關(guān)于氫能安全的幾點思考
謝國興
（浙江能源監(jiān)管辦原專員）
一、概述
氫在化學(xué)周期表中處于第一位，是最輕的化學(xué)元素，氫元素被發(fā)現(xiàn)到氫氣在工業(yè)領(lǐng)域中使用已有100多年的歷史。在最近幾年中，與氫能相關(guān)熱詞在能源領(lǐng)域中出現(xiàn)的頻率大大提高，特別是自去年我國提出“碳達峰、碳中和”目標以來，氫能可能是僅次于“碳達峰、碳中和”的熱詞之一。氫雖然是一種能源，但在以前更多是作為原料，廣泛用于化學(xué)工業(yè)，包括石油煉化工業(yè)，它是裂化原油并制成二次高質(zhì)量燃料油品的重要催化劑。氫存在于各種化石能源之中，煤炭、石油、天然氣、煤氣等都含氫，只是以不同的形式存在，煤中以單一的氫態(tài)存在約0.1%~5%，而在石油天然氣中以炭氫化合化的形式存在，天然氣質(zhì)量標準中允許含5%以下的氫氣，城市人工煤氣內(nèi)氫氣的體積含量可高達56%[1][2]。航天領(lǐng)域內(nèi)用液氫作為燃料發(fā)射火箭。在電力系統(tǒng)中，氫除了是燃料的成分以外，還作為冷卻劑用于發(fā)電機的冷卻，以保證發(fā)電機線圈和鐵芯溫度在允許范圍以內(nèi)。但氫如果使用不當(dāng)、措施不力，很容易發(fā)生爆炸而生成事故。
氫能可以利用不易消納的電力（如風(fēng)、光電，低谷核電等等）靈活轉(zhuǎn)化，也可以替代天然氣，在使用上比電、氣、石油制品具有更大的靈活性，可以在工業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸、航空航天等各行各業(yè)中發(fā)揮重要作用，也可以在居民生活中使用。氫也是理想的儲能載體，真正低碳環(huán)保的電動汽車將應(yīng)氫能發(fā)展而生?；跉淠芙?jīng)濟潛力巨大，具有“第四次工業(yè)革命”的基本特征，中央和各地方政府陸續(xù)出臺氫能經(jīng)濟的相關(guān)扶持政策，補貼或獎勵的重點也由氫能汽車向加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)拓展，大力推進氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的健康快速發(fā)展，加速我國邁入清潔環(huán)保的“氫能社會”步伐。
氫能作為能源大規(guī)模使用，在氫生產(chǎn)、設(shè)備制備、儲存、運輸、加注和使用過程中均具有潛在的泄漏和爆炸的危險，在大規(guī)模商業(yè)化推廣使用前安全是必須考慮的重要問題，因此氫安全也將是決定氫能被廣泛使用的前提和條件。為此，世界各國的科技學(xué)術(shù)界已對氫能的安全從技術(shù)和標準的角度開展了較為廣泛而深入的研究，并取得了不少的進展[3]。許多國家成立了專門的研究機構(gòu)開展氫安全研究[4]，以期在氫能產(chǎn)業(yè)化過程中占據(jù)主動權(quán)和制高點，如日本供氫及氫應(yīng)用技術(shù)協(xié)會（Hy-SUT）、日本氫能檢測研究中心（HyTＲeC）、美國圣地亞國家實驗室（SNL）、歐盟燃料電池和氫氣聯(lián)合協(xié)會（FCH2-JU）、北愛爾蘭氫安全工程研究中心( HySAFEＲ)、加拿大電力科技實驗室（PowerTech）等。國際上也專門成立了國際氫安全協(xié)會（IA-Hysafe）來推動氫安全的發(fā)展。
我國高等院校等研究機構(gòu)也在氫安全領(lǐng)域開展了大量研究。我國適用能源領(lǐng)域的安全法律有《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》《中華人民共和國電力法》《中華人民共和國煤炭法》《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》《危險化學(xué)品安全管理條例》等。但是，現(xiàn)有的規(guī)程或標準僅限于技術(shù)層面與局部的管理范圍，缺少足夠的系統(tǒng)性，不足以滿足整個氫能經(jīng)濟的發(fā)展。譬如，輸氫管道及相關(guān)設(shè)施保護、氫安全應(yīng)急與救援，氫氣輸送與天然氣輸送的關(guān)系，民生用氫的安全規(guī)范，政府氫能安全管理與監(jiān)管職責(zé)的劃分等，在政府安全管理或監(jiān)管方面尚未作出相應(yīng)的氫能安全發(fā)展與利用的法規(guī)建設(shè)，不利于促進氫能經(jīng)濟的發(fā)展。
