氢能与氢能发电技术

 概述

时代车轮的滚滚向前，人类掌握的科技则日新月异，作为重要一环的发电技术也得到了快速的发展与进步。在享受科技成果带来的文明的同时，我们又不得不面对一个习卷全球的问题：能源问题。人类文明的进步几乎是依靠地球能源与环境铺垫而来的，同时随着科技的进步，人类对能源的需求也日益增大。令人困扰的问题是化石能源的过度使用带来的环境方面如全球变暖、环境污染等问题，开发可持续、清洁的新能源已成为世界各国的共同选择。

新能源的迅速发展，未来能源网络将会是电网、气网、氢网三网合一的立体网状结构，可实现各个能源间的互补以及有效转换。风、光等新能源所发的“绿电”，可作为制氢的电能供应，同时“氢能”可作为储能通过燃料电池转化为电能，也可以掺杂到天然气管道部分替代天然气送入千家万户，所以氢能是“三网合一”能源网络的核心和枢纽。已成为世界新一轮能源转型阶段中发展新能源技术的首选，甚至被称为“最终能源”。

2020年9月中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会发表了重要讲话，宣布了中国的“双碳”目标，对中国乃至全球绿色经济发展具有积极影响。其中氢燃料电池作为氢能源的重要应用场景之一在政策的扶持下成功形成了一定的产业规模，有望在碳中和目标驱动下正式迈入提速发展阶段。同时，传统的能源和能源核心企业也纷纷开始布局氢能产业，积极推动整个氢能产业链的发展，中国氢能产业正迎来前所未有的发展机遇。在此需求的推动下，可再生能源技术大力发展。在发电技术中，风能、太阳能、水能等可再生能源迅速发展。同时，氢能源则更具有清洁与可再生的特点，它的用途也十分的广泛，是新世纪十分理想的能源形式。

氢能发电背景

随着世界环境与能源问题的日趋严重以及国家政策对可再生能源技术的鼓励和“碳中和”“碳达峰”目标的提出，可再生能源技术、核电等非化石燃料燃烧的发电技术快速发展。其中，部分可再生能源发电技术体系逐渐日趋成熟，在效率等问题上逐渐达到目前技术所能达到的暂时的高峰。

目前，水能的使用在国内基本上已经处于饱和的状态，其对于地区江河环境要求较高，同时修建水电站对当地生态环境的影响也相对较大。其次，风能、太阳能、潮汐能等可再生发电方式由于其本身对环境、时间条件的要求较为严格以及技术限制等问题致使其目前无法成为我国主要发电技术。

此外，核能的发电能力较强且没有除了核废料之外的污染物排放，能够提供清洁的电能。但是核电存在的问题令人们不得不重视。其一是核电单位装机容量投资成本较大，是常规火电厂的1.5到2.0倍；其二则是对核电安全性问题的顾虑，核电的发展历史在过去与现在一直存在着令人无法对其完全信任的种种意外：曾经的切尔诺贝尔事件，以及一直无法有效解决的日本福岛核电站的相关问题。而且核电站本身核废水的处理一直无法有效解决。种种因素的存在致使我国不选择将其作为主要的发电方式。

目前所讨论的氢能源相较于其他发电技术则具备着来源方便、清洁、发热值高等优点，十分符合当今的时代理念，有望成为未来主要发电方式。

氢能的特点

氢元素处于元素周期表的第一位，其原子质量是最小的，早期就有采用氢气制作成热气球，作为运输的工具，如图1所示。

此外，氢能具有的特性有：（1）氢气具有良好的导热性能。在所有气体中，氢气的导热性最好，1个大气压下（0℃）时，氢气的导热系数为0.1289W/(m?K)，比大多数气体的导热系数均高出10倍左右，在能源工业中氢是传热载体，比如在发电机的冷却中采用氢气进行冷却。（2）理想的发热值。每千克氢燃烧后能放出142.35千焦的热量，约为汽油的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。氢原子构成了宇宙质量的75%，氢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，地球上水最为广泛。（4）无毒。氢是无色、无味的氢气，氢燃烧后的产物是水，没有造成环境污染的硫氧化物、氮氧化物和粉尘颗粒以及温室气体如：二氧化碳，碳氢化合物等。（5）作为多种形态存在以满足运输需要。氢能重量较轻，因此从运输成本及社会总效益考虑，氢能的运输优于其他能源。氢常温下为气态，低温高压下为液态，或与金属可化和为固态金属氢化物，这三种形态可作为不同的贮运方式的需要。图2为Linde公司放置在德国Autovision博物馆的液氢储罐样品。（6）耗损少。氢能可通过燃料电池转化为电能，或者采用管道输氢，这样就可取消远距离高压输电，即提高安全性，又降低能源无效损耗。（7）减少温室效应。氢能的应用可减少温室气体的排放，最大限度地减弱温室效应，与我国目前的“双碳”目标相符合。

国内氢能的发展

氢能汽车

目前国内氢气利用较为广泛的技术之一，这一技术被视为解决未来人类能源危机的有效方案。与此同时，氢能汽车行业在此基础上也得到了迅速发展。随着国家经济的发展与人民生活水平的日益提高，汽车产业在我国工业生产中逐渐占据较大的份额，但是目前传统的汽车主要使用汽油或柴油发动机，虽然目前对汽车的尾气排放已有极大的技术改进，其温室气体的排放仍然对于环境有着极大的损害，因此氢能汽车的发展对于能源节约与环境保护有着重要的意义。而如今能源供应日趋紧张，在燃料发动机的汽车中，氢能作为替代能源的优势更加明显。

