世界氫能利用現(xiàn)狀及發(fā)展分析

宮攀 蔡翹楚 李淼 楊豐銘 劉曉琳

摘 要：氫能利用始于上世紀(jì)70年代，作為能源轉(zhuǎn)型的路徑選擇之一，目的是實(shí)現(xiàn)使用氫作為燃料取代傳統(tǒng)化石燃料。通過(guò)氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能兼具高轉(zhuǎn)化效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性，是目前氫能主要利用方式和未來(lái)發(fā)展方向。氫燃料電池主要應(yīng)用于氫能汽車、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能。世界上多數(shù)國(guó)家將發(fā)展氫能作為能源政策的重要補(bǔ)充，制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖。總體來(lái)看，氫能產(chǎn)能較大，交通運(yùn)輸集中，氫燃料電池低溫適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用氫燃料電池的分布式熱點(diǎn)聯(lián)供系統(tǒng)短期具有一定應(yīng)用前景，同時(shí)也受到技術(shù)、成本及政策方面的制約。

關(guān)鍵詞：氫能;氫燃料電池;清潔能源。

一、氫能介紹

氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，地球上氫的儲(chǔ)量非常豐富，水是氫的大“倉(cāng)庫(kù)”。氫能是一種理想的清潔能源，不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化，其產(chǎn)物只有水。氫具有燃燒熱值高的特點(diǎn)，熱值高達(dá)到34千卡每千克，大約是焦炭的4.5倍，汽油的3倍和酒精的3.9倍。氫能是氫在物理與化學(xué)變化過(guò)程中所釋放的能量，具有能量密度大、無(wú)碳排放、資源蘊(yùn)藏豐富的優(yōu)點(diǎn)。

氫能利用有著悠久的歷史，19世紀(jì)，電解水和燃料電池首次進(jìn)行了展示，并出現(xiàn)了第一臺(tái)用氫氣作為燃料的內(nèi)燃機(jī)。自20世紀(jì)中期以來(lái)，氫能一直是能源行業(yè)不可或缺的組成部分。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的J.O.M. Bockris教授于1972年第一次次提出了“氫經(jīng)濟(jì)”的理念，描繪了未來(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)體系。但隨后20年間，受到中東局勢(shì)、原油價(jià)格下行、氫能技術(shù)不成熟等各種不確定性因素的影響，石油市場(chǎng)出現(xiàn)回暖，氫能發(fā)展的研究分析不斷減少。

進(jìn)入21世紀(jì)，全球能源出現(xiàn)了深入轉(zhuǎn)型，燃料電池技術(shù)突飛猛進(jìn)，氫能成為解決棄風(fēng)、棄光等問(wèn)題的儲(chǔ)能方案之一，再次進(jìn)入人們的視野。。

預(yù)計(jì)未來(lái)隨著氫能技術(shù)的發(fā)展，特別是零碳?xì)淙剂系闹苽浼夹g(shù)、固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、燃料電池技術(shù)的突破和加氫站的建設(shè)，氫能將在燃料電池汽車、船舶和飛機(jī)等交通運(yùn)輸領(lǐng)域擁有一定的應(yīng)用前景。

二、氫能應(yīng)用現(xiàn)狀

氫能利用方式主要有氫燃料電池、直接燃燒和核聚變?nèi)N。通過(guò)氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能兼具高轉(zhuǎn)化效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性，是目前氫能主要利用方式和未來(lái)發(fā)展方向。

氫燃料電池是通過(guò)電解水的逆反應(yīng)，將燃料（氫氣）與氧化劑（氧氣）中的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。氫燃料電池主要應(yīng)用于氫能汽車、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能。其中氫能汽車正逐步進(jìn)入市場(chǎng)化推廣階段;分布式氫能電源和分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)處于早期市場(chǎng)化推廣階段;氫儲(chǔ)能仍處于研究和示范階段。

氫能汽車：氫燃料電池汽車（FCEV）是氫能清潔利用的主要方式，氫燃料電池汽車的最大優(yōu)點(diǎn)是零排放、能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高（可高達(dá)60%）、續(xù)駛里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短（一般加氫時(shí)間3分鐘，可以續(xù)航里程400公里以上）等。豐田公司2014年推出第一款氫燃料電池車，以液態(tài)氫為動(dòng)力源，充滿儲(chǔ)氫罐大約需要3-5分鐘，可以支持500公里續(xù)航里程。

分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供系統(tǒng)：美國(guó)能源部資助的“未來(lái)發(fā)電”項(xiàng)目中固體氧化物燃料電池與熱機(jī)的300千瓦級(jí)工程示范裝置發(fā)電效率達(dá)52%，熱電聯(lián)供后效率可達(dá)到80%以上。將氫能作為燃料廣泛應(yīng)用于社會(huì)日常生活和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，旨在建立可持續(xù)發(fā)展的地方氫能供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)交通、供暖、工業(yè)等領(lǐng)域的低碳化。

氫儲(chǔ)能：通過(guò)電解制氫的方式將多余的風(fēng)電、光伏電轉(zhuǎn)化為氫氣可提高風(fēng)能、太陽(yáng)能的使用量和利用效率。法國(guó)阿?，m集團(tuán)在科西嘉島的“MYRTE”項(xiàng)目，集成了氫能系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏電廠，旨在通過(guò)調(diào)峰和平穩(wěn)光伏電廠負(fù)載來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)。國(guó)內(nèi)于2010年年底，在江蘇沿海建成了首個(gè)非并網(wǎng)風(fēng)電制氫示范工程，利用1臺(tái)30千瓦的風(fēng)機(jī)直接給新型電解水制氫裝置供電，日產(chǎn)氫氣120立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。