二、氫源利用的安全性問題
（一）氫能尚未完全按能源屬性進行管理
根據(jù)《危險化學(xué)品管理條例》，氫氣與石油天然氣一樣列為危險化學(xué)品，序號為1648，CAS號1333-74-01649，1類易燃氣體[5]。由于氫氣的易燃性質(zhì)，列入《危險化學(xué)品目錄》并予以管理完全正當(dāng)。但是，目前氫氣在能源領(lǐng)域的使用越來越多，已成為能源領(lǐng)域新的一員，其作用不斷增大，已經(jīng)逐步滲透到能源研究與應(yīng)用的各個領(lǐng)域，并推動著能源革命進程。國家統(tǒng)計局從2020年起，單獨統(tǒng)計全國的氫產(chǎn)量?！稑藴势諣柸蚱帐夏茉促Y詢（S&P Global Platts）》開始發(fā)布氫價格信息，這表明氫和石油、天然氣一樣，屬大宗能源商品。氫能還未列入現(xiàn)有的能源法律法規(guī)、規(guī)章及規(guī)范性文件中，由此，使氫的生產(chǎn)、儲運和使用只能按照危險化學(xué)品管理，不利于氫能按能源屬性進行安全管理或監(jiān)管。
（二）氫比其他礦物然料更具有易燃易爆性
氫的原子質(zhì)量為1.00794u，在0℃和1atm下的密度僅為空氣的1/14，是自然界已知的最輕元素。氫氣無色無味，易泄漏擴散；氫氣在常溫常壓空氣中的可燃濃度為4%～75%（體積分數(shù)），可燃范圍寬；氫氣在常溫常壓空氣中的爆轟極限為18.3%～59%（體積分數(shù)），爆轟速度為1480m/s～2150m/s。爆轟的特點是突然引起極高壓力，并產(chǎn)生超聲速的沖擊波。由于在極短時間內(nèi)發(fā)生的燃燒產(chǎn)生激劇膨脹，像活塞一樣擠壓周圍氣體，所產(chǎn)生的能量有一部分傳給被壓縮的氣體層，于是形成的沖擊波由它本身能量所支持，迅速傳播并能遠離爆轟源而獨立存在，從而引起該處其他爆炸性氣體混合（或炸藥）發(fā)生爆炸，這就是“殉爆”現(xiàn)象，即二次爆炸[6]。因此，氫設(shè)備的嚴密性極為重要，當(dāng)氫氣泄漏與空氣或其他氧化劑結(jié)合時很容易著火，并會釋放出很大的能量。它的易燃易爆性，在燃燒或爆炸時能量大，破壞性強，極容易危及生命安全和財產(chǎn)損失。關(guān)于氫氣泄漏自燃的機制，目前國際普遍接受的是氫氣的負焦湯效應(yīng)（inverse effect ofJoule-Thompson）、靜電釋放（electrostatic discharge）、擴散點燃（diffusion ignition）、瞬間絕熱壓縮（sudden adiabatic compression）和熱表面點燃（ignition by hot surface）。氫氣的易燃易爆特性與石油天然氣有很大區(qū)別，其威力和破壞性極強，其后果也要嚴重得多。
（三）氫對鋼制管道和設(shè)備具有劣化性，易發(fā)生氫腐蝕和氫脆
鋼在高溫高壓氫環(huán)境中服役一定時間后，氫可與鋼中的碳反應(yīng)生成甲烷，造成鋼脫碳和微裂紋，導(dǎo)致鋼性能不可逆地劣化。溫度越高、氫分壓越大，鋼的氫腐蝕越嚴重。金屬吸收內(nèi)部氫或外部氫后，局部氫濃度達到飽和時，將引起塑性下降，誘發(fā)裂紋或延遲斷裂。鋼材中氫使機械性能脆化，這個現(xiàn)象稱為氫脆[7]。在冶煉或焊接過程中，若不采取嚴格的措施，將使鋼材中的氫含量增加；充有氫的管道或壓力容器中的氫會滲透到鋼材中，鋼材被氫侵入，降低強度，并脆化開裂而失效。
