氫能源的研究現(xiàn)狀及展望

郭 利

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710075）

氫能是指以氫及其同位素為主導(dǎo)的反應(yīng)中或氫在狀態(tài)變化過程中所釋放的能量。作為一種“含能體能源”的二次能源，因其清潔、高效、零碳和可持續(xù)利用的特性被視為未來清潔能源研究發(fā)展的方向[1-5]。目前氫能的利用方式主要有三種：直接燃燒、通過燃燒電池轉(zhuǎn)化為電能、核聚變。

本研究通過對(duì)氫能的利用及其發(fā)展特點(diǎn)分析，主要介紹了國(guó)內(nèi)外氫能源的研究現(xiàn)狀，同時(shí)指出了未來氫能研究的重要性及實(shí)現(xiàn)氫能廣泛利用的有效途徑和關(guān)鍵因素。

1 氫能的簡(jiǎn)介

1.1 氫能的概念

目前，氫的存在形式主要為化合態(tài)，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。氫能的燃燒熱值為142 351kJ/kg，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。而燃燒后的產(chǎn)物是H2O，是世界上最干凈的能源。因此氫能作為推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型的一種可行技術(shù)路線，逐漸成為世界能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，從歐美政府到國(guó)際能源署等重要國(guó)際組織，都對(duì)氫能經(jīng)濟(jì)寄予厚望。

1.2 氫能的特點(diǎn)

氫能源作為一種“含能體能源”的二次能源，不僅具有清潔、高效、零碳和可持續(xù)利用的特性，而且具有較高的發(fā)熱值、較高的燃燒性能和能損低等特點(diǎn)。根據(jù)它的特點(diǎn)，未來能源將不再依賴化石能源。

2 國(guó)內(nèi)氫能的研究進(jìn)展

《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》（發(fā)改能源[2016]513號(hào)）是由國(guó)家能源局和國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)于2016年聯(lián)合發(fā)布的，該計(jì)劃對(duì)中國(guó)未來能源發(fā)展的方向及重點(diǎn)提出了15項(xiàng)具體的要求，其中包含了燃料電池和氫能技術(shù)的創(chuàng)新。這一計(jì)劃的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)同世界各國(guó)一樣，將氫能源的發(fā)展列入了國(guó)家能源戰(zhàn)略的部署中，我國(guó)氫能源的發(fā)展進(jìn)入歷史性的時(shí)刻。

《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告》是2018年11月發(fā)布的，該報(bào)告中指出：我國(guó)具有豐富的氫能，實(shí)現(xiàn)工業(yè)、建筑、化工和交通等領(lǐng)域氫能的利用是我國(guó)能源發(fā)展的戰(zhàn)略，從而實(shí)現(xiàn)氫能在2050年達(dá)到我國(guó)能源消耗比列的10%。同時(shí)會(huì)上專家指出氫能的生成途徑要多樣化，能夠滿足綠色、循環(huán)再利用，不僅要充分利用中國(guó)豐富的天然氣、煤炭等能源來制取氫能源，而且也可以利用自然能源，如風(fēng)力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國(guó)的氫能源能夠?qū)崿F(xiàn)最大化利用，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，充分利用中國(guó)的巨大市場(chǎng)潛力，實(shí)現(xiàn)中國(guó)氫能源與世界接軌，對(duì)世界氫能源的研究發(fā)展做出杰出的貢獻(xiàn)[6-10]。根據(jù)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》的論壇指出，中國(guó)將加快氫能源發(fā)展的步伐、加大對(duì)氫能源發(fā)展的投資力度。

為了響應(yīng)國(guó)家對(duì)氫能源的發(fā)展戰(zhàn)略要求，寧夏寧東能源化工基地為了擺脫長(zhǎng)期以來依賴煤基產(chǎn)業(yè)，減少煤炭產(chǎn)業(yè)對(duì)環(huán)境帶來的污染，他們瞄準(zhǔn)氫能這一全新的產(chǎn)業(yè)方向，實(shí)現(xiàn)了煤化工“領(lǐng)跑者”向氫能“領(lǐng)跑者”轉(zhuǎn)型。

3 國(guó)外氫能的研究進(jìn)展

3.1 德國(guó)氫能的研究

德國(guó)杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠“以氫代煤”煉鐵，標(biāo)志著氫能的利用進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代！該實(shí)驗(yàn)的原理是：在鋼鐵產(chǎn)業(yè)中，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的零排放，通過利用氫能取代煤炭資源的利用。德國(guó)的鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，原來的方案是單獨(dú)利用鐵礦石，這樣是以犧牲環(huán)境的代價(jià)來換取經(jīng)濟(jì)效益，于是德國(guó)的科學(xué)家嘗試將H2作為還原劑來實(shí)現(xiàn)氫能源在鋼鐵產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，副產(chǎn)物中只有H2O產(chǎn)生，沒有有毒氣體的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了關(guān)鍵性的作用，同時(shí)提高了熱量值，為德國(guó)鋼鐵生產(chǎn)中提供了一條低碳、綠色能源發(fā)展的渠道。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，氫能源在運(yùn)輸過程較為便捷，對(duì)其他工業(yè)上的應(yīng)用提供了一條思路[11]。