三、氫能相關(guān)政策

1. 各國(guó)氫能政策

從各國(guó)氫能源的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃來(lái)看，多數(shù)國(guó)家將發(fā)展氫能作為能源政策的重要補(bǔ)充，加快氫能頂層設(shè)計(jì)，制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，目標(biāo)是到2040～2050年實(shí)現(xiàn)氫能的廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代，環(huán)境污染和能源供需問(wèn)題突出，氫能利用受到世界各國(guó)的重視，于2000年前后制定了一系列的發(fā)展戰(zhàn)略和政策。

（1）日本于2004年將燃料電池列為國(guó)家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，并于2014年發(fā)布《氫能源白皮書》和《氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，目標(biāo)是到2040年，應(yīng)用氫燃料電池的家用熱電聯(lián)供設(shè)備達(dá)到530萬(wàn)臺(tái)，氫能汽車占新車銷售份額的50%-70%。

（2）美國(guó)能源部于2001年發(fā)布?xì)淠茉妇埃?018年恢復(fù)《燃料電池投資稅收抵免政策》，目標(biāo)到2040年實(shí)現(xiàn)使用氫燃料取代化石燃料的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式過(guò)渡。

（3）歐盟于2003年制定了《歐盟氫能路線圖》，發(fā)布?xì)淠芘c氫燃料電池技術(shù)發(fā)展愿景與規(guī)劃，目標(biāo)到2040年氫能汽車占新車銷售份額的35%。

2. 中國(guó)氫能政策

中國(guó)在2001年發(fā)布《“十五”國(guó)家“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)》，指出發(fā)展氫燃料電池技術(shù)，并在2012年發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，在2018年發(fā)布了氫能汽車財(cái)政補(bǔ)貼方案，最高可達(dá)100萬(wàn)元/輛，目標(biāo)到2030年實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)輛氫能汽車商業(yè)化應(yīng)用，并建成1000座加氫站。

2019年，氫能源首次寫入《政府工作報(bào)告》。2019年4月，國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同有關(guān)部門對(duì) 《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（ 修正 ）》進(jìn)行了修訂，形成《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)被納入鼓勵(lì)類發(fā)展。2020年4月，國(guó)家能源局發(fā)布的《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見稿）》首次將氫能列入能源范疇。2020年5月，國(guó)家發(fā)改委 《關(guān)于2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃執(zhí)行情況與2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃草案的報(bào)告》中提出：制定國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。支持新源汽車、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。2020年7月，國(guó)家能源局《關(guān)于加快能源領(lǐng)域新型標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的指導(dǎo)意見（征求稿）》公開征求意見，意見稿指出要在智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能、儲(chǔ)能、氫能等新興領(lǐng)域，率先推進(jìn)新型標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，發(fā)揮示范帶動(dòng)作用。

四、氫能發(fā)展前景分析

氫能發(fā)展具備以下優(yōu)勢(shì)，一是我國(guó)具備全球最大制氫產(chǎn)能和巨大的可再生能源可開發(fā)量，城市及港口的交通運(yùn)輸較為集中，產(chǎn)業(yè)鏈和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已初步形成。二是氫燃料電池低溫適應(yīng)性強(qiáng)，在極寒冷地區(qū)有一定市場(chǎng)。根據(jù)IEA預(yù)測(cè)，到2050年，理想情景下，氫能汽車占比有望達(dá)到15%。三是應(yīng)用氫燃料電池的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)未來(lái)短期內(nèi)可得到一定應(yīng)用。應(yīng)用氫燃料電池的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)，得到了日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家的推廣。四是分布式氫能電源和氫儲(chǔ)能應(yīng)用有一定發(fā)展空間。未來(lái)隨著氫燃料電池以及制氫成本的降低，分布式氫能電源有望取代柴油發(fā)電機(jī)成為重要的離網(wǎng)電源和備用電源。未來(lái)，隨著氫技術(shù)進(jìn)步，其在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)忍囟▓?chǎng)景具有一定市場(chǎng)空間，值得關(guān)注。

同時(shí)，氫能發(fā)展受到一定的制約，一是在核心材料、零部件、裝備和重大工程方面存在關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，例如，氫能汽車的成本短時(shí)間內(nèi)難以大幅下降，總體上與電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)有明顯劣勢(shì)，但在客車領(lǐng)域和寒冷地區(qū)有一定發(fā)展空間。氫燃料電池的核心組件，催化劑依賴于貴金屬“鉑”，尚未發(fā)現(xiàn)替代產(chǎn)品，氫能汽車的成本過(guò)高問(wèn)題短時(shí)間內(nèi)難以解決。并且，“電-氫-電”的環(huán)節(jié)，讓氫能汽車電能利用率大大降低，僅為30-40%，與電動(dòng)汽車相比（85-95%）差距很大。二是在能源體系中定位需進(jìn)一步清晰，各級(jí)政府的頂層設(shè)計(jì)和法律法規(guī)需進(jìn)一步完善，商業(yè)模式待清晰。

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