少數(shù)幾個(gè)國(guó)家寡頭壟斷的情況正不斷加劇，這不利于大多數(shù)國(guó)家利用能源。解決上述問(wèn)題的方案不少，但是氫能為最優(yōu)方案，它將為人類提供足夠的清潔能源。”
——摘自國(guó)際氫能科學(xué)家于2006年11月13日聯(lián)名向八國(guó)集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人以及聯(lián)合國(guó)相關(guān)部門負(fù)責(zé)人提交的《百年備忘錄》
為什么世界科學(xué)家對(duì)氫能如此重視?氫燃料電池車真的會(huì)替代電動(dòng)電池車嗎?“終極能源”之稱是媒體炒作的噱頭還是確會(huì)如此?
對(duì)此，國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所將推出氫能專題系列，從氫能產(chǎn)業(yè)鏈、氫燃料電池與電動(dòng)電池的對(duì)比、主要國(guó)家氫能發(fā)展現(xiàn)狀這三個(gè)維度對(duì)氫能源發(fā)展做詳細(xì)梳理。
作為專題系列的第一篇，本文將首先從能源發(fā)展史和能源全生命周期的角度，探討氫能被譽(yù)為“終極能源”的原因。接下來(lái)，本文會(huì)系統(tǒng)性地介紹氫能利用的發(fā)展歷程，以及當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)鏈的情況。
一、何為氫能?
氫(H)，在元素周期表中位于第一位，廣泛存在于自然界。氫能是指氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所釋放出的化學(xué)能，是一種清潔的二次能源，具有來(lái)源廣、燃燒熱值高、能量密度大、可儲(chǔ)存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)控制地球溫升、解決能源危機(jī)的“終極能源”。
二、氫能：未來(lái)能源的主角
在《百年備忘錄》里，世界科學(xué)家認(rèn)為氫能是控制地球溫升、解決能源危機(jī)的最優(yōu)方案，不僅僅因?yàn)闅淠艿挠猛緩V泛，可涉及到傳統(tǒng)能源的方方面面，也源于氫能本身所具有的非常優(yōu)秀的儲(chǔ)能屬性。此外，無(wú)論是從能源發(fā)展歷史的角度還是氫能生命周期的角度去分析，氫能源都將會(huì)是未來(lái)能源的主角。
1能源發(fā)展史：減碳增氫
人類能源的發(fā)展史也是一部生產(chǎn)力發(fā)展史。從不發(fā)達(dá)社會(huì)使用收集的牲畜糞干、秸稈茅草，到今天使用的石油、煤炭、天然氣能源，人類社會(huì)的發(fā)展是隨著能源的進(jìn)步而進(jìn)步的。我們對(duì)能源發(fā)展史進(jìn)行仔細(xì)研究可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律：(1)從不同時(shí)期主要能源的形態(tài)變化來(lái)看，煤炭等是固體，石油為液體，而天然氣為氣體，能源更替的歷史是從固體到液體到氣體的過(guò)程，而氫氣就是跟天然氣一樣的氣體。
能源更替史
(2)從不同時(shí)期主要能源的碳?xì)浔壤兓瘉?lái)看，煤炭、柴薪碳?xì)浔葹?:1，石油碳?xì)浔葹?:2，天然氣碳?xì)浔葹?:4，碳?xì)浔仍絹?lái)越高，能源的轉(zhuǎn)化歷史就是減碳增氫的過(guò)程，而氫氣的碳?xì)浔仁钦裏o(wú)窮。
燃料中的碳?xì)浔?/p>
2氫能生命周期：與電一樣的能源載體
從氫能生命周期的角度來(lái)看，只要有水，有太陽(yáng)能、光能、核能、電能等一次能源或者二次能源，就可以制成氫氣。氫氣的用途非常廣泛，無(wú)論是發(fā)電、發(fā)熱還是用作交通燃料，最后氫氣又會(huì)與氧化物反應(yīng)生成水。氫就像個(gè)能源載體，跟電一樣的能源載體，將地球上的能量源源不斷地應(yīng)用到人類生活的方方面面。另外，只要制氫的能量來(lái)源是可再生能源，那么整個(gè)氫能的生命周期也將是清潔環(huán)保可持續(xù)的。可以預(yù)測(cè)，我們將來(lái)社會(huì)主要的能源供應(yīng)將會(huì)是電和氫。
氫能的生命周期
從氫能的生命周期也可以看出氫能源的特點(diǎn)：(1)來(lái)源廣，不受地域限制;(2)可儲(chǔ)存，適應(yīng)中大規(guī)模的儲(chǔ)能;(3)可再生能源橋梁，可以將其變成穩(wěn)定能源;(4)零污染， 零碳，是控制地球溫升的主要能源;(5)氫是全能的能源：可發(fā)電、可發(fā)熱，也可用作交通燃料。
3氫是優(yōu)秀的儲(chǔ)能介質(zhì)
