氢能利用与发展

氢能利用与发展

张磊

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 吉林长春 130000

摘要：氢能作为一种重要的二次能源，具有来源广泛、制取方便、能量密度高、绿色环保无污染等优点。如何进行氢能源的大规模应用是目前政策、行业及企业研究的热点。因此本文对氢能利用与发展进行了探究。

关键词：氢能；利用；发展

1氢能特点

1.1来源多样、清洁、环保、高效的二次能源

氢是二次能源，能通过多种方式制取，资源制约小，利用燃料电池，氢能可通过电化学反应直接转化成电能和水，不排放污染物，相比汽柴油、天然气等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环限制，发电效率超过50％，是零污染的高效能源。

1.2理想的能源互联媒介

氢能是实现电力、热力、液体燃料等各种能源品种之间转化的媒介，是在可预见的未来实现跨能源网络协同优化的唯一途径。当前能源体系主要由电网、热网、油气管网共同构成，凭借燃料电池技术，氢能可以在不同能源网络之间进行转化，可以同时将可再生能源与化石燃料转化成电力和热力，也可通过逆反应产生氢燃料替代化石燃料或进行能源存储，从而实现不同能源网络之间的协同优化。

1.3可大规模应用的储能介质

随着可再生能源渗透率不断提高，季节性乃至年度调峰需求也将与日俱增，储能在未来能源系统中的作用不断显现，但是电化学储能及储热难以满足长周期、大容量储能需求。氢能可以更经济的实现电能或热能的长周期、大规模存储，可成为解决弃风、弃光、弃水问题的重要途经，保障未来高比例可再生能源体系的安全稳定运行。

1.4丰富的应用场景

氢能应用模式丰富，能够帮助工业、建筑、交通等主要终端应用领域实现低碳化，包括作为燃料电池汽车应用于交通运输领域，作为储能介质支持大规模可再生能源的整合和发电，应用于分布式发电或热电联产，为建筑提供电和热，为工业领域直接提供清洁的能源或原料等。

2氢气的制备

制氢的方法非常多，无论是一次能源还是二次能源都可以制取氢气。目前，氢气的制取路线主要有四大类：一是电解水制氢，其制取的氢气纯度可达99.7%；二是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；三是以焦炉煤气、氯碱工业为代表的工业副产提纯制氢；四是利用可再生能源制氢。各工艺的对比如表1所示。

由表1整体分析，甲醇裂解制氢是一种经济的制氢方式，虽然其生产规模小，但原材料易得、投资成本低、并且经过变压吸附净化后的氢气纯度可高达99.99%，作为氢气间断性、补充性的制造是完全可以的。另外，可再生能源制氢一直是各国大力研究发展的项目，它可以利用弃风、弃光等能源，减少能源的浪费，是未来制氢行业中最具潜力和前途的工艺。

2氢气的储存

储氢技术是氢能源的应用瓶颈，主要在于需提高储氢密度，降低储氢成本，提高充放氢速度。氢气的储存直接影响到氢能的应用。目前，氢气的储存主要有气态储氢、液态储氢、固体储氢三种方式。其中高压气态储氢技术比较成熟，是目前最普遍、最常用的储氢方式；液态有机储氢以高储氢量、安全性好、循环性能好等优势在众多的储氢方式中脱颖而出，是现阶段全球研发的重点；固体储氢法由于其安全性高、储氢密度高，从而成为新一代储氢技术。

通过对现阶段国内储氢行业的分析，发现高压储氢技术相对比较成熟且生产成本较低是目前国内主流的储氢技术，但并非最优技术。笔者认为有机物液体储氢是一种最佳的储氢技术，相比于其它储氢技术而言，有机物液体储氢具有储氢密度高以及独一无二的安全性、运输便利性，若重点攻克该技术存在的难题，其发展潜力和应用前景都将是巨大的。

3氢气的运输

氢气的运输方式主要有4种：(1)高压气态输氢主要有长管拖车运输和管道运输两种方式，当前长管拖车运输设备产业在国内较为成熟是近距离运输的主要方式，管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的方式；(2)液态输氢可以满足运输量大的要求液氢槽罐车运输在国外应用较为广泛，国内目前仅用于航天及军事领域；(3)有机液体输氢在储氢密度和储运便利性上兼具优势，但存在催化剂成本和效率难以兼容、装置复杂等问题，并不是氢气的主流运输方式；(4)目前对于固体储氢材料的研究还处于探索和改进阶段，其原料成本也较高，实现规模化的运输仍然面临着挑战。

笔者认为在氢能大规模的占据市场的前提下，管道运输是一种涵盖范围最广、最便利的输氢方式，在运输效率和运输成本上都具有其他运输方式不可比拟的优势。管道运输虽然一次性投入建设资金较高，但从长远来看这种运输方式可以大大降低运输成本，实现长距离、大规模的运输。

4氢能的应用

4.1氢能热电联供系统

燃料电池是氢能应用中最重要的形式，主要是以氢燃料电池系统作为建筑、社区等的供能载体和备用能源。微型燃料电池热电联供装置是氢能固定式应用的重要分支，也是一种备受关注的新型分布式能源技术。日本是世界上推广商业燃料电池利用系统规模化最大且最成功的国家，自20世纪末，日本就开始进行燃料电池基础研究，2004年生产出示范产品，2009年政府开始加大产品购买补贴与基础研究力度加速推进了商业化，目前已形成完整的家用燃料电池系统产业链，为各国展示了一条清晰的发展路线。

4.2氢能源汽车

氢燃料电池汽车是目前最主要的交通利用方式，近两年氢能燃料电池汽车的发展受到各界重视，逐渐成为资本和企业追逐的热点，丰田、本田等公司都宣布实现燃料电池汽车商业化。氢能作为汽车内燃机的直接燃料主要有两种，一是直接使用氢气作为燃料的全氢发动机，二是在传统内燃机燃料(如汽油、柴油)中掺入微量氢气燃烧。与传统燃油车相比，燃料电池汽车发动机在工作过程中具有冷启动性能好、热量损失小、能源转换效率高等优势；与纯电动车相比，燃料电池车的续航里程更远，燃料加注时间也更短。然而燃料电池气车仍然存在着制造成本与使用成本高昂的缺点。我国对于燃料电池的研究起步晚、产业基础薄弱，氢经济相关技术与国外相比存在一定差距，但政府、学界和企业都高度关注氢能源汽车的研发和生产，中央和各地政府陆续出台了相关扶持和补贴政策鼓励氢能源汽车的发展，预计2030年左右可以实现氢能源汽车大规模的推广和市场化。

5结束语

氢能作为一种二次能源，具有绿色无污染、原料丰富、利用方式多样的优势。随着制氢技术和储氢技术的发展，氢能将在未来的能源市场发挥更大的作用。氢能领域表现出广阔的发展前景和强劲的发展势头，将为解决人类能源危机和环境污染提供有力支撑。

参考文献

[1]马硕.氢能源与燃料电池汽车的发展应用[J].时代汽车，2017(12):23-24.

[2]王寒.世界氢能发展现状与技术调研[J].当代化工，2016(06)：1316-1319.