国内氢能产业发展现状及分析
随着工业的发展和人们物质生活水平的提高,能源的需求也与日俱增。由于近几十年来使用的能源主要来自化石燃料(如煤、石油和天然气等) ,而其使用不可避免地污染环境,再加上其储量有限,所以寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们的广泛关注。
氢能特性
目前氢的主要利用方式是工业用途，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。与此同时，氢气更是清洁能源的载体，具有清洁高效、可储运等特点，具有十分广阔的应用前景。
来源多样
氢能是二次能源，需要使用其他能源制取。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等，但这些反应消耗的能量都大于其产生的能量。在燃料电池中，氢和氧通过电化学反应转化为电和水，不产生任何污染物，相比于油气煤等化石燃料，其转化效率不受卡诺循环的限制，发电效率超过50%，在使用环节接近零污染。需要注意的是，由于制氢需要消耗其他一次能源，故在氢能生产和利用的生命周期内的排放，主要与制氢的一次能源有关。使用水电、风电、光电以及核电等清洁能源电解制氢，可以极大地降低氢能产业链的污染和排放情况。不过目前国内电解制氢仅占总制氢量的1%[1]，因此当前的氢能产业远称不上“清洁”。
储能载体
氢能是电力、热力、燃料等各种能源形式转化的介质，也是可以实现能源大规模储存的载体。风电、光电等可再生能源由于受到季节、气候、气象等因素的影响，能源供给和需求往往无法统一。弃风、弃光、弃地热、弃核等能源可以转化为氢能进行储存，用来跨时段甚至跨季节调峰。利用氢能可大规模储存的特性，可以提高可再生能源系统的运行安全。
用途广泛
氢能具有广泛的用途，能够实现工业、交通等主要终端应用领域的低碳化。在工业领域，氢气可用来制造氨水和化肥，也可用于石油精炼、玻璃磨光、黄金焊接、气象气球探测及食品加工中。在交通领域，氢燃料电池汽车已经逐渐走入公众的视野。氢燃烧热值高，燃烧同等质量的氢产生的热量，约为汽油的3倍[2],详见下表。同时，液态氢可以作为火箭燃料。
| 燃料 | 分子式 | 发热量/（KJ/g） | CO2排放量/（g/KJ） |
|---|---|---|---|
| 煤 | C | 33.9 | 0.108 |
| 清油 | C16H34 | 44.4 | 0.070 |
| 汽油 | C8H18 | 44.4 | 0.069 |
| 甲醇 | CH3OH | 20.1 | 0.069 |
| 天然气 | CH4 | 49.8 | 0.057 |
| 氢气 | H2 | 120.2 | 0 |
料电池汽车已经逐渐走入公众的视野。氢燃烧热值高，燃烧同等质量的氢产生的热量，约为汽油的3倍[2],详见表1。同时，液态氢可以作为火箭燃料。
我国氢能产业发展现状
氢能具有广阔的应用前景，其产业发展潜力极大。但目前我国氢能产业基础积淀较浅，各产业环节设备和运行成本偏高制约了产业发展。我国氢能产业的各个环节发展呈现了重两头轻中间的情况，即制氢和消费端已经形成了一定的产业基础，但是在氢气的储运方面发展仍严重滞后。
制氢产业成熟但高排放
制氢是整个氢能产业链的上游，是整个产业发展的基础。我国的制氢技术相对成熟，并且已经形成了一定的产业规模。石化能源制氢、工业副产氢和碱性电解水制氢等三种主要制氢技术都已经发展的较为完善。在制氢领域，我国已经形成了一定的产业基础，年产能超过2000万吨[1]。不过从制氢的方式来说，煤、石油、天然气等化石燃料制氢占了总制氢量的近7成，工业副产氢气占了约3成，而电解水制氢占比不足1%。
由于氢能是通过其他一次能源制取的，因此其环境影响主要取决于用于制取氢的一次能源。目前主流的制氢方式是以煤制氢和天然气制氢为主的化石能源制氢，这种制氢方法的特点是产量大成本相对较低，以当前国内煤炭和天然气主流价格计算，氢气成本在10 15元/kg[3]，缺点是在生产过程中碳排放较大和产生一定的污染，而且成本受原材料价格波动的影响，尤其是天然气制氢更容易受此方面的影响。工业副产气制氢主要是从氯碱工业副产气等尾气中进行提纯制氢，其常用的是变压吸附技术（PSA）进行提纯[4]。目前规模化PSA提纯制氢的成本约有8 14元/kg。煤制氢、天然气制氢和工业副产氢在产生氢气的同时，不可避免的会伴随一定的碳排放。电解水制氢则在制氢环节达到了清洁、无污染、高纯度，其缺点是成本相对较高，制氢成本约为20 22元/kg。电解水制氢使用大量电力，目前我国的电力结构仍为煤电主导（煤电占我国电力消耗的近7成），因此电解水制氢产业上有也存在一定的碳排放。
