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摘 要
氫能作為一種可顯著減少CO2排放的可持續(xù)能源日益受到重視，其應(yīng)用不僅限于燃料電池 汽車領(lǐng)域，在建筑、工業(yè)等行業(yè)也有很好的應(yīng)用潛力。天然氣行業(yè)勢(shì)必會(huì)受到一定的沖擊，同時(shí)也伴隨著新的發(fā)展機(jī)遇。本文從氫氣制取、輸送、應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)簡要綜述了氫能 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了傳統(tǒng)燃?xì)夤驹跉淠鼙尘跋驴砷_展的一些工作，為燃?xì)庑袠I(yè)的持 續(xù)生存和健康發(fā)展提供參考。
1 引言
自上世紀(jì)以來，全球CO2排放逐年提高，溫室效應(yīng)日漸加劇。圖1示出了一些典型國家和地區(qū)的CO2排放情況，顯然我國CO2排放量在近20年內(nèi)迅速增長，2006年超過美國成為世界第一大排放國。尋求低碳類型能源，對(duì)緩解全球變暖、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有著重要意義。
氫能來源廣泛、適應(yīng)大規(guī)模儲(chǔ)存、便于運(yùn)輸且用途廣泛。經(jīng)過幾十年的研究，應(yīng)用端的燃料電池技術(shù)（Fuel-cell，F(xiàn)C）有了突破性進(jìn)展，制氫成本也大幅下降，如今氫能已被視作與化石燃料低碳利用、可再生能源規(guī)?；貌⑿械?種可持續(xù)能源途徑之一，在能源轉(zhuǎn)型中的價(jià)值日益凸顯。據(jù)預(yù)測(cè)：全球?qū)?030年始大規(guī)模利用氫能，2040年氫能可貢獻(xiàn)全球 20%的CO2減排量，2050年氫能需求將達(dá)到目前的10倍，占終端能源消費(fèi)量的15%以上。
圖1 典型國家/地區(qū)的CO2排放量
全球主要發(fā)達(dá)國家均已對(duì)氫能開展研究，并將氫能產(chǎn)業(yè)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。美國在2002年頒布的《國家氫能路線圖》中，詳細(xì)闡述了氫的制備、儲(chǔ)運(yùn)、轉(zhuǎn)換以及應(yīng)用等技術(shù)，并陸續(xù)頒布了一系列政策，啟動(dòng)了多個(gè)大型科研計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)化石能源經(jīng)濟(jì)向氫能經(jīng)濟(jì)的過渡。在歐洲，德國較早推廣應(yīng)用氫能，2011年Greenpeace Energy等能源公司在德國建立了6MW風(fēng)電-氫示范項(xiàng)目，之后相繼推出多個(gè)耗資巨大的氫能源計(jì)劃，以刺激氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。日本也較早投入到氫能的發(fā)展和利用中，2014年發(fā)布的《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》中明確了2025年、2030年和2040年三階段的發(fā)展目標(biāo)，2017年發(fā)布的《氫能基本戰(zhàn)略》在供應(yīng)和利用等方面提出了具體的發(fā)展目標(biāo)，計(jì)劃2050年全面普及FC汽車。
近年，我國對(duì)氫能發(fā)展也給予了高度重視。2016年，國家能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》中部署了“氫能與FC技術(shù)創(chuàng) 新”任務(wù)，2019年兩會(huì)《政府工作報(bào)告》的修訂方案中指出“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”，2019年發(fā)布 的《中國氫能源及FC產(chǎn)業(yè)白皮書》提出2050年氫氣需求將達(dá)到6000萬t，加氫站將達(dá)到1萬座以上，F(xiàn)C汽車產(chǎn)量達(dá)到520萬輛。
