杭州制氧機集團股份有限公司□徐佳俊 勞利建

1 背景

按照巴黎協(xié)定的約定，其長期目標是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內，具體到碳排放量的指標，經過推算，到2050年全球必須實現(xiàn)碳的0排放甚至負增長，而實現(xiàn)這一目標就意味著氫能源必將被廣泛地運用在各行各業(yè)中。

2 氫能源的應用

在過去50年中，氫能源曾有兩次成為世界關注的焦點，上世紀70年代的石油危機和90年代氣候變化逐步吸引了人們的關注。以往大家曾經熱衷于討論用氫燃料取代化石燃料的可行性，隨著技術的不斷發(fā)展，在環(huán)境問題愈發(fā)緊迫的今天，氫能源產業(yè)的應用逐步走向成熟。

1）氫燃料電池。韓國現(xiàn)代的第二代NEXO氫燃料電池汽車在2019年正式發(fā)售。2020年6月，日本豐田聯(lián)合了中國國內六家汽車廠家（第一汽車、東風汽車、廣汽和北京汽車等）成立了聯(lián)合燃料系統(tǒng)研發(fā)公司，專注于氫燃料電池系統(tǒng)的研究，而豐田自產的氫燃料電池汽車—Mirai的升級版也預計在2020年發(fā)售。氫燃料電池系統(tǒng)具有零排放、續(xù)駛里程長、燃料加注快的典型特點，在汽車產業(yè)中具有不可比擬的優(yōu)勢。

此外，除了汽車領域，氫燃料電池系統(tǒng)對遠洋航運也有重要作用。遠洋航運產業(yè)的碳排放量占全球總排放的2.5%左右，如果需要實現(xiàn)減排目標，必須要尋找新的能源供應方式。根據美國綠色運輸委員會（Council on Clean Transportation）對往返中美兩國之間的航線研究，這些航線均具備采用燃料電池驅動的可行性。

2）采用氫氣代替天然氣作為民用也具備一定的可行性。其主要優(yōu)勢在于可以利用現(xiàn)有的天然氣供氣管道。根據英國一家公司的評估，目前的天然氣管網能夠兼容最大20%比例的氫混合燃料氣，并且只需要經過一定的升級改造，管道氣管網就能同時兼容天然氣和氫氣。在一些西方國家，如澳大利亞、英國和德國目前均在嘗試這一理念。2020年5月份，德國的管道氣運行公司公布了一項計劃，將升級改造總計1200km的天然氣管道，該項目預計2030年完工。

3）在工業(yè)中代替原本采用的碳元素及其化合物作為還原劑。這一潛在應用主要在于煉鐵產業(yè)，采用氫氣代替原有的CO還原氧化鐵，從而避免CO反應成為CO2最終作為溫室氣體排放。目前世界著名的幾家鋼鐵公司，如阿塞洛-米塔爾和LKAB以及瑞士大瀑布電力公司均已立項驗證這一方案的可行性。

3 氫能源的不足

在實際應用的過程中，氫能源系統(tǒng)的建立也要面對重重困難。

其中最根本的問題之一在于氫能源的能源密度雖然具備一定優(yōu)勢（以質量計），但由于氫的密度較低，如果以體積計算，氫的能量密度反而不如目前市場上的任何一種化石燃料，見圖1。

圖1 能量密度

如圖1所示，以質量計算時，氫的能量密度是天然氣、石油的三倍左右，是氨和甲醇的六倍，但當以體積計時，唯有壓縮氫或液化氫的能量密度比常用的鋰電池和鋅-鎳電池略高一點。這就意味著以氫氣作為驅動的效率其實并沒有期望中那么高。根據國際氣候變化委員會（Committee on Climate Change）的估計，考慮同樣來源于風電的前提下，一輛采用電池驅動的汽車可以將風電輸出功率的86%轉化為汽車的動能，而一輛氫燃料電池汽車，以目前的技術水平僅40%~45%。此外，氫燃料電池汽車也不能像普通電動車一樣可以在家充電，而是必須去加氫站。而加氫站的安全風險大，工程難度高，目前僅在美國、日韓等少數國家才有配置。

在這種情況下，目前電動車的普及程度已經遠遠超過了氫燃料電池汽車。根據國際能源機構（IEA）的統(tǒng)計數據，截至2018年，僅有11200輛氫燃料電池汽車在使用，主要在日韓等少數幾個發(fā)達國家，而對比之下電動車已經有510萬輛，并仍在飛速增長。2019年，僅國內電動車的銷售量就達到了120萬輛，占總汽車銷售量的4.7%。而在歐美國家這一比例更高，如挪威一半以上的汽車銷量都是電動車。對比之下，氫燃料電池汽車在2018年的銷量僅僅4000臺。