氫作為儲(chǔ)存不穩(wěn)定能量的介質(zhì)，具有巨量的(GW級(jí))能量?jī)?chǔ)存容量和長(zhǎng)期放電持續(xù)時(shí)間，一直被視作太陽(yáng)能、風(fēng)能等不穩(wěn)定可再生能源的橋梁。尤其是對(duì)比超級(jí)電容器、電池、壓縮空氣等常見(jiàn)的儲(chǔ)能載體，氫氣在儲(chǔ)存容量和充電時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)非常明顯。
幾種不同儲(chǔ)能載體的容量和放電時(shí)間對(duì)比
從比能量的角度來(lái)看，氫的比能量幾乎是汽油的三倍。此外，氫能的儲(chǔ)存幾乎不受地點(diǎn)的限制，不像水電站和核電站在選址上困難重重。因此氫作為一種優(yōu)秀的儲(chǔ)能介質(zhì)，非常適合應(yīng)用于大中規(guī)模的儲(chǔ)能。
石油、柴油、天然氣和氫的比能量對(duì)比
三、氫能技術(shù)的發(fā)展歷程
世界上許多國(guó)家都將氫能作為戰(zhàn)略性能源來(lái)發(fā)展。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)就成功地將燃料電池應(yīng)用于雙子星五號(hào)太空船和阿波羅號(hào)宇宙飛船上，成為第一個(gè)實(shí)現(xiàn)氫能源技術(shù)應(yīng)用的國(guó)家。然而20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期，因成本問(wèn)題，氫能源技術(shù)的發(fā)展近乎停滯。直到2014年日本燃料電池技術(shù)的突破，再加上石油、煤炭等一次能源的儲(chǔ)量逐漸減少導(dǎo)致能源緊缺，各國(guó)構(gòu)建“氫能社會(huì)”的愿景才又被重拾，氫能源也重新受到重視。
如今從國(guó)家層面來(lái)看，日本是氫能源發(fā)展最為積極的推動(dòng)者;從市場(chǎng)實(shí)踐層面來(lái)看，交通領(lǐng)域是全球氫能技術(shù)應(yīng)用的“領(lǐng)頭羊”。
四、氫能源產(chǎn)業(yè)鏈
氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)存、運(yùn)輸以及氫氣利用。其中，制氫是基礎(chǔ)，儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫氣利用的核心保障。
氫能工業(yè)鏈
氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游是氫氣的制備環(huán)節(jié)，主要技術(shù)方式有化石能源制氫、副產(chǎn)制氫、可再生能源制氫、電解水制氫以及光解水制氫等;中游是氫氣的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，主要技術(shù)方式包括低溫液態(tài)、高壓氣態(tài)和金屬氫化物儲(chǔ)氫等;下游是氫氣的應(yīng)用，氫氣應(yīng)用可以滲透到傳統(tǒng)能源的各個(gè)方面，包括交通運(yùn)輸、工業(yè)燃料、發(fā)電發(fā)熱等，主要技術(shù)是直接燃燒和燃料電池技術(shù)。
1制氫
制氫的方法非常多，無(wú)論是一次能源還是二次能源都可以制氫。目前來(lái)看，我國(guó)是最大的氫氣生產(chǎn)國(guó)，在2015年生產(chǎn)了2200萬(wàn)噸氫氣，占世界產(chǎn)量的34%，其中96%的氫氣來(lái)自化石能源制氫，剩下的4%則來(lái)自水電解制氫。
值得一提的是，氫氣與電力是可以相互轉(zhuǎn)化的，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可再生能源可先轉(zhuǎn)化為電力再通過(guò)電解水來(lái)制氫，而產(chǎn)生的氫氣反過(guò)來(lái)也可以通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放化學(xué)能再來(lái)發(fā)電。從這里也可以看出，氫氣是一種儲(chǔ)能介質(zhì)，甚至可以看作是與電一樣的能源載體。
多種多樣的制氫方式
從制氫的能量來(lái)源來(lái)看，化石燃料制氫是我國(guó)主導(dǎo)的制氫方式，技術(shù)成熟、成本低并且已“有利可圖”，但不可持續(xù)、不環(huán)保，違背了氫能作為清潔能源的本質(zhì)。而多種化工過(guò)程如煤化工、電解食鹽制堿工業(yè)、發(fā)酵制酒工藝、合成氨化肥工業(yè)、石油煉制工業(yè)等均有大量副產(chǎn)氫氣，技術(shù)成熟、成本低且對(duì)環(huán)境友好，也是我國(guó)制氫的一大特色。
