文/彭福銀 彭疆南，國(guó)核（福建）核電有限公司，轉(zhuǎn)自《低碳世界》
20世紀(jì)70年代，中東第三次戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)后，美國(guó)通用汽車(chē)公司提出了氫經(jīng)濟(jì)概念，主要為描繪未來(lái)氫氣取代石油成為支撐全球經(jīng)濟(jì)的主要能源后，整個(gè)氫能源生產(chǎn)、配送、貯存及使用的市場(chǎng)運(yùn)作體系。經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，氫能利用方面取得了一定成就，氫燃料電池汽車(chē)等已經(jīng)開(kāi)發(fā)并運(yùn)用，但氫能產(chǎn)業(yè)整體上仍處于“示范”階段，各種氫能公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍不健全，氫能未進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)用，與氫經(jīng)濟(jì)描繪場(chǎng)景相去甚遠(yuǎn)。
1氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1制氫產(chǎn)業(yè)
制氫主要的原理一種是從C-H鍵斷裂，主要從烴類(lèi)物質(zhì)（石油，天然氣等）提取，另一種是從O-H鍵斷裂入手制氫，主要為水分解?，F(xiàn)階段流行的制氫工藝有電解水制氫，甲烷水蒸汽重整制氫，煤制氫、甲醇制氫、氨分解制氫等，除電解水是從O-H斷裂外，基本都是利用化石能源C-H鍵斷裂制取，嚴(yán)格意義上說(shuō)化石能源制氫除非有除碳措施，并不能達(dá)到減排的目的，目前主流的制氫仍是以化石能源制氫為基礎(chǔ)，大約占了目前制氫比重的90%以上，迫切需要一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的制氫方法來(lái)支撐氫能產(chǎn)業(yè)。
由于現(xiàn)在技術(shù)水平發(fā)電效率在35%左右，電解水制氫效率即使效率最高的SPE法也才90%，總體效率低于30%，經(jīng)濟(jì)性較差，只能利用峰谷期間余電來(lái)制取，或者通過(guò)可再生的太陽(yáng)能，風(fēng)能來(lái)進(jìn)行制取，不適宜進(jìn)行大規(guī)模制氫。
水裂解制氫是最直接的方法，但是研究表明需要2500K以上水的分解才比較明顯，考慮材料耐高溫及氫氧分離技術(shù)限制，水直接分解目前技術(shù)上不可行。
為達(dá)到環(huán)保的目的，利用清潔的一次能源核能大規(guī)模制氫看來(lái)是行之有效的辦法。再通過(guò)熱化學(xué)方法，把核電廠(chǎng)產(chǎn)生高溫蒸汽與先進(jìn)的熱化學(xué)制氫工藝相結(jié)合，達(dá)到大規(guī)模制氫的目的，這個(gè)過(guò)程中由核能高溫蒸汽與先進(jìn)的熱化學(xué)方法耦合制氫減少了能量轉(zhuǎn)換（熱-電）這一中間過(guò)程，預(yù)期制氫效率可達(dá)50%以上?，F(xiàn)在主流的熱化學(xué)方法制氫體系有：含硫體系，氧化物體系，鹵化物體系，雜化物體系。其中又以美國(guó)通用GA公司的IS循環(huán)制氫制氫最為著名，并進(jìn)行了小規(guī)模的試驗(yàn)驗(yàn)證。該體系流程如圖1所示，要求蒸汽溫度達(dá)到850℃左右，可以跟當(dāng)前研究的高溫氣冷堆進(jìn)行耦合。
1.2氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸
良好的氫氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要基礎(chǔ)條件。氫由于具有易燃易爆的特點(diǎn)，爆炸極限濃度為4.0%～75.6%（體積濃度），同時(shí)在高壓下容易使材料發(fā)生氫脆，導(dǎo)致氫氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸一直是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。當(dāng)前主要的氫氣運(yùn)輸主要通過(guò)儲(chǔ)氣罐汽車(chē)輸送為主。國(guó)內(nèi)氫氣的儲(chǔ)存仍是以壓縮罐儲(chǔ)存為主，氫能汽車(chē)采用的是35MPa或70MPa的高壓氣儲(chǔ)氣罐。運(yùn)輸基本通過(guò)儲(chǔ)氫罐車(chē)運(yùn)輸，有少部分工業(yè)園區(qū)采用管道直接供給合成氨、石油催化產(chǎn)業(yè)，均沒(méi)有形成較為廣大的網(wǎng)絡(luò)。