国家氢能产业政策

我国氢能产业的“东南西北中”五大块发展区域。其中，东部地区（主要是上海，江苏等地）的氢能发展较为迅速。从产量来看，我国在制氢方面的技术正在逐步提升，2020年全国氢气产量超过2000万t/a，但主要是以工业的副产品为主，也就是所谓的“蓝氢”，与“蓝氢”这一概念相对的则是“绿氢”，指的是使用清洁能源生产的氢气，目前需要大力发展的就是清洁能源制氢。

为了加速推进氢能产业的发展，国家方面也陆续颁布了相关政策，意在激发氢能发展的速度。2011年以来，政府主管部门在战略定位、产业结构、科技创新、氢能产业发展等方面实施了多项扶持措施。用于指导和促进氢能产业发展的融资和资金。2019年，氢能首次被纳入政府工作报告，其中明确“促进水合和其他设施的建设”在《2020年国民经济和社会发展计划》提出的主要任务当中，首次明确地提出中国氢能产业发展国家战略规划。随后，在2020年4月10日，首次将“氢能”列入《中华人民共和国能源类别（征求意见稿）》。2020年4月23日，财政部、工业和信息技术部发表了一篇关于氢气使用的论文。表明：“调整当前燃料电池汽车购买补贴，以选择具有基础、热情和特色的城市或地区，重点关注关键部件的技术突破和工业化应用，中央政府将以‘奖励’而不是补贴。要在大约四年内建造新型氢燃料电池汽车产业链，做到必须掌握自主核技术，打造布局合理、协调发展的良好竞争和发展市场局面。”

市场方面，目前国内氢能产业资本发展迅速，国内各大能源集团都竞相发展氢能产业，总的来说，我国氢能产业即将迎来高速发展阶段。

国外氢能源的发展

早在2017年，日本政府起草并公布了“基本氢能战略”，这个战略的最终目的在于创造一个以氢能为主题能源的“氢能社会”。未达到这一目的，首先要做的就是将氢能价格拉低实现与其他燃料的价格基本持平甚至低于传统燃料价格，这样就能够更好地推广氢能在国内的应用；大力建设加氢站，实现以新型的氢燃料汽车替代传统的燃油汽车，以氢能发电天然气及煤炭发电。

美国作为最早将氢能纳入国家能源战略的国家，早在1990年就出台了《1990年氢研究、开发及示范法案》。此后，美国能源部发布了《氢能项目计划2020》，该计划对于美国的氢能产业发展做了全面的阐述和明确的目标，为发展氢能打下了坚实的基础。当前美国氢能产业的技术瓶颈主要集中在各环节的成本、耐久性、安全性以及缺乏基础设施等方面。

氢能发电面临的问题和瓶颈

氢气制取成本较高

电解水制氢单位能耗在4-5kWh/Nm3，据测算，2030年和2050年季节性储能高峰电量潜力约为0.99万亿kWh和2.14万亿kWh，由此产生的制氢规模将分别达到1800万吨和4000万吨。电解水制氢的成本主要有三部分组成：第一是制氢厂建设、设备费用，第二是日常运营维护工作费用，第三是电费。在这三大成本当中，电价是导致电解水制氢成本高最主要的原因，约占总成本的78%。若利用电网消纳不了的电能进行电解水制氢是一种降低成本的优良途径。

氢气储运困难、加氢站建设数量少

氢能储运和加注产业化整体滞后。储氢技术虽然也在不断提高，但其受基本材料的约束，发展速度相对滞后。运输方面主要有两种运输方式，管道运输和氢拖车运输，二者相比各有优缺点，但是成本都比较高。总之储氢和运输的高昂成本很大程度上制约了氢气的使用和发展。

当前，氢的运输方式包括道路车辆、铁路、轮船、管道运输四种， 道路运输方面，气氢拖车是目前应用最为广泛的一种氢运输方式。最常见和成熟的氢储存技术，钢缸具有简单的储存和运输结构，压缩氢的低能消耗，高速填充和排放速度，但有泄漏和爆炸的危险性，安全性能差。

液化储氢虽然能够节约下较大的存储空间，但是却带来了技术和经济性上的双重难题。液态氢的体积大约只有气态氢的1/845，因而在运输过程中可以极大地减少空间。技术上的难题在于，要使氢气维持在液态需要将温度保持在-253℃以下，否则会导致液态氢发生气化，具有较大的危险。经济方面的难题在于，将1kg氢气需要消耗4~10千瓦时的电能，再加上需要在液态储氢对于材料的高要求，这些都使得氢气储运的成本很大程度地增加了。

近年来，固体材料由于其高储氢密度，良好的安全性和高纯度氢气备受关注。固体材料储氢方式主要有两种，物理吸附储氢、化学吸附储氢。前者主要原理是通过多孔材料的范德华力与氢原子之间的相互作用来存储氢气，但缺点在于常温常压条件下材料的范德华力很弱，会导致逸出氢，而氢气属于易燃易爆气体，因此具有一定的危险性；后者则是使用特定的能与氢原子发生化学反应的材料，二者相互反应形成稳定的水合物来储氢，当然这种储氢方式也有一些缺点具体有吸氢温度高、动力学差、可逆性差等。

总而言之，我国目前对于氢气的储运技术仍然没有达到工业化的要求，这是影响氢能发电大规模推广应用突出问题。

总结

氢能发电已经成为国内外重点研究方向，其发展潜力巨大，世界主要国家对氢能源和燃料电池的开发非常重视。美国、日本、德国等发达国家持续支持氢能源、燃料电池的研发和工业化。

中国是能源消费大国，是能源不足的国家。氢能源对于加快中国能源生产和消费革命、加快新时代能源转换发展非常重要。清洁能源氢的生产和能源利用尚处于开发的初期阶段，氢能量在未来的运输和电力储存领域具有很大的前景。