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的反應中或氫在狀態(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。

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

1 氫能的簡介

1.1 氫能的概念

目前，氫的存在形式主要為化合態(tài)，構成了宇宙質(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。因此氫能作為推動全球能源轉(zhuǎn)型的一種可行技術路線，逐漸成為世界能源領域的熱點話題，從歐美政府到國際能源署等重要國際組織，都對氫能經(jīng)濟寄予厚望。

1.2 氫能的特點

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。根據(jù)它的特點，未來能源將不再依賴化石能源。

2 國內(nèi)氫能的研究進展

《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》（發(fā)改能源[2016]513號）是由國家能源局和國家發(fā)展改革委員會于2016年聯(lián)合發(fā)布的，該計劃對中國未來能源發(fā)展的方向及重點提出了15項具體的要求，其中包含了燃料電池和氫能技術的創(chuàng)新。這一計劃的發(fā)布，標志著我國同世界各國一樣，將氫能源的發(fā)展列入了國家能源戰(zhàn)略的部署中，我國氫能源的發(fā)展進入歷史性的時刻。

《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》是2018年11月發(fā)布的，該報告中指出：我國具有豐富的氫能，實現(xiàn)工業(yè)、建筑、化工和交通等領域氫能的利用是我國能源發(fā)展的戰(zhàn)略，從而實現(xiàn)氫能在2050年達到我國能源消耗比列的10%。同時會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，如風力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國的氫能源能夠?qū)崿F(xiàn)最大化利用，降低環(huán)境污染，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，充分利用中國的巨大市場潛力，實現(xiàn)中國氫能源與世界接軌，對世界氫能源的研究發(fā)展做出杰出的貢獻[6-10]。根據(jù)《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》的論壇指出，中國將加快氫能源發(fā)展的步伐、加大對氫能源發(fā)展的投資力度。

為了響應國家對氫能源的發(fā)展戰(zhàn)略要求，寧夏寧東能源化工基地為了擺脫長期以來依賴煤基產(chǎn)業(yè)，減少煤炭產(chǎn)業(yè)對環(huán)境帶來的污染，他們瞄準氫能這一全新的產(chǎn)業(yè)方向，實現(xiàn)了煤化工“領跑者”向氫能“領跑者”轉(zhuǎn)型。

3 國外氫能的研究進展

3.1 德國氫能的研究

德國杜伊斯堡的蒂森克虜伯鋼廠“以氫代煤”煉鐵，標志著氫能的利用進入一個新時代！該實驗的原理是：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。德國的鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，原來的方案是單獨利用鐵礦石，這樣是以犧牲環(huán)境的代價來換取經(jīng)濟效益，于是德國的科學家嘗試將H2作為還原劑來實現(xiàn)氫能源在鋼鐵產(chǎn)業(yè)的應用，研究結果表明，副產(chǎn)物中只有H2O產(chǎn)生，沒有有毒氣體的排放，對環(huán)境保護起到了關鍵性的作用，同時提高了熱量值，為德國鋼鐵生產(chǎn)中提供了一條低碳、綠色能源發(fā)展的渠道。同時研究發(fā)現(xiàn)，氫能源在運輸過程較為便捷，對其他工業(yè)上的應用提供了一條思路[11]。

《國家氫能戰(zhàn)略》是德國在2020年6月10日發(fā)布的，該戰(zhàn)略對德國氫能源的發(fā)展起到了關鍵性的作用，國家對氫能源的研發(fā)、工業(yè)化生產(chǎn)及相關技術的研發(fā)在國家戰(zhàn)略層面達成了統(tǒng)一意見[12]。文件中明確表示，德國氫能源發(fā)展的重點是對市場規(guī)模的擴大化，計劃在2023年實現(xiàn)。同時文件中指出了國家制定的在經(jīng)濟發(fā)展、市場監(jiān)管、氣候變化和研發(fā)與創(chuàng)新等38項行動項目領域取得關鍵性突破；第二階段是將德國國內(nèi)氫能源的穩(wěn)步發(fā)展，同時要開拓國外市場，逐步建立德國氫能源在國際市場和研發(fā)技術方面的地位，該目標計劃在2024年實現(xiàn)。

3.2 日本氫能源研究進展

《日本再復興戰(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)展納入了國家發(fā)展戰(zhàn)略[13-14]，同時對氫氣站的建設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)領域得到更加廣泛的應用，日本政府對氫能源的發(fā)展戰(zhàn)略多次進行了修訂，不僅在燃料電池的開發(fā)技術和成本上加大控制，而且對氫能源的基礎設施建設加大了力度，通過技術核心競爭力來降低氫能源的使用成本，增強日本在氫能源領域的競爭力。由于國際市場上氫能源的潛力較大，日本政府想通過對氫能源的發(fā)展來實現(xiàn)本國經(jīng)濟的振興，他們計劃不僅穩(wěn)住本國的市場，還要求加大對國際市場的開發(fā)，使得日本站在氫能源開發(fā)的金字塔塔尖，實現(xiàn)氫能源領域的權威。

3.3 韓國氫能源研究進展

早在2009年，韓國原子能研究院與POSCO等韓國國內(nèi)13家企業(yè)及機關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 美國氫能源研究進展

美國氫能源的發(fā)展要追溯到1994年，當時美國政府提出了“新一代汽車合作計劃”，著重于氫能基礎設施建設和氫燃料電池的研發(fā)。

氫能源在美國的發(fā)展取得了突破性的成果，尤其是 2010年到2020年的十年里。美國不僅在經(jīng)濟方面給予氫能源發(fā)展大力的支持，而且從技術上也培養(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[15-18]。主要表現(xiàn)為：Plug Power 公司開發(fā)的氫燃料電池叉車，實現(xiàn)了量產(chǎn)；Fuel Cell Energy公司開發(fā)的固定式燃料電池，在汽車領域得到了廣泛的應用；同時Air Products公司和Praxair公司對氫能儲運的核心技術領跑于世界其他國家。

4 氫能的前景及展望

通過對國內(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。我國不僅要充分利用中國豐富的天然氣、煤炭等能源來制取氫能源，也可以利用自然能源，如風力、太陽光等，來制取氫能源。使得中國的氫能源能夠?qū)崿F(xiàn)最大化利用，降低環(huán)境污染，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，充分利用中國的巨大市場潛力，實現(xiàn)中國氫能源與世界接軌，對世界氫能源的研究發(fā)展做出杰出的貢獻。

根據(jù)國際氫能源發(fā)展戰(zhàn)略研究發(fā)現(xiàn)，為了能夠?qū)淠茉丛谖覈鴮崿F(xiàn)規(guī)模化發(fā)展，應該借鑒國外先進國家關于氫能源發(fā)展的經(jīng)驗，不僅要完善管理機制，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目的建設，提升大眾的認可度和接受度。