氫氣在能源領(lǐng)域應用現(xiàn)狀

林濤

上海市節(jié)能減排中心有限公司 上海 200001

氫元素位于元素周期表的第一位，在自然中分布很廣。若按原子百分數(shù)計算，在地殼中氫原子所占比例高達17.0%。氫氣（H2）由雙氫原子組成的，無色無味無臭，極易燃燒的氣體，是氫的單質(zhì)形態(tài)。其在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899kg/m3。16世紀初，氫氣才通過將金屬置于強酸中的方法被人工生成。現(xiàn)已被廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)及能源等多個領(lǐng)域。

每千克氫氣燃燒后產(chǎn)生的熱量為142.4MJ，約為汽油的3.0倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃燒產(chǎn)物為水。作為一種二次新能源，氫氣具有資源蘊含豐富，來源多樣，可儲存，可再生，燃燒熱值高，清潔無污染等特點，現(xiàn)已被世界多個國家視作戰(zhàn)略性能源來發(fā)展，將在21世紀世界能源舞臺上起到舉足輕重的作用[1]。

1 國內(nèi)氫氣生產(chǎn)及制氫成本分析

1.1 國內(nèi)氫氣產(chǎn)量及來源

2009年，我國成為全球氫氣產(chǎn)量最大的國家。至2016年，我國氫氣產(chǎn)量達到2188.0萬噸，占世界總產(chǎn)量的34.0%。其主要來源包括：煤氣化制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫及電解水制氫等，其中：煤氣化制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的96.0%，電解水制氫產(chǎn)量僅占4.0%。

圖1 2014-2016年我國氫氣產(chǎn)量

圖2 中國氫氣產(chǎn)量結(jié)構(gòu)圖

1.2 制氫企業(yè)分布情況

從制氫企業(yè)分布來看，我國的制氫企業(yè)主要集中在北京市、山東省、江蘇省、上海市、廣東省等省和直轄市，其氫產(chǎn)量超過全國總量的60.0%；從地區(qū)分布和行業(yè)發(fā)展速度來看，呈現(xiàn)東部沿海制氫企業(yè)多、發(fā)展較快，內(nèi)陸制氫企業(yè)少、發(fā)展緩慢的特點[2]。

1.3 主要工藝制氫成本分析

根據(jù)有關(guān)行業(yè)研究資料顯示，我國煤氣化制氫成本約為6.0至10.0元/kg（0.5元/m3至0.9元/Nm3）；天然氣制氫成本約為13.0至23.0元/kg（1.2元/Nm3至2.1元/Nm3）；石油制氫成本約為18.0元/kg（1.6元/Nm3）；工業(yè)副產(chǎn)氫成本約為10.0元/kg至16.0元/kg（0.9元/Nm3至1.4元/Nm3）；電解水制氫成本約為19.0元/kg至38.9元/kg（1.7元/Nm3至3.5元/Nm3）。

圖3 制氫成本分析

2 氫氣在能源領(lǐng)域的應用

2.1 氫氣的主要應用

經(jīng)過幾個世紀的發(fā)展，氫氣現(xiàn)已在化工原料、醫(yī)療健康、能源等多個領(lǐng)域得到廣泛地應用。目前，在能源領(lǐng)域，氫氣用量仍較少。未來，氫燃料電池、可再生能源利用、化石能源清潔利用等方面的應用，將是氫氣在能源領(lǐng)域規(guī)?；玫闹饕緩?。

表1 氫氣在能源領(lǐng)域的主要用途

2.2 在燃料電池領(lǐng)域的應用

目前，我國燃料電池主要應用于燃料電池汽車、無人機、通信基站、分布式發(fā)電系統(tǒng)（微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)）及備用電源（應急電源）等領(lǐng)域。根據(jù)不同的應用領(lǐng)域，功率從0.03kW至200.0kW，適應溫度從-20.0℃至60.0℃的燃料電池，均有較成熟產(chǎn)品已投入市場[3]。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，截至2015年底，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超過200億元。預計在未來3至5年內(nèi)，行業(yè)年產(chǎn)值將超過2000億元。從1998年至2017年9月，我國約有215家注冊企業(yè)直接從事氫燃料電池相關(guān)業(yè)務，分布于27個省和直轄市，逐步形成了京津冀、華東、華南、華中等4個氫燃料電池產(chǎn)業(yè)集群。

近年來，國內(nèi)外氫燃料電池的發(fā)展尤為迅速。本田、奔馳、現(xiàn)代及豐田等多家世界知名汽車，從2007年開始陸續(xù)推出了自有品牌的氫燃料電池汽車。2018年公告的燃料電池汽車車型有80款，以客車和專用車為主，年銷量為1527輛，氫燃料電池汽車保有量已超過5000輛[4]。

表2 主要氫燃料電池系統(tǒng)企業(yè)及產(chǎn)品參數(shù)