與天然氣一樣，氫氣也是一種氣體能源，其發(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)庑袠I(yè)造成一定的沖擊，同時(shí)也伴隨著新的發(fā)展機(jī)遇。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、輸送、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，不同國家和地區(qū)因資源稟賦、產(chǎn)業(yè)積累、技術(shù)與裝備研發(fā)等方面的差異，每一環(huán)節(jié)都有不同的技術(shù)路線和設(shè)備技術(shù)在進(jìn)行各種示范和探索。本文從上述3個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)氫能發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要綜述，并提出燃?xì)夤驹诖吮尘跋驴砷_展的工作，在“擁抱氫能”的策略下，試圖為燃?xì)庑袠I(yè)的生存和發(fā)展提供思考。
2 制氫技術(shù)
氫氣可從水、化石燃料等含氫物質(zhì)中制取，根據(jù)來源和制取技術(shù)可分為綠氫、藍(lán)氫和灰氫。綠氫由可再生電力或核電生產(chǎn)；藍(lán)氫由煤或天然氣等化石燃料制得，副產(chǎn)品CO2利用碳捕獲和封存（Carbon capture and storage，CCS）技術(shù)處理，從而實(shí)現(xiàn)碳中和；灰氫一般由焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)氣制取，或由未采用CCS技術(shù)的化石燃料制氫工藝獲得。目前，世界范內(nèi)工業(yè)用氫以灰氫為主，為實(shí)現(xiàn)深度脫碳，綠氫是發(fā)展的最終目標(biāo)，但現(xiàn)今大規(guī)模部署綠氫的商業(yè)案例非常少，尚需相當(dāng)長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步、成本下降。而藍(lán)氫作為灰氫到綠氫的過渡，可促進(jìn)工業(yè)氫經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈建設(shè)，加速氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)階段全球氫氣生產(chǎn)幾乎全部來自化石能源，其 中48%來自天然氣重整，30%來自油部分氧化，18%來自煤氣化，僅4%來自電解水，而高溫蒸汽電解、人工光合作用、生物制氫等新興工藝均處于早期發(fā)展階段。各類制氫技術(shù)的基本參數(shù)見表1。成本上，目前天然氣重整方式最低，在美國大型天然氣重整制氫成本為0.05歐元/kWh（2歐元/kg H2）。電解制氫成本非常高，倫敦某加氫站氫氣成本為0.25歐元/kWh（10歐元/ kg H2）。
表1 制氫技術(shù)的基本參數(shù)
2.1 化石燃料制氫
利用化石燃料制氫有部分氧化和氣化兩種技術(shù)路徑，部分氧化是指燃料不完全燃燒而產(chǎn)生合成氣，可用燃料范圍廣，不需要外部熱量輸入，反應(yīng)速度快，但氫氣產(chǎn)量低。氣化是煤在高溫高壓下部分燃燒生產(chǎn) 合成氣的過程，反應(yīng)速度快，但固體燃料需要預(yù)處理。天然氣重整制氫包括轉(zhuǎn)化反應(yīng)和變換反應(yīng)，制得的氫氣純度高，工藝流程如圖2所示。首先對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，包括增壓、預(yù)熱和脫硫等環(huán)節(jié)；然后與蒸汽按一定比例混合，在轉(zhuǎn)化爐中先進(jìn)入混合氣預(yù)熱盤管，預(yù)熱到550℃～600℃，再進(jìn)入轉(zhuǎn)化管，在催化劑層中，進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)CＨ４+H２O→CO+3H２，ΔH=206.1kJ/mol，反應(yīng)壓力約2.5MPa，溫度約850℃；余熱回收后，在變換反應(yīng)器中進(jìn)行變換反應(yīng)CO+H２O→CO２+H２，ΔH=-41.2kJ/mol，反應(yīng)壓力約 2.5MPa，溫度約350℃；變換反應(yīng)出來的氣體經(jīng)工藝 冷卻器冷卻后進(jìn)入裝有多種吸附劑的PAS純化器中進(jìn) 行氫氣提純，CO、CO２等被吸附；最后通過壓縮機(jī)加壓、充裝并儲(chǔ)存。轉(zhuǎn)化爐產(chǎn)生的廢氣進(jìn)入蒸汽發(fā)生 器，生產(chǎn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)用蒸汽；廢氣再從蒸汽發(fā)生器進(jìn)入空氣預(yù)熱器，預(yù)熱助燃空氣，用于維持轉(zhuǎn)化爐的燃燒 反應(yīng)溫度；最后廢氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排至大氣。