雖然理論上氫燃料電池的能量密度比目前常用的鋰電池高，但從目前汽車廠家公布的數據情況來看，這一優(yōu)勢并不明顯。以目前豐田旗艦車型Mirai為例，其續(xù)航官方數據僅為502公里，而其儲氫罐為121升；本田Clarity車型儲氫罐141升，續(xù)航官方數據為565公里。由于其儲氫罐體積遠大于汽油車，氫能源汽車的內部空間反而更加逼仄。相比較而言，目前Telsa的入門車型Model 3的基礎版續(xù)航為468公里，增強版續(xù)航為668公里，車內空間也更大，實用性上優(yōu)勢非常明顯。在氫燃料電池本該更具優(yōu)勢的大型長距離運輸行業(yè)，其高能量密度的特點在技術指標上依舊沒有體現(xiàn)。以目前韓國現(xiàn)代的一款氫燃料電池重型貨運卡車為例，其續(xù)航僅400公里，而對比Telsa發(fā)布的重型貨運卡車Semi的官方續(xù)航數據高達800公里。

采用氫能源代替天然氣的方案也同樣面臨挑戰(zhàn)。由于民用天然氣主要用于日常加熱：燒水、采暖、烹飪等等，以英國為例，其每年消耗的天然氣熱值約在880T（1012）WH，是其電網輸送電量的兩倍，如果考慮全部采用電加熱代替，就意味目前的發(fā)電能力及電網載荷遠不能滿足要求，需要進行大規(guī)模的升級和擴建。雖然相比較而言采用氫氣代替天然氣需要的管網升級花費比較少，但考慮到氫氣的來源，比如來自水電解，考慮到水電解裝置50%~70%左右的效率，發(fā)電量的缺口反而會進一步加大。

4 氫氣的制備

和現(xiàn)有的化石燃料不同，氫并不能直接從自然界中取得，氫的制備同樣需要高額的設備成本和能源消耗，目前主要的制氫方式包括：

1）目前主流的制氫方式是通過蒸汽轉化（CO+H2O=H2+CO2），但其過程會釋放大量的CO2。目前全球幾乎所有7千萬噸氫均來源于此工藝流程。和氫能源本身給人的完全綠色環(huán)保不相稱的是，通過這個流程每生產1噸H2，將排放5~7噸CO2到大氣中。這樣的氫其實并不能真正稱為綠色能源。根據國際能源機構統(tǒng)計，通過這種方式制氫的成本平均在10元人民幣/千克左右。

2）為了實現(xiàn)環(huán)保目標，針對目前的氫氣轉化流程的更新方案中增加CO2的回收裝置—CO2通過回收系統(tǒng)被回收壓縮后埋到地下或者深海中，雖然其中無法避免會泄漏一些進入大氣，但總體符合環(huán)保理念。挪威能源公司Equinor于今年7月宣布將在英格蘭北部建立迄今為止最大的制氫工廠，即采用此種蒸汽轉化+CO2回收的工藝流程。日本規(guī)劃中的主要制氫方案也是采用此類工藝：在澳大利亞的產煤區(qū)制氫，CO2就地深埋，再將氫壓縮或液化后運回消費。這種制氫方案的成本根據原料的差異變化較大，在15元人民幣/千克~25元人民幣/千克之間。

3）真正完全的“綠色制氫”目前僅是水電解制氫。水電解后產生氫氣和氧氣，不產生其他的環(huán)境污染。而水電解制氫的成本隨電價波動幅度較大，通常在18元人民幣/千克~35元人民幣/千克，是三種制氫方式中成本最高的。

即使如此，水電解制氫的發(fā)展?jié)摿s是最大的。在設備投資成本方面，在過去的五年中，水電解制氫設備造價平均下降了40%，尤其國內生產廠家的成本優(yōu)勢更加明顯。以標準型50Nm3/h水電解制氫裝置為例，國內廠家的預算約100萬元人民幣/套，而歐美品牌的造價約為600萬元人民幣/套，未來設備成本持續(xù)走低是必然趨勢。

運行能耗成本方面的趨勢則更為樂觀。目前隨著風能、太陽能發(fā)電的逐步普及，其規(guī)模效應已然凸顯。在過去的10年中，此類可再生能源發(fā)電的成本已經下降了85%（見圖2），已經遠低于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電。

圖2 發(fā)電成本

這就意味著電解制氫的成本在這一趨勢下具備進一步降低的可能。根據目前的趨勢估計，到2050年，電解制氫的成本可以進一步降低到5元人民幣/千克~12元人民幣/千克，明顯優(yōu)于其他的制氫工藝。

5 結束語

氫能源將在未來的能源規(guī)劃中成為重要的組成部分。根據國際氫能委員會 （Hydrogen Council）的估計，到2050年，氫能源消耗將占全球能源總消耗的18%。各國政府對氫能源的關注度正在明顯提高，德國6月10日宣布了一項70億歐元的資助項目，旨在奠定其國際氫能源技術的領導地位。歐盟透露的另一項計劃中，規(guī)劃了一個40GW的綠色氫氣站。我國政府規(guī)劃到2030年，全國將有100萬臺氫燃料電池汽車，而日本計劃到2050年氫能源的成本將下降到目前的1/10。

雖然氫能源具能量密度更高，與現(xiàn)有基礎設施有一定兼容性等優(yōu)勢，作為目前僅有的完全環(huán)保的燃氣，其完全取代化石燃料目前的地位卻不太現(xiàn)實。經過上文的分析，氫能源某種程度上來說只是另一種形式的電能而已，基于熱力學第二定律，其效率必定比直接利用電能更低。就目前的趨勢來看，僅在那些電能力所不能及的領域，才是氫能源真正的用武之地。