从制氢产业发展现状来看，制氢所利用的能源结构会产生污染和碳排放，因此作为“清洁能源”的氢能在“制氢”这一环节仍然存在高排放的问题。
氢气储运产业化滞后
氢气的储运一直是制约氢能产业规模化、集约化发展的一大阻碍。目前主流的氢气储存方式有:高压存储气态氢、低温存储液态氢和化学储氢。其中高压存储气态氢是目前国内主要的氢气储运方式，一般采用压力25～35 MPa 的碳纤维复合钢瓶储运。氢气在35MPa时密度约为23kg/m3，70MPa时约为38kg/m3，储氢瓶的质量储氢密度仅有5%（35MPa）。而且压缩氢气是耗能过程，若使用更高压力的储罐，如70MPa，则压缩过程需要大量的能量，极大地提高了整体成本。压缩氢气主要通过气氢拖车和氢气管道两种方式运输。目前，国内加氢站的外进氢气均采用气氢拖车进行运输。由于气氢拖车装运的氢气重量只占运输总重量的1%～2%，比较适用于运输距离较近、输送量较低、氢气日用量为吨级或以下的用户。而气氢管道运输应用于大规模、长距离的氢气运输，可有效降低运输成本。国外气氢管道输送相对国内较成熟，美国、欧洲已分别建成2400km、1500km 的输氢管道。我国目前氢气管网仅有300～400 km，最长的输氢管线为“ 巴陵-长岭”氢气管道，全长约42 km、压力为4 MPa[5]。
液态储氢可以将体积减小到气态氢的1/800左右，可以极大地提高体积能量密度。但氢气沸点是-253℃，氢气液化需要消耗相当于氢气燃烧热1/3 的能量。且储存温度和室温相差达200 ℃以上，氢气的蒸发潜热低，液氢会汽化散逸，损失率可达每天1%～2%。所以液氢储存不太适用于间歇使用的场合，但适用于大规模高密度的氢储存和运输。
高压气态储氢和液态储氢两种方法对氢气进行储存的过程中，都必须使用额外的能量，实际上大大提高了氢气的储运成本。化学储氢可以实现常温常压储氢，包括了金属氢化物储氢、配位氢化物储氢、无机物及有机物储氢等[6]。这些储氢方式可以达到氢气在常温、常压下的高能量密度的储存，极大地提高了氢气的储运能力和储运过程中的安全性。目前氢气的化学储存在国内仍处于产业化初期，以中国地质大学程寒松教授团队为代表的科研队伍已经在化学储氢方面取得了非常好的产业化尝试[7] [8]。
消费端发展不均衡
目前氢能的消费以工业利用为主，主要应用于合成氨、合成甲醇、石油精炼等工业领域，氢燃料电池汽车所利用的氢能不足年氢消耗量的1%。从氢能消费上看，氢能的终端消费并不均衡，虽然目前氢能以工业原料消费为主，但未来交通部门应用潜力巨大。氢能可以使用氢内燃机发电，但更主流的方式是使用燃料电池直接将氢能转化为电能，在这个过程中氢不直接燃烧而是通过电化学反应将能量转化为电能，更高效更环保。燃料电池功率和储能单元彼此独立，增加能量单元对车辆成本和车重影响相对较小，氢燃料电池在重型交通领域相比锂电池具有更强的技术适应性。氢能在交通领域的利用将是未来氢能利用的主要方向和成长点。
可以通过对比同级别乘用车的等效油耗来了解氢燃料电池汽车的节能优势，如下表。
| 汽油内燃机车 | 油气混合动力汽车 | 电动汽车 | 天然气燃料电池汽车 | 氢燃料电池汽车 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 等效油耗（L/100km） | 7.6 | 5.08 | 2.07 | 4.36 | 3.84 |
各地氢能产业现状
由于氢气的储运难题没有彻底解决，目前国内氢能产业发展多以地域性发展为主。以下为收集了解到的以武汉为代表的国内各地氢能产业发展情况。
- 武汉：至2018年初，拥有雄韬股份、东风汽车、南京金龙、武汉理工新能源、武汉众宇、大洋电机等一批代表国内燃料电池技术先进水平的企业，氢能产业集群小气候形成。
- 上海：2017年9月发布文件，规划2020年建设5至10座加氢站，燃料电池汽车示范运营3000辆；2025年建设50座加氢站，燃料电池车3万辆；2030年实现产业年产值3000亿元。
- 河北张家口：2017年8月，亿华通中国首条自动化氢燃料电池发动机大批量生产线正式投产，项目总投资10亿元。全部完工后，该基地燃料电池发动机年产能将可以达到一万台。
- 广东云浮：2016年10月，位于佛山(云浮)产业转移工业园的云浮飞驰新能源汽车生产基地投产，年产5000辆氢能汽车；首批量产的28辆氢能城市公交车在佛山、云浮两市运行，率先在佛山、云浮搭建起氢能源城市公交示范推广平台。
- 江苏如皋：2016年8月，联合国开发计划署在中国的首个“氢经济示范城市”项目正式启动。目前如皋已拥有百应能源、氢枫能源等10余家氢能企业且发展态势强劲。