氫脆的機理尚不完全清楚，但是很多因素會影響氫脆速度，如壓力和環(huán)境溫度，氫的純度、濃度和暴露時間，以及材料的應(yīng)力狀態(tài)、物理和化學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、表面狀況和裂縫前端性質(zhì)等[4]。
由于氫氣對輸送管道和設(shè)備材料存在著發(fā)生氫脆的可能性，與輸油和天然氣相比有著更特殊的材料要求。盡管學(xué)術(shù)界在氫對材料的相容性方面做了大量的研究，但是，現(xiàn)有的研究成果不足以滿足氫能發(fā)展的需要，譬如，能否利用現(xiàn)有天然氣管道摻入氫氣進行輸送？如果能摻氫，則摻比多少較合適？此比例應(yīng)能保證天然氣管道不發(fā)生氫脆的情況下的最大摻氫量。如果天然氣管道能摻入一定比例的氫，則將有效解決氫氣輸送途徑之一。另外，民用氫瓶采用什么材料最為經(jīng)濟安全等，這些問題均影響著氫能使用的安全性和經(jīng)濟性。
（四）氫作為能源管理與安全監(jiān)管的體系尚不完善
氫能屬二次能源是基本共識，它主要脫胎于煤炭、天然氣和石油等，但是它又不同于煤炭、石油及天然氣。以前，氫以原料的形式用于石油和化學(xué)工業(yè)等，現(xiàn)在氫氣在能源領(lǐng)域中的地位大大提高，以氫燃料電池為代表的電動汽車得到迅速發(fā)展，氫能發(fā)電、氫能列車、氫能船舶、以氫儲能等，氫在各個領(lǐng)域得到越來越廣泛的使用。氫能在各省市作為新經(jīng)濟得到極大的重視，紛紛出臺支持氫經(jīng)濟發(fā)展的政策。但是，氫能管理并未完全納入到國家能源管理機構(gòu)的職責(zé)中，沒有設(shè)置相關(guān)部門履行政府管理職責(zé)，也沒有氫能的法律法規(guī)、規(guī)章及規(guī)范性文件，特別是安全監(jiān)管職責(zé)不夠清晰。氫能生產(chǎn)，輸送管道規(guī)劃、建設(shè)與運行，氫氣液化，氫氣儲存，加氫站規(guī)劃與建設(shè)，氫氣承壓設(shè)備制造與檢驗等管理，亟需相應(yīng)的政府職能、法規(guī)界定與支持。目前，各級地方政府大部分按天然氣進行管理，在各地的能源規(guī)劃中，也很少有氫能發(fā)展規(guī)劃的重點或?qū)ｍ梼?nèi)容。氫能的生產(chǎn)、運輸、儲存和使用，在按危險化學(xué)品管理的基礎(chǔ)上，更好地以能源形式予以管理或監(jiān)管是推進氫能經(jīng)濟發(fā)展的重大課題。
三、幾點建議
（一）應(yīng)將氫能納入能源管理范疇
在碳達峰、碳中和目標下，氫能開發(fā)和利用將是大勢所趨。我國可再生能源資源豐富，但是可再生能源發(fā)電與電力負荷中心相距遙遠，當(dāng)前主要靠特高壓線路解決可再生能源發(fā)電的電力輸送與消納問題。用電解制氫將是另一條解決棄風(fēng)棄光棄水的有效途徑，氫能發(fā)展能助力大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電，同時將大大降低電解制氫的經(jīng)濟性問題，在價格上有望與煤制氫相當(dāng)，兩者發(fā)展相得益彰。電解制氫技術(shù)成熟，氫氣品質(zhì)優(yōu)良，既可以作為燃料電池的氫源，也可以用于工業(yè)和民用燃料。在運輸上通過高壓氣瓶輸送，也可以液化后輸送，如果與天然氣一樣作為一般工業(yè)燃料使用，則可以通過摻入天然氣管道或獨立的氫氣管道輸送到市場銷售。氫氣可以直接供燃氣輪機發(fā)電，也可以通過燃料電池發(fā)電，氫電轉(zhuǎn)換兩相宜，存儲更容易，運輸方便靈活。氫能還可以參與電網(wǎng)調(diào)峰，利用電網(wǎng)低谷時的電能制氫，可以替代抽水蓄能等儲能方法，解決核電和可再生能源發(fā)電消納困難。氫能經(jīng)濟發(fā)展路徑的實施迫切需要政府指導(dǎo)、協(xié)調(diào)及推動，因此，氫能應(yīng)納入能源管理范疇，以推進氫能服務(wù)于經(jīng)濟發(fā)展。
（二）根據(jù)氫能特性，加強氫能安全性監(jiān)管