某氣體公司采用該工藝的成套制氫設(shè)備性能如下：全年穩(wěn)定生產(chǎn)情況下，用電150萬度，天然氣耗 量300萬ｍ3 ，制氫量480萬ｍ3 ，純度99.99%。
2.2 電解制氫
水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)（式1），負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)（式2），正極發(fā)生氧化反應(yīng)（式3）。電解質(zhì)可以是OH-、H３O+或Ｏ2-。
H２O（1）→H２（g）+0.5O２（g），ΔHr0=+285.8kJ/mol （1）
H２O+2e-→H２+O2-（2）
O2-→0.5Ｏ２+2e- （3）
堿性電解（AEC）以堿性溶液（KOH或NaOH）為電解質(zhì)，是目前最成熟的電解技術(shù)，已投放市場(chǎng)數(shù)十年。AEC在常壓和有壓條件下均可運(yùn)行，且運(yùn)行范圍較寬，可在20%～100%設(shè)計(jì)能力下運(yùn)行，也可過載到150%，這一運(yùn)行范圍使得AEC對(duì)于與波動(dòng)的、間歇式的電力供應(yīng)相耦合的電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas, P2G）系統(tǒng)十分有利。AEC使用的電解質(zhì)具有高腐蝕性，維護(hù)成本很高，但較之其他電解制氫技術(shù)，AEC初投資較低，約1 000歐元/kW～1 200歐元/kW[18]。
首個(gè)商業(yè)化聚酯電解質(zhì)膜電解槽（PEMEC）出現(xiàn)于1978年。PEMEC的主要優(yōu)點(diǎn)包括冷態(tài)啟動(dòng)較快、靈活性高、制得的氫氣純度高、與電力耦合較好，最低的負(fù)載率僅5%。由于PEMEC中膜的成本較高，且使用貴金屬催化劑，導(dǎo)致其成本較高，初投資約1860歐元/kW～2320歐元/kW。
圖2 天然氣重整制氫工藝流程
固體氧化物電解（SOEC）是最新研發(fā)的電解技術(shù)，以涂覆8%Y2O3的ZrO2作電解質(zhì)，在高溫下是強(qiáng)導(dǎo)電的，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均較好。高溫會(huì)降低平衡電池電壓，從而降低電力需求，是SOEC最重要的優(yōu)勢(shì)。SOEC存在的最大問題是由于高溫運(yùn)行所導(dǎo)致的材料快速老化、長期穩(wěn)定性受限，并且電解槽的產(chǎn)物是氫氣和蒸汽的混合物，需要額外的處理工藝，此外SOEC對(duì)于波動(dòng)的、間歇性的動(dòng)力源不夠穩(wěn)定。
3 氫氣輸送
氫氣輸送方式包括壓縮氫氣槽車、液化氫氣罐車、氫氣管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)摻氫等方式。
壓縮氫氣槽車基礎(chǔ)設(shè)施成本較低，且靈活性強(qiáng)，可停放在加氣站為車輛直接加氣，降低了現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存和壓縮的需求，在氫能推廣的最初階段十分有利，且在一段時(shí)期內(nèi)會(huì)成為偏遠(yuǎn)地區(qū)或低需求地區(qū)的最佳選擇。但壓縮氫氣槽車容量小，運(yùn)輸距離短，隨著今后需求和運(yùn)輸距離的增加，其經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有所下降。
液化氫氣罐車容量較大，在2 000kg～7 500kg之間，且輸送距離遠(yuǎn)，適合國際運(yùn)輸，目前液氫主要用于卡車和船舶等重型運(yùn)輸。
管道輸送被認(rèn)為是大規(guī)模氫氣運(yùn)輸最有效的方法，在歐洲和北美，已有3 000km的高壓氫氣管道用于工業(yè)生產(chǎn)。但較高的管道建設(shè)成本和較低的初始利用率會(huì)阻礙其發(fā)展。將現(xiàn)有天然氣管道全部置換為氫氣可解決氫氣管道初投資問題，但管道腐蝕性和安全性尚有待驗(yàn)證，目前只有英國考慮這一方案。