《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》是德國(guó)在2020年6月10日發(fā)布的，該戰(zhàn)略對(duì)德國(guó)氫能源的發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用，國(guó)家對(duì)氫能源的研發(fā)、工業(yè)化生產(chǎn)及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)在國(guó)家戰(zhàn)略層面達(dá)成了統(tǒng)一意見[12]。文件中明確表示，德國(guó)氫能源發(fā)展的重點(diǎn)是對(duì)市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大化，計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)。同時(shí)文件中指出了國(guó)家制定的在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、市場(chǎng)監(jiān)管、氣候變化和研發(fā)與創(chuàng)新等38項(xiàng)行動(dòng)項(xiàng)目領(lǐng)域取得關(guān)鍵性突破；第二階段是將德國(guó)國(guó)內(nèi)氫能源的穩(wěn)步發(fā)展，同時(shí)要開拓國(guó)外市場(chǎng)，逐步建立德國(guó)氫能源在國(guó)際市場(chǎng)和研發(fā)技術(shù)方面的地位，該目標(biāo)計(jì)劃在2024年實(shí)現(xiàn)。

3.2 日本氫能源研究進(jìn)展

《日本再復(fù)興戰(zhàn)略》是日本政府于2013年5月發(fā)布的，該戰(zhàn)略中將氫能源的發(fā)展納入了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略[13-14]，同時(shí)對(duì)氫氣站的建設(shè)和使用開始了前期的規(guī)劃。為了能夠使得氫能源在日常生活和工業(yè)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，日本政府對(duì)氫能源的發(fā)展戰(zhàn)略多次進(jìn)行了修訂，不僅在燃料電池的開發(fā)技術(shù)和成本上加大控制，而且對(duì)氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加大了力度，通過技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力來降低氫能源的使用成本，增強(qiáng)日本在氫能源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。由于國(guó)際市場(chǎng)上氫能源的潛力較大，日本政府想通過對(duì)氫能源的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)本國(guó)經(jīng)濟(jì)的振興，他們計(jì)劃不僅穩(wěn)住本國(guó)的市場(chǎng)，還要求加大對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的開發(fā)，使得日本站在氫能源開發(fā)的金字塔塔尖，實(shí)現(xiàn)氫能源領(lǐng)域的權(quán)威。

3.3 韓國(guó)氫能源研究進(jìn)展

早在2009年，韓國(guó)原子能研究院與POSCO等韓國(guó)國(guó)內(nèi)13家企業(yè)及機(jī)關(guān)共同簽署原子能氫氣合作協(xié)議（KNHA），正式開始開展核能制氫信息交流和技術(shù)研發(fā)。2010年5月，POSCO正式開發(fā)著手開發(fā)超高溫煤氣爐（VHTR，Very High Temperature Reactor）和智能原子爐（SMART：Systemintegrated Modular Advanced Reactor）。

3.4 美國(guó)氫能源研究進(jìn)展

美國(guó)氫能源的發(fā)展要追溯到1994年，當(dāng)時(shí)美國(guó)政府提出了“新一代汽車合作計(jì)劃”，著重于氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和氫燃料電池的研發(fā)。

氫能源在美國(guó)的發(fā)展取得了突破性的成果，尤其是 2010年到2020年的十年里。美國(guó)不僅在經(jīng)濟(jì)方面給予氫能源發(fā)展大力的支持，而且從技術(shù)上也培養(yǎng)了大批的氫能源專家，在氫能和燃料電池的發(fā)展上給予將近5億美元的支持，使得氫能源在工業(yè)生產(chǎn)中取得了豐碩的成績(jī)[15-18]。主要表現(xiàn)為：Plug Power 公司開發(fā)的氫燃料電池叉車，實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)；Fuel Cell Energy公司開發(fā)的固定式燃料電池，在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；同時(shí)Air Products公司和Praxair公司對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)的核心技術(shù)領(lǐng)跑于世界其他國(guó)家。

4 氫能的前景及展望

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外氫能源發(fā)展的研究發(fā)現(xiàn)，氫能源作為一種“含能體能源”的二次能源，因其清潔、高效、零碳和可持續(xù)利用的特性被視為未來清潔能源研究發(fā)展的方向。我國(guó)不僅要充分利用中國(guó)豐富的天然氣、煤炭等能源來制取氫能源，也可以利用自然能源，如風(fēng)力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國(guó)的氫能源能夠?qū)崿F(xiàn)最大化利用，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，充分利用中國(guó)的巨大市場(chǎng)潛力，實(shí)現(xiàn)中國(guó)氫能源與世界接軌，對(duì)世界氫能源的研究發(fā)展做出杰出的貢獻(xiàn)。

根據(jù)國(guó)際氫能源發(fā)展戰(zhàn)略研究發(fā)現(xiàn)，為了能夠?qū)淠茉丛谖覈?guó)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，應(yīng)該借鑒國(guó)外先進(jìn)國(guó)家關(guān)于氫能源發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，不僅要完善管理機(jī)制，而且政府政策要給予大力的支持，積極開展氫能源利用示范項(xiàng)目的建設(shè)，提升大眾的認(rèn)可度和接受度。