另一方面，可再生能源的間歇性導(dǎo)致棄風(fēng)、棄水、棄光現(xiàn)象十分嚴(yán)重，如果利用棄水、棄風(fēng)、棄光、棄核等可再生能源來(lái)電解水制氫，不僅可解決棄電問(wèn)題，還能反過(guò)來(lái)利用氫氣再發(fā)電增強(qiáng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性和可靠性，并且整個(gè)過(guò)程清潔環(huán)保，幾乎不產(chǎn)生二氧化碳。除此之外，太陽(yáng)能還可以通過(guò)光解水直接制氫，只需要將太陽(yáng)光照在加了二氧化鈦(催化劑)的水里就可以產(chǎn)生氫氣，但是這種光解水制氫的效率很低，目前只有6%，而要達(dá)到10%左右才可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，因此還無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。
資料來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)，國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所整理
從制氫的成本來(lái)看，對(duì)比幾種主要制氫技術(shù)的成本，煤氣化制氫的成本最低，為1.67美元每千克，其次是天然氣制氫2.00美元每千克，甲醇裂解3.99美元每千克，成本最高的是水電解，達(dá)到5.20美元每千克。相對(duì)于石油售價(jià)，煤氣化和天然氣制氫已有利潤(rùn)空間，電解水制氫成本仍高高在上。
主要制氫技術(shù)成本對(duì)比(美元/千克)(來(lái)源：華創(chuàng)證券)
從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，制氫過(guò)程中的環(huán)境友好程度決定了氫氣是否可作為清潔能源。煤氣化制氫和天然氣重整制氫盡管成本較低，但二氧化碳排放量分別高達(dá)193kg/GJ和 69 kg/GJ，兩者都不能從根本上解決能源與環(huán)境的矛盾問(wèn)題。而電解水制氫盡管現(xiàn)階段來(lái)看成本還不夠理想，但整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是可持續(xù)和低污染的，尤其是利用棄水、棄風(fēng)、棄光、棄核等可再生能源來(lái)電解水制氫，二氧化碳排放遠(yuǎn)低于煤氣化制氫和天然氣重整制氫，將會(huì)是以后制氫的主流技術(shù)。
制氫成本與石油天然氣售價(jià)對(duì)比(元/千克)(來(lái)源：華創(chuàng)證券)
2儲(chǔ)氫
氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899 kg/m3 ，是水的萬(wàn)分之一，因此其高密度儲(chǔ)存一直是一個(gè)世界級(jí)難題。目前常用的儲(chǔ)氫方法主要有四種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫以及有機(jī)液體儲(chǔ)氫。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，是一種物理儲(chǔ)氫方法，也是目前最常用并且發(fā)展比較成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)。其儲(chǔ)存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里。目前所使用的容器是鋼瓶，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快。但是也存在體積儲(chǔ)氫密度低、安全性能較差等缺點(diǎn)。目前鋼瓶所能達(dá)到最高的體積比容量?jī)H有25g/L，遠(yuǎn)低于美國(guó)能源部(DOE)的目標(biāo)體積儲(chǔ)氫容量70g/L。為了保證安全性，現(xiàn)在國(guó)際上主要采用碳纖維鋼瓶，但是碳纖維材料價(jià)格非常昂貴，只可以作為過(guò)渡階段使用，并非是理想的長(zhǎng)期儲(chǔ)氫選擇。
儲(chǔ)氫鋼瓶解剖示意圖
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫
液態(tài)氫的密度是氣體氫的845倍，液態(tài)氫的體積能量密度也比壓縮狀態(tài)下的氣體氫高出數(shù)倍。如果氫氣能以液態(tài)形式存在，那儲(chǔ)運(yùn)起來(lái)將極其簡(jiǎn)單安全，且體積占比小。但事實(shí)上，要把氣態(tài)的氫變成液態(tài)的并不容易，液化1kg的氫氣需要耗電4-10 kWh，液氫的存儲(chǔ)也需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器。因此低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是一種不太經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫方法，僅適用于不太計(jì)較成本問(wèn)題且短時(shí)間內(nèi)需迅速耗氫的航天航空領(lǐng)域。
固體材料儲(chǔ)氫