氫比石油天然氣更容易燃燒與爆炸，這是氫氣的性質(zhì)所決定的。譬如，氫在常態(tài)空氣中燃燒速度[3]為2.65～3.25米/秒，甲烷為0.37～0.45米/秒，氫的燃燒速度比甲烷高一個數(shù)量級。常態(tài)下空氣中氫燃燒極限（體積百分數(shù)）為4.0%～75%，而甲烷為5.3%～15%；常態(tài)下空氣中爆轟極限（體積百分數(shù)）18.3%～59%，而甲烷為6.3%～13.5%，氫的燃燒極限與爆轟極限均比甲烷寬。
氫氣在空氣中的點火能為0.019mJ，氫氣在空氣中的最小點火能比甲烷（0.2mJ）或汽油（0.24mJ）要小得多，即：只要存在微弱點火源，甚至是由人體靜電釋放引起的微弱火花都會點燃氫氣。與甲烷-空氣混合物相比，由于氫具有更寬的燃燒極限和更低的點火能量，氫-空氣混合物更有危險性。氫在常態(tài)下著火不易被肉眼所看見，其燃燒速度比天然氣快得多，在發(fā)現(xiàn)和消防上存在更大的困難。如果大規(guī)模使用氫能于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和百姓生活，其潛在的安全風(fēng)險絕不能低估?，F(xiàn)有的氫能安全技術(shù)標準與技術(shù)規(guī)范相對于政府管理制度與法規(guī)要完善些，以現(xiàn)有的石油天然氣安全監(jiān)管體系與法規(guī)明顯不適應(yīng)氫能安全監(jiān)管的需要，政府應(yīng)當(dāng)組織制訂出臺比石油天然氣更加嚴格的安全法規(guī)，并在安全監(jiān)管上更加嚴格，以確保其安全性。
（三）高度重視技術(shù)預(yù)防，提高氫能設(shè)施與設(shè)備的本質(zhì)安全
無論是礦物能源還是電力等二次能源，均不同程度地存在危害生命財產(chǎn)安全的問題，只是在漫長的發(fā)展使用過程中，人類不斷地推進技術(shù)進步，了解熟悉其安全特性，總結(jié)經(jīng)驗與教訓(xùn)，持續(xù)加強安全管理，才得以有效控制并不斷減少事故而造福于人類文明。氫能也不例外，氫能必將是未來低碳能源的選項，它雖然存在明顯的安全風(fēng)險，但遠小于給人類帶來的益處。關(guān)鍵在于要著力加強氫能安全的基礎(chǔ)理論研究，不斷推動技術(shù)進步，持續(xù)提高氫能設(shè)備的可靠性和安全性。譬如，加強氫能設(shè)施與設(shè)備的材料適用性與相容性研究；加強氫能設(shè)施與設(shè)備的密封技術(shù)研究；氫泄漏的預(yù)防與監(jiān)測技術(shù)研究，利用大數(shù)據(jù)和智能技術(shù)分析氫能系統(tǒng)運行狀態(tài)，診斷系統(tǒng)的故障和風(fēng)險研究。對使用氫能的大型建筑物，如大型公共建筑、寫字樓、機場港口、遂道等，必須有氫氣的排放措施，嚴防氫氣在建筑物內(nèi)積聚。從氫能使用的設(shè)計、制造、建設(shè)、生產(chǎn)、運行和維護各個環(huán)節(jié)都應(yīng)有足夠高的可靠性，包括人員的可靠性，以保證氫能設(shè)施和設(shè)備的本質(zhì)安全。
//參考文獻：
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[3]毛宗強等編著.《氫安全》.化學(xué)工業(yè)出版社,2020.11.
[4]鄭津洋,劉自亮,花爭立等.《氫安全研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)》.安全與環(huán)境學(xué)報Journal of Safety and Environment 第20卷,第1期,2020年2月.
[5]國家安全總局.危險化學(xué)品目錄（2015版）實施指南.北京,2015.
[6]鄔長城,薛偉,賈愛忠,譚朝陽等.《燃燒爆炸理論基礎(chǔ)與應(yīng)用》.化學(xué)工業(yè)出版社,2020.2.
[7]中華人民共和國國家標準.《氫系統(tǒng)安全的基本要求》GB/T29729—2013.