將氫氣直接注入天然氣管網(wǎng)中，可大幅降低運(yùn)輸成本、促進(jìn)氫能利用，摻混比例取決于相關(guān)管理要求和技術(shù)成熟度。由GasTerra、Stedin、Kiwa公司合作，在荷蘭建立的第一個(gè)天然氣管網(wǎng)摻氫試點(diǎn)項(xiàng)目Sustainable Ameland于2007年正式投入運(yùn)營，最高摻混比例達(dá)到12%。由法國ADEME機(jī)構(gòu)資助的GRHYD項(xiàng)目于2014年啟動(dòng)，將可再生能源生產(chǎn)的富余電產(chǎn)生的氫氣摻混至天然氣管網(wǎng)中，供用戶使用，摻混比例最高達(dá)20%。英國、德國、意大利等國家都已開始天然氣摻混氫氣的示范工程建設(shè)，摻氫比5%～20%不等。若進(jìn)行大規(guī)模天然氣管網(wǎng)摻氫，仍有許多問題有待解決。氫氣易導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生氫脆，當(dāng)局部氫濃度達(dá)到飽和時(shí)，材料塑性下降，產(chǎn)生裂紋或斷裂；氫氣的滲透作用較強(qiáng)，易導(dǎo)致安全事故；燃?xì)饨M分變化時(shí)，燃燒設(shè)備易出現(xiàn)燃燒問題，導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞；由于可再生能源的可變性，生產(chǎn)的氫氣量隨時(shí)間波動(dòng)，若要保持固定的摻氫比例，還需解決可再生電力或氫氣的儲(chǔ)存問題，若允許摻氫比例變化，則需解決用戶側(cè)的能量計(jì)量和收費(fèi)問題。
4 氫能應(yīng)用
4.1 交通
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（internal combustion engines，ICEs）可改裝為純氫發(fā)動(dòng)機(jī)，因價(jià)格較低，可比燃料電池汽車（fuel cell electricvehicles，F(xiàn)CEVs）更早投入市場(chǎng)。但與FCEVs相比，純氫發(fā)動(dòng)機(jī)效率低，且在使用過程中會(huì)排放NOx，故不會(huì)長期使用。與FCEVs競(jìng)爭(zhēng)的汽車類型有ICEs、電動(dòng)汽車（battery electric vehiclesBEVs）和插電式混合動(dòng)力車（plug-in hybri vehiclesPHEVs）。在排放方面，F(xiàn)ECVs和BEVs在用戶側(cè)可以實(shí)現(xiàn)零碳排放和零NOx排放，而ICEs無現(xiàn)；FECVs噪音小、振動(dòng)輕，其用戶體驗(yàn)優(yōu)于ICEs；BEVs電池壽命受氣候、充電情況影響嚴(yán)重，而氫儲(chǔ)罐可快速裝卸，使用年限較長，不是限制汽車壽命的主要因素；FECVs的續(xù)航能力和充裝時(shí)間與傳統(tǒng)汽車接近，優(yōu)于BEVs；目前與BEVs和ICEs相比，F(xiàn)CEVs初投資和運(yùn)行費(fèi)用均較高，但今后隨著產(chǎn)量提高，價(jià)格有望大幅降低。
許多國家已經(jīng)將氫FC技術(shù)投入到交通行業(yè)中，并提出了系列計(jì)劃，促進(jìn)氫能在交通領(lǐng)的發(fā)展。氫能在美國交通領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣，截至2019年12月，美國加州已有超過7000輛FC汽車投入使用，計(jì)劃于2025年達(dá)到4.8萬臺(tái)；2002年，美國Vehicle Projects公司研制了世界上第一列氫FC火車；美國AnheuserBusch InBev公司訂購800臺(tái)FC卡車，于2020年投入使用。韓國、日本等國家在小型乘用車領(lǐng)域大力發(fā)展氫能，韓國制定的《氫能經(jīng)濟(jì)活性化路線圖》中計(jì)劃到2022年，F(xiàn)C汽車增加至8.1萬輛，到2040年，F(xiàn)C汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)量達(dá)到620萬輛；日本計(jì)劃到2030年FC汽車達(dá)到80萬輛。歐洲在交通領(lǐng)域的氫能應(yīng)用以重型交通工具為主，目前有83輛FC巴士投入運(yùn)行，2016年法國Alstom公司生產(chǎn)的FC火車投入使用，最高時(shí)速可達(dá)140km/h，目前在德國境內(nèi)運(yùn)行。
4.2 建筑供熱