加氫站是連接燃料電池汽車應用上下游的重要紐帶。根據(jù)香橙會前瞻產(chǎn)業(yè)研究院及其他公開資料整理，截至2020年12月，我國已建成的氫氣加注站共有118座，在建和擬建的加氫站數(shù)量達到為167座。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》（2019版）預測，到2035年，我國加氫站總數(shù)量將達到1000座及以上。從各省直轄市已建成加氫站的分布來看，廣東省最多，其次是山東、上海、江蘇和四川等省市。從加注能力來看，已建成加氫站加注壓力大多為35.0Mpa，日加注量在200kg至2000kg之間不等，其中，日加注量在200kg至500kg之間的加氫站數(shù)量最多。

2.3 在可再生能源領(lǐng)域的應用

在可再生能源利用方面的應用，是氫氣在能源領(lǐng)域規(guī)?；玫挠行緩胶托袠I(yè)發(fā)展的主要動力。到2020年底，我國可再生能源發(fā)電總裝機容量中，風力發(fā)電為2800GW，光伏發(fā)電為2500GW。風電、光電具有間歇性和不可預見性的特點，發(fā)電暫未被完全消納，造成能源的大量浪費。通過電解制氫，將富余風電、光電轉(zhuǎn)化為氫氣并儲存，可平穩(wěn)風力電站和光伏電站負載，減小對電網(wǎng)的影響，并有效降低棄風棄光率。目前，采用氫儲能技術(shù)消納可再生能源的方式，已作為法國、英國、美國、挪威等世界上多個國家推動可再生能源發(fā)展的重要方式。2010年至2019年，我國江蘇、安徽、山西、河北及吉林等多個省市分別建成了示范項目，利用風電、光電制取氫氣[5]。

2.4 在化石能源清潔利用領(lǐng)域的應用

加氫是化石能源清潔利用的主要途徑，主要包括摻氫天然氣、油品質(zhì)量提升和煤制油、氣的加氫。

據(jù)資料顯示，從2004年開始，美國以及德國、法國、荷蘭等歐洲國家專門開展了天然氣摻氫的相關(guān)研究和利用現(xiàn)有天然氣管道輸送氫氣的試點工程。根據(jù)管材、配件、天然氣成分和地理環(huán)境的不同，基于現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)，摻氫體積分數(shù)可達12%至20%。摻氫天然氣可廣泛用于交通、工業(yè)和居民生活。摻氫天然氣的大規(guī)模應用，可帶來顯著的二氧化碳減排效益。

油品質(zhì)量提升過程中的裂化和精制過程，煤制氣的氣化過程以及煤制油的液化過程，均需要消耗大量的氫氣。以油品質(zhì)量提升為例，在煉油過程中，一般氫氣耗量約為原油質(zhì)量的0.8%至1.4%。按2019年我國煉油產(chǎn)能86000萬t計算，則氫氣耗量約為688萬t至1204萬t。受日益嚴格的環(huán)保因素影響，煉油工藝的提升，大量煤制氣、煤制油項目的陸續(xù)成功投產(chǎn)，氫氣消耗量將持續(xù)增加，有望進一步推動氫氣在能源領(lǐng)域的規(guī)模化應用。

3 結(jié)語

（1）目前，我國是全球氫氣產(chǎn)量最大的國家。氫氣的應用主要集中在化工原料、醫(yī)療健康、清潔能源及能源載體等多個領(lǐng)域。其中，氫氣用作化工原料的耗量最大，用作能源的耗量比例仍較小。現(xiàn)有氫氣產(chǎn)量中可用作能源的用量有待進一步理清。

（2）氫氣作為一種清潔的二次新能源，同時滿足資源環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著人們對環(huán)境保護重視程度的不斷加強，氫能在未來具有較好的發(fā)展前景。氫燃料電池、可再生能源利用、化石能源清潔利用等方面的應用，將是氫氣在能源領(lǐng)域規(guī)?；玫闹饕緩?。

（3）氫氣的制取、儲運和應用技術(shù)依然是影響氫氣在能源領(lǐng)域應用的關(guān)鍵因素。產(chǎn)業(yè)裝備關(guān)鍵性能指標和生產(chǎn)成本與國外先進水平仍存在差距，部分關(guān)鍵部件仍然依賴進口。產(chǎn)業(yè)裝備制造、標準、法規(guī)和政策等方面存在的瓶頸有待進一步突破[6]。

（4）在現(xiàn)有技術(shù)條件下，加氫成本較加注等能量水平下的汽柴油成本偏高。隨著氫氣的制取、儲運和應用等技術(shù)的升級，產(chǎn)業(yè)裝備的規(guī)?；a(chǎn)以及供氫基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，有助于氫氣在能源領(lǐng)域的應用成本進一步降低，未來有望大規(guī)模進入市場。