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北極星儲能網訊: 為什么世界科學家對氫能如此重視?氫燃料電池汽車真的會替代電動電池車嗎?“終極能源”之稱是媒體炒作的噱頭還是確會如此?
“21世紀初葉人類正面臨的兩大危機：一是人為因素導致的氣候變化是真實存在的，至21世紀末，氣溫的升高將會呈現一個相當大的幅度，并將會給人類、動物、植物以及人類文化遺產帶來災難性的后果。二是傳統化石能源或核能源燃料被少數幾個國家寡頭壟斷的情況正不斷加劇，這不利于大多數國家利用能源。解決上述問題的方案不少，但是氫能為最優方案，它將為人類提供足夠的清潔能源。”
——摘自國際氫能科學家于2006年11月13日聯名向八國集團領導人以及聯合國相關部門負責人提交的《百年備忘錄》
為什么世界科學家對氫能如此重視?氫燃料電池車真的會替代電動電池車嗎?“終極能源”之稱是媒體炒作的噱頭還是確會如此?
對此，國際技術經濟研究所將推出氫能專題系列，從氫能產業鏈、氫燃料電池與電動電池的對比、主要國家氫能發展現狀這三個維度對氫能源發展做詳細梳理。
作為專題系列的第一篇，本文將首先從能源發展史和能源全生命周期的角度，探討氫能被譽為“終極能源”的原因。接下來，本文會系統性地介紹氫能利用的發展歷程，以及當前氫能產業鏈的情況。
一、何為氫能?
氫(H)，在元素周期表中位于第一位，廣泛存在于自然界。氫能是指氫和氧進行化學反應所釋放出的化學能，是一種清潔的二次能源，具有來源廣、燃燒熱值高、能量密度大、可儲存、可再生、可電可燃、零污染、零碳排等優點，被譽為21世紀控制地球溫升、解決能源危機的“終極能源”。
二、氫能：未來能源的主角
在《百年備忘錄》里，世界科學家認為氫能是控制地球溫升、解決能源危機的最優方案，不僅僅因為氫能的用途廣泛，可涉及到傳統能源的方方面面，也源于氫能本身所具有的非常優秀的儲能屬性。此外，無論是從能源發展歷史的角度還是氫能生命周期的角度去分析，氫能源都將會是未來能源的主角。
1能源發展史：減碳增氫
人類能源的發展史也是一部生產力發展史。從不發達社會使用收集的牲畜糞干、秸稈茅草，到今天使用的石油、煤炭、天然氣能源，人類社會的發展是隨著能源的進步而進步的。我們對能源發展史進行仔細研究可以發現一些規律：(1)從不同時期主要能源的形態變化來看，煤炭等是固體，石油為液體，而天然氣為氣體，能源更替的歷史是從固體到液體到氣體的過程，而氫氣就是跟天然氣一樣的氣體。
能源更替史
(2)從不同時期主要能源的碳氫比例變化來看，煤炭、柴薪碳氫比為1:1，石油碳氫比為1:2，天然氣碳氫比為1:4，碳氫比越來越高，能源的轉化歷史就是減碳增氫的過程，而氫氣的碳氫比是正無窮。
燃料中的碳氫比
2氫能生命周期：與電一樣的能源載體
從氫能生命周期的角度來看，只要有水，有太陽能、光能、核能、電能等一次能源或者二次能源，就可以制成氫氣。氫氣的用途非常廣泛，無論是發電、發熱還是用作交通燃料，最后氫氣又會與氧化物反應生成水。氫就像個能源載體，跟電一樣的能源載體，將地球上的能量源源不斷地應用到人類生活的方方面面。另外，只要制氫的能量來源是可再生能源，那么整個氫能的生命周期也將是清潔環保可持續的。可以預測，我們將來社會主要的能源供應將會是電和氫。
氫能的生命周期
從氫能的生命周期也可以看出氫能源的特點：(1)來源廣，不受地域限制;(2)可儲存，適應中大規模的儲能;(3)可再生能源橋梁，可以將其變成穩定能源;(4)零污染， 零碳，是控制地球溫升的主要能源;(5)氫是全能的能源：可發電、可發熱，也可用作交通燃料。
3氫是優秀的儲能介質
氫作為儲存不穩定能量的介質，具有巨量的(GW級)能量儲存容量和長期放電持續時間，一直被視作太陽能、風能等不穩定可再生能源的橋梁。尤其是對比超級電容器、電池、壓縮空氣等常見的儲能載體，氫氣在儲存容量和充電時間上的優勢非常明顯。
幾種不同儲能載體的容量和放電時間對比