歐洲NaturalHy項(xiàng)目、荷蘭的VG2項(xiàng)目、德國(guó)的DVGW項(xiàng)目以及美國(guó)能源部實(shí)施的氫能管道研究發(fā)展工程等均研究了摻氫天然氣管道輸送的安全問(wèn)題。據(jù)了解已有管道達(dá)到摻氫20%左右，仍能保證安全性。利用現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行改造升級(jí)，使其能夠輸送氫氣，是氫能快速推廣的一種捷徑。但是由于天然氣目前儲(chǔ)量還是比較豐富，現(xiàn)階段只需要支付開(kāi)采成本，氫氣沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，氫氣使用普及存在一定阻力。
液化氫氣密度為常溫下的845倍，氫氣液化儲(chǔ)存需要達(dá)到超低溫-253℃，但氫氣液化成本高，能量損失大（氫液化所需能量為液化氫燃燒產(chǎn)熱額的30%），且存在蒸發(fā)損失，需要極好的絕熱裝置來(lái)隔熱，也僅在一些特殊領(lǐng)域有所運(yùn)用，如航天領(lǐng)域。當(dāng)前也在研究運(yùn)用合金儲(chǔ)存，或者芳烴類(lèi)有機(jī)物進(jìn)行儲(chǔ)存，但目前情況來(lái)看儲(chǔ)存的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在10%以下，還需要配套催化加氫脫氫設(shè)備，現(xiàn)在情況相對(duì)于儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存仍沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。
氫氣輸送與運(yùn)用的理想狀態(tài)是如電能一樣，達(dá)到發(fā)電量與負(fù)荷的平衡狀態(tài)，盡量減少儲(chǔ)存環(huán)節(jié)。預(yù)期未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展到一定程度，使氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)達(dá)到基本平衡，實(shí)現(xiàn)氫氣零儲(chǔ)存的理想的狀況。
1.3氫能應(yīng)用領(lǐng)域
現(xiàn)階段氫氣主要用于化工領(lǐng)域，少部分用于交通運(yùn)輸?；ゎI(lǐng)域包括合成氨生產(chǎn)，石油催化劑提高油品，醫(yī)藥合成中的催化氫化等。交通運(yùn)輸方面主要運(yùn)用于氫能汽車(chē)，但全球范圍內(nèi)比重較小。
目前氫能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程已經(jīng)可以達(dá)到400~600km，電池電堆壽命也可達(dá)到4000h以上，但由于現(xiàn)在燃油車(chē)預(yù)計(jì)仍在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)仍有優(yōu)勢(shì)，以及電動(dòng)汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，加氫站數(shù)量限制，基礎(chǔ)配套設(shè)施不能滿(mǎn)足需要，氫能汽車(chē)未廣泛推廣。
值得關(guān)注的是目前開(kāi)發(fā)的燃料電池不僅可用氫氣作為燃料，也可用甲烷，甚至是石油均可作為燃料。且當(dāng)前氫燃料電池要求的氫氣濃度要達(dá)到99.99%以上，這對(duì)于氫氣的要求太高，這也限制了氫能汽車(chē)的發(fā)展。
2氫能發(fā)展主要制約問(wèn)題
2.1經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題
化石能源仍在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)有競(jìng)爭(zhēng)力，畢竟基本上支付開(kāi)采成本就好，而氫氣在地球自然界沒(méi)有大規(guī)模存在，需要經(jīng)過(guò)加工提取，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本較高。同時(shí)在氫氣運(yùn)輸上，氫氣管道材料要求較高，氫氣管線(xiàn)成本是普通燃?xì)夤艿赖?span lang='EN-US'>2~3倍。加之下游氫能推廣仍處于起步階段，市場(chǎng)不夠廣闊，仍不夠經(jīng)濟(jì)。如果目前沒(méi)有環(huán)保方面的壓力，化石燃料還是在經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)勢(shì)。
2.2基礎(chǔ)設(shè)施不完善
截止2018年底，全球共有369座加氫站。其中歐洲152座，亞洲136座，北美78座。中國(guó)目前12座，在建24座。沒(méi)有形成較大的氫氣傳輸管道。這極大的限制了氫燃料電池汽車(chē)等終端使用。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)燃?xì)夤艿阑旧鲜翘烊粴夤艿?，以前含有氫氣的煤氣管道基本上進(jìn)行了改造，氫氣在成本上并不占有優(yōu)勢(shì)，加之安全問(wèn)題，并沒(méi)有大規(guī)模用于居民燃?xì)狻?/span>