- 浙江台州：2016年12月，全国首个氢能小镇落户。台州氢能小镇项目位于台州湾循环经济产业集聚区核心区，5年内总投资将达到160亿元，并培育一批氢能产业的龙头企业。
进入氢能产业的几点思考
氢能作为二次能源其本身既是一种能源载体，同时又可以作为其他能源之间的转换媒介存在，氢能无疑是构成能源互联网络中不可获缺的关键。利用核能制氢，不仅可以将电网无法消纳的核电通过氢能的形式进行存储，更可以以此为契机构建以核能为核心的能源互联网络，满足不同类型的能源终端的需求。
形成高效制氢工艺体系
核能是清洁的一次能源经过半个多世纪的发展核电已经成为“清洁”、“安全”、“成熟”的发电技术，利用核能制氢几乎可达到零污染。在电解制氢方面，国内已经研制出一种高性能低成本的新型三元纳米片电催化剂，展现出工业级的优异电解水制氢潜能[9]。核能制氢就是将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合进行氢的大规模生产。能制氢的技术和效率已经被学术界反复论证[10] [11]，通过先进的核能系统和制氢工艺的耦合，形成一套先进的核能-氢能联合工艺体系。
介入氢能产业各个环节
全面介入氢能产业的各个环节，形成产业链条，实现制取、储运、应用各个环节的技术和产业突破。氢气的存储和运输是目前制约氢能产业整体发展的重要因素，压缩氢气成本较高，输氢管道基础设施不完善的情况下，谁先实现了氢气的规模化储运谁就掌握了产业发展的先机和主动权。目前在氢气储运领域中国地质大学程寒松教授团队所研发的常温、常压有机化合物储氢技术已经率先实现小规模商用，武汉的泰格燃料电池汽车已经采用并小规模产业化了他们的技术。进入氢气的存储和应用领域会迅速打开产业规模，在降低各环节成本的同时形成具备一定竞争力的氢能业务能力。
构建能源互联服务体系
以核能为核心，氢能为关键节点，地热能、风能、光能等其他能源形式为终端节点，构建完整能源互联网，满足各种功能需求，形成独具特色的集供暖、制冷、用电、蓄电、蓄热等技术为一体的能源供给整体解决方案。
参考文献
[1] 刘坚, 钟财富. 我国氢能发展现状与前景展望[J]. 中国能源, 2019(02) : 32 - 36. [2] 肖建民. 论氢能源和氢能源系统[J]. 世界科技研究与发展, 1997(01) : 82 - 86. [3] 赵岩. 煤制氢气——当今全加氢型炼油厂的发展方向[J]. 炼油技术与工程, 2012(2012 年04) : 11 - 14. [4] 殷文华, 罗英奇, 吴巍, et al. 变压吸附技术在合成氨行业的应用和发展[J]. 低温与特气, 2015, 33(1) : 45 - 49. [5] 中国标准化研究院. 中国氢能产业基础设施发展蓝皮书[M]. [S.l.] : 全国氢能标准化技术委员会, 2016. [6] 许炜, 陶占良, 陈军. 储氢研究进展[J]. 化学进展, 2006, 18(0203) : 200 - 210. [7] CHENLIANG, C. C, P. P, et al. Mechanistic Study on Hydrogen Spillover onto Graphitic Carbon Materials[J].The Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(51) : 18995 - 19000. [8] CHENGHANSONG, C. C, P. P, et al. Molecular Dynamics Simulations on the E ects of Diameter and Chirality on Hydrogen Adsorption in Single Walled Carbon Nanotubes[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2005,109(9) : 3780 - 3786. [9] GAO M-R, LIANG J-X, ZHENG Y-R, et al. An effcient molybdenum disulende/cobalt diselenide hybrid catalyst for electrochemical hydrogen generation[J]. Nature communications, 2015, 6 : 5982. [10] 张平, 徐景明. 核能制氢的效率分析[J]. 科技导报, 2006(06) : 18 - 22. [11] 张平, 于波, 徐景明. 核能制氢技术的发展[J]. 核化学与放射化学, 2011, 33(04) : 193 - 203.