從比能量的角度來看，氫的比能量幾乎是汽油的三倍。此外，氫能的儲存幾乎不受地點的限制，不像水電站和核電站在選址上困難重重。因此氫作為一種優秀的儲能介質，非常適合應用于大中規模的儲能。
石油、柴油、天然氣和氫的比能量對比
三、氫能技術的發展歷程
世界上許多國家都將氫能作為戰略性能源來發展。早在20世紀70年代，美國就成功地將燃料電池應用于雙子星五號太空船和阿波羅號宇宙飛船上，成為第一個實現氫能源技術應用的國家。然而20世紀末期至21世紀初期，因成本問題，氫能源技術的發展近乎停滯。直到2014年日本燃料電池技術的突破，再加上石油、煤炭等一次能源的儲量逐漸減少導致能源緊缺，各國構建“氫能社會”的愿景才又被重拾，氫能源也重新受到重視。
如今從國家層面來看，日本是氫能源發展最為積極的推動者;從市場實踐層面來看，交通領域是全球氫能技術應用的“領頭羊”。
四、氫能源產業鏈
氫能產業鏈包括制氫、儲存、運輸以及氫氣利用。其中，制氫是基礎，儲存和運輸是氫氣利用的核心保障。
氫能工業鏈
氫能產業鏈的上游是氫氣的制備環節，主要技術方式有化石能源制氫、副產制氫、可再生能源制氫、電解水制氫以及光解水制氫等;中游是氫氣的儲運環節，主要技術方式包括低溫液態、高壓氣態和金屬氫化物儲氫等;下游是氫氣的應用，氫氣應用可以滲透到傳統能源的各個方面，包括交通運輸、工業燃料、發電發熱等，主要技術是直接燃燒和燃料電池技術。
1制氫
制氫的方法非常多，無論是一次能源還是二次能源都可以制氫。目前來看，我國是最大的氫氣生產國，在2015年生產了2200萬噸氫氣，占世界產量的34%，其中96%的氫氣來自化石能源制氫，剩下的4%則來自水電解制氫。
值得一提的是，氫氣與電力是可以相互轉化的，太陽能、風能、水能等可再生能源可先轉化為電力再通過電解水來制氫，而產生的氫氣反過來也可以通過發生化學反應釋放化學能再來發電。從這里也可以看出，氫氣是一種儲能介質，甚至可以看作是與電一樣的能源載體。
多種多樣的制氫方式
從制氫的能量來源來看，化石燃料制氫是我國主導的制氫方式，技術成熟、成本低并且已“有利可圖”，但不可持續、不環保，違背了氫能作為清潔能源的本質。而多種化工過程如煤化工、電解食鹽制堿工業、發酵制酒工藝、合成氨化肥工業、石油煉制工業等均有大量副產氫氣，技術成熟、成本低且對環境友好，也是我國制氫的一大特色。
另一方面，可再生能源的間歇性導致棄風、棄水、棄光現象十分嚴重，如果利用棄水、棄風、棄光、棄核等可再生能源來電解水制氫，不僅可解決棄電問題，還能反過來利用氫氣再發電增強電網的協調性和可靠性，并且整個過程清潔環保，幾乎不產生二氧化碳。除此之外，太陽能還可以通過光解水直接制氫，只需要將太陽光照在加了二氧化鈦(催化劑)的水里就可以產生氫氣，但是這種光解水制氫的效率很低，目前只有6%，而要達到10%左右才可以實現工業化，因此還無法大規模應用。
資料來源：網絡，國際技術經濟研究所整理
從制氫的成本來看，對比幾種主要制氫技術的成本，煤氣化制氫的成本最低，為1.67美元每千克，其次是天然氣制氫2.00美元每千克，甲醇裂解3.99美元每千克，成本最高的是水電解，達到5.20美元每千克。相對于石油售價，煤氣化和天然氣制氫已有利潤空間，電解水制氫成本仍高高在上。
主要制氫技術成本對比(美元/千克)(來源：華創證券)
從可持續發展的角度來看，制氫過程中的環境友好程度決定了氫氣是否可作為清潔能源。煤氣化制氫和天然氣重整制氫盡管成本較低，但二氧化碳排放量分別高達193kg/GJ和 69 kg/GJ，兩者都不能從根本上解決能源與環境的矛盾問題。而電解水制氫盡管現階段來看成本還不夠理想，但整個生產過程是可持續和低污染的，尤其是利用棄水、棄風、棄光、棄核等可再生能源來電解水制氫，二氧化碳排放遠低于煤氣化制氫和天然氣重整制氫，將會是以后制氫的主流技術。
制氫成本與石油天然氣售價對比(元/千克)(來源：華創證券)
2儲氫
氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態，密度僅為0.0899 kg/m3 ，是水的萬分之一，因此其高密度儲存一直是一個世界級難題。目前常用的儲氫方法主要有四種：高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、固體材料儲氫以及有機液體儲氫。
高壓氣態儲氫
高壓氣態儲氫，是一種物理儲氫方法，也是目前最常用并且發展比較成熟的儲氫技術。其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。目前所使用的容器是鋼瓶，它的優點是結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快。但是也存在體積儲氫密度低、安全性能較差等缺點。目前鋼瓶所能達到最高的體積比容量僅有25g/L，遠低于美國能源部(DOE)的目標體積儲氫容量70g/L。為了保證安全性，現在國際上主要采用碳纖維鋼瓶，但是碳纖維材料價格非常昂貴，只可以作為過渡階段使用，并非是理想的長期儲氫選擇。
儲氫鋼瓶解剖示意圖
低溫液態儲氫
液態氫的密度是氣體氫的845倍，液態氫的體積能量密度也比壓縮狀態下的氣體氫高出數倍。如果氫氣能以液態形式存在，那儲運起來將極其簡單安全，且體積占比小。但事實上，要把氣態的氫變成液態的并不容易，液化1kg的氫氣需要耗電4-10 kWh，液氫的存儲也需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器。因此低溫液態儲氫是一種不太經濟的儲氫方法，僅適用于不太計較成本問題且短時間內需迅速耗氫的航天航空領域。
固體材料儲氫
固體材料儲氫主要是利用氫氣與儲氫材料之間發生物理或者化學變化從而轉化為固溶體或者氫化物的形式來進行氫氣儲存。儲氫材料種類非常多，主要可分為物理吸附儲氫和化學氫化物儲氫。其中物理吸附儲氫又可分為金屬有機框架(MOFs)和納米結構碳材料，化學氫化物儲氫又可分為金屬氫化物(包括簡單金屬氫化物和復雜金屬氫化物)，非金屬氫化物(包括硼氫化物和有機氫化物)。
不同儲氫材料特點(來源：華創證券)
儲氫材料最大的優勢是儲氫體積密度大，相同質量的氫氣用儲氫材料儲存占用空間最少，并且具有操作容易、運輸方便、成本低、安全等優點，恰好克服了高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫的缺點，成為最具發展潛力的一種儲氫方式。但是目前各種材料基本都處于研究階段，仍然存在很多技術問題等待解決。
有機液體儲氫
有機液體儲氫技術是通過不飽和液體有機物的可逆加氫和脫氫反應來實現儲氫。理論上，烯烴、炔烴以及某些不飽和芳香烴與其相應氫化物如苯-環己烷、甲基苯-甲基環己烷等，可在不破壞碳環主體結構下進行加氫和脫氫，并且反應可逆。
有機液體儲氫具有諸多優點：儲氫密度高;可用現有管道設備進行儲存和運輸，安全方便，并且可以長距離運輸(環己烷和甲基環己烷等在常溫常壓下呈液態，與汽油類似);催化加氫和脫氫反應可逆，儲氫介質可循環使用;可長期儲存，一定程度上能解決能源短缺問題。
有機液體儲氫也存在很多不足：技術操作條件較為苛刻，要求催化加氫和脫氫的裝置配置較高，導致費用較高;脫氫反應需在低壓高溫非均相條件下，受傳熱傳質和反應平衡極限的限制，脫氫反應效率較低，且容易發生副反應，使得釋放的氫氣不純，而且在高溫條件下容易破壞脫氫催化劑的孔結構，導致結焦失活。
3利用
近年來，日本在氫燃料電池車領域的技術突破，使大家越來越關注氫能技術，尤其是其在交通領域的應用。氫燃料電池車相比傳統汽車，具有無污染，無噪聲，無傳動部件的優勢，相比電動車，具有續航里程長，充電時間段，起動快(8秒鐘即可達全負荷)的優勢。除了在交通領域的應用，氫能源還可用于大中規模的儲能和發電，可作為工業能源、化工原料等，用途非常廣泛。
氫能源是一種非常有前景的清潔能源，但仍有許多技術問題有待解決。尤其在我國，相比于電動電池車全球領先的發展態勢，氫燃料電池技術卻鮮有突破。在接下來的氫能專題系列中，我所將繼續研究氫燃料電池與電動電池的對比以及主要國家氫能發展現狀，敬請期待!