氫能用于建筑供熱的方式包括氫氣鍋爐和FC熱電聯(lián)供（fuel cell-combined heat and power，F(xiàn)CCHP）系統(tǒng)等?，F(xiàn)有燃?xì)忮仩t只允許摻混少量氫氣，若使用純氫作為燃料，需對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模改造。FC-CHP系統(tǒng)噪音小、排放少、效率高，是唯一超過全電系統(tǒng)運(yùn)行效率的CHP系統(tǒng)，并且由于其 電熱比很高，非常適用于熱負(fù)荷低的建筑。各類FCCHP性能參數(shù)見表2，其中，質(zhì)子交換膜燃料電池 （proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）主要 用于民用供暖系統(tǒng)，磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cells，PAFCs）和熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cells，MCFCs）主要用于大型商用供暖系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cells，SOFCs）在民用和商用系統(tǒng)中均可使用。目前FCCHP價(jià)格較高，每kW發(fā)電量價(jià)格在1萬美元左右，但在過去10年內(nèi)，價(jià)格已降低了一半左右，且使用壽命也有所增加，預(yù)計(jì)在2025年~2050年價(jià)格降至與其他 供熱系統(tǒng)相近水平。
FC-CHP系統(tǒng)主要應(yīng)用于歐洲和日本等地。歐洲FC和氫能聯(lián)合組織于2012年～2017年主導(dǎo)開展了Enefield示范項(xiàng)目，耗資5200萬歐元，在11個(gè)國家資助推廣了1046套300W～500W的FC-CHP裝置。2017年，該組織又啟動(dòng)了新一期的五年計(jì)劃——PACE項(xiàng)目，預(yù)算為9 000萬歐元，計(jì)劃在11個(gè)國家推廣2 800套裝置。
表2 FC-CHP性能參數(shù)表
4.3 工業(yè)
在一些高能耗工藝過程中，可用氫氣替代天然氣作為燃料，對(duì)氫氣純度要求并不高，但燃燒器和爐窯需要進(jìn)行改造或更換，典型應(yīng)用包括鋼鐵煉制等。
2019年11月，德國ThyssenKrupp公司在一個(gè)鋼廠 中，正式啟動(dòng)了以氫氣代替煤粉作為高爐還原劑的試驗(yàn)項(xiàng)目。瑞典SSAB公司、Vattenfall公司、LKAB集團(tuán)于2016年聯(lián)合開展了HYBRIT項(xiàng)目，用氫氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的煤和焦炭，在較低的溫度下對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行直接還原。目前該項(xiàng)目正處于中試階段，預(yù)計(jì)在2025 年～2035年進(jìn)行示范運(yùn)行，并于2035年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。2019年，德國Salzgitter公司與Tenova公司聯(lián)合 開展了SALCOS項(xiàng)目，旨在對(duì)原有的高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝進(jìn)行改造，把以高爐為基礎(chǔ)的碳密集型煉鋼工藝逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯舆€原煉鐵-電弧爐工藝，實(shí)現(xiàn)以氫氣為還原劑煉鐵。澳大利亞正在研發(fā)一種氫等離子熔融還原技術(shù)，以氫氣和氬氣作為還原劑煉鋼，評(píng)估表明該技術(shù)可使鋼鐵生產(chǎn)成本降低近20%。
４ 電力生產(chǎn)
氫能發(fā)電技術(shù)正在逐步發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)可通過結(jié)構(gòu)改造，轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃怛?qū)動(dòng)，但燃燒效率低，難以降低成本，目前使用較少。FC使用靈活，可控性好，易于與需求側(cè)匹配，緩解高峰時(shí)段電網(wǎng)壓力，且可在小功率下也維持較高性能，極大節(jié)省了輸送成本和輸送過程中的損耗。2010年世界首座氫能發(fā)電站在意大利建成投產(chǎn)，年發(fā)電量達(dá)6000萬kWh。2015年全球氫能發(fā)電容量達(dá)1GW，固定式FC數(shù)量以每年25%的速率增長，預(yù)計(jì)在2030年裝機(jī)容量達(dá)到30GW。