固體材料儲(chǔ)氫主要是利用氫氣與儲(chǔ)氫材料之間發(fā)生物理或者化學(xué)變化從而轉(zhuǎn)化為固溶體或者氫化物的形式來(lái)進(jìn)行氫氣儲(chǔ)存。儲(chǔ)氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫。其中物理吸附儲(chǔ)氫又可分為金屬有機(jī)框架(MOFs)和納米結(jié)構(gòu)碳材料，化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫又可分為金屬氫化物(包括簡(jiǎn)單金屬氫化物和復(fù)雜金屬氫化物)，非金屬氫化物(包括硼氫化物和有機(jī)氫化物)。
不同儲(chǔ)氫材料特點(diǎn)(來(lái)源：華創(chuàng)證券)
儲(chǔ)氫材料最大的優(yōu)勢(shì)是儲(chǔ)氫體積密度大，相同質(zhì)量的氫氣用儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存占用空間最少，并且具有操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等優(yōu)點(diǎn)，恰好克服了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的缺點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式。但是目前各種材料基本都處于研究階段，仍然存在很多技術(shù)問(wèn)題等待解決。
有機(jī)液體儲(chǔ)氫
有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)是通過(guò)不飽和液體有機(jī)物的可逆加氫和脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫。理論上，烯烴、炔烴以及某些不飽和芳香烴與其相應(yīng)氫化物如苯-環(huán)己烷、甲基苯-甲基環(huán)己烷等，可在不破壞碳環(huán)主體結(jié)構(gòu)下進(jìn)行加氫和脫氫，并且反應(yīng)可逆。
有機(jī)液體儲(chǔ)氫具有諸多優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氫密度高;可用現(xiàn)有管道設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全方便，并且可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸(環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷等在常溫常壓下呈液態(tài)，與汽油類似);催化加氫和脫氫反應(yīng)可逆，儲(chǔ)氫介質(zhì)可循環(huán)使用;可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，一定程度上能解決能源短缺問(wèn)題。
有機(jī)液體儲(chǔ)氫也存在很多不足：技術(shù)操作條件較為苛刻，要求催化加氫和脫氫的裝置配置較高，導(dǎo)致費(fèi)用較高;脫氫反應(yīng)需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)平衡極限的限制，脫氫反應(yīng)效率較低，且容易發(fā)生副反應(yīng)，使得釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)焦失活。
3利用
近年來(lái)，日本在氫燃料電池車領(lǐng)域的技術(shù)突破，使大家越來(lái)越關(guān)注氫能技術(shù)，尤其是其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。氫燃料電池車相比傳統(tǒng)汽車，具有無(wú)污染，無(wú)噪聲，無(wú)傳動(dòng)部件的優(yōu)勢(shì)，相比電動(dòng)車，具有續(xù)航里程長(zhǎng)，充電時(shí)間段，起動(dòng)快(8秒鐘即可達(dá)全負(fù)荷)的優(yōu)勢(shì)。除了在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，氫能源還可用于大中規(guī)模的儲(chǔ)能和發(fā)電，可作為工業(yè)能源、化工原料等，用途非常廣泛。
氫能源是一種非常有前景的清潔能源，但仍有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。尤其在我國(guó)，相比于電動(dòng)電池車全球領(lǐng)先的發(fā)展態(tài)勢(shì)，氫燃料電池技術(shù)卻鮮有突破。在接下來(lái)的氫能專題系列中，我所將繼續(xù)研究氫燃料電池與電動(dòng)電池的對(duì)比以及主要國(guó)家氫能發(fā)展現(xiàn)狀，敬請(qǐng)期待!