2.3安全問(wèn)題
由于氫氣自身性質(zhì)，易燃易爆，易泄露等原因，使氫能基礎(chǔ)設(shè)施成本加大，民眾的接受認(rèn)可程度也較低，不利于創(chuàng)造寬松的應(yīng)用發(fā)展環(huán)境，使氫氣運(yùn)用受限。
2.4技術(shù)成熟度不夠
核能制氫技術(shù)仍停留在理論上，由于下游需求問(wèn)題，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于制氫的在運(yùn)的核電廠(chǎng)；碘硫循環(huán)等制氫技術(shù)也只是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小規(guī)模驗(yàn)證；發(fā)展比較成熟的氫燃料電池技術(shù)取得了一定成績(jī)，但是由于鉑催化劑來(lái)源等問(wèn)題發(fā)展受限，短期內(nèi)跟電動(dòng)汽車(chē)、傳統(tǒng)燃料汽車(chē)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。
3氫能發(fā)展方向建議
3.1規(guī)模低價(jià)的氫氣來(lái)源
氫能作為清潔低碳能源，未能大規(guī)模應(yīng)用，成本是大問(wèn)題，現(xiàn)在制備價(jià)格都5元/m3左右，是天然氣的2倍以上，需要從源頭上降低氫氣價(jià)格。通過(guò)核能蒸汽熱化學(xué)循環(huán)是未來(lái)制氫發(fā)展的方向，只有保證穩(wěn)定，充足的來(lái)源才能為下游終端用戶(hù)創(chuàng)造良好環(huán)境。
3.2以自然壟斷促進(jìn)氫氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
要讓氫能發(fā)展成未來(lái)社會(huì)的必需品，可以參考水、電、天然氣、通訊的發(fā)展模式，讓企業(yè)通過(guò)壟斷，大規(guī)模建造氫氣運(yùn)輸、儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低成本，特別是利用天然氣已有的管道來(lái)改造升級(jí)，先通過(guò)摻氫管道建設(shè)，首先讓氫氣可以用起來(lái)，有了市場(chǎng)，自然也能促進(jìn)下游終端開(kāi)發(fā)，即使再不濟(jì)，居民生活用氣也是一個(gè)大市場(chǎng)。
3.3氫能發(fā)展應(yīng)先粗獷式的發(fā)展
目前火熱的燃料電池技術(shù)雖然成果較大，極大的提升了氫能利用效率，但是對(duì)于氫氣純度要求太苛刻，一般要達(dá)到99.99%以上，使用門(mén)檻太高對(duì)氫能發(fā)展不是好事情。如能開(kāi)發(fā)出純度要求不高的混合氣體燃料電池，或者是直接開(kāi)發(fā)高效率的內(nèi)燃式的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或許更能促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在初期發(fā)展階段，建議可考慮用氫氣替代一部分天然氣，讓氫能先應(yīng)用于生活、生產(chǎn)能源，改變社會(huì)能源結(jié)構(gòu)，先達(dá)到減排作用。
3.4加大氫能產(chǎn)業(yè)的扶持力度
新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期階段都離不開(kāi)政府政策的支持，政府資金政策扶持可降低投資者初期風(fēng)險(xiǎn)。可采取合作的方式與投資者建設(shè)加氫站，補(bǔ)貼氫氣運(yùn)輸管道建設(shè)，獎(jiǎng)勵(lì)儲(chǔ)氫材料，氫能技術(shù)開(kāi)發(fā)研究等。
4總結(jié)
地球豐富的水資源為氫能未來(lái)發(fā)展提供巨大空間，技術(shù)的日趨成熟也為氫能發(fā)展提供了保障，氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要足夠的耐心，需等待到大眾已經(jīng)不能忍受化石能源帶來(lái)的一系列問(wèn)題，氫能將逐漸成為主流?？梢韵胂笪磥?lái)通過(guò)清潔的一次能源核能作為制氫能源，通過(guò)核蒸汽與碘硫循環(huán)等先進(jìn)的熱化學(xué)工藝集合制取廉價(jià)氫氣，完善的管道網(wǎng)絡(luò)輸送至生產(chǎn)，生活終端，達(dá)到制造與消費(fèi)的平衡，氫經(jīng)濟(jì)最終形成。
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