氫能在新能源領域的應用

李鑫圣

(西藏大學理學院，拉薩 850000)

新能源是區別于傳統能源的非常規能源，過度依賴常規不可再生能源極易引起環境問題，且常規能源地理分布極不均衡，因此以新技術和新材料為基礎的新能源逐步被重視。目前，開發較為成熟的新能源主要以太陽能、風能、核能與生物質能為主，但太陽能、風能存在間歇性、波動性與隨機性，在傳輸、儲存等后續過程中存在諸多問題[1]。核能的安全標準與核廢料的處理方式仍需進一步提高和改進[2]。生物質能分布零散[3]，亦給使用帶來了較大不便。

1 氫能

1.1 氫能發展歷史

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源，也是應對氣候變化綜合解決方案的重要手段。1970年，“氫經濟”被首次提出。1976年，美國斯坦福研究院研究了氫經濟的可行性。當今世界多國都非常重視氫能[4]。我國對氫能的研究始于20世紀70年代，在同期進行了大量基礎性燃料電池的研發工作。為進一步推動氫能發展，21世紀初，氫能即被列入本世紀第一個五年計劃。

1.2 氫能特點

作為二次能源，氫能被稱為世界上最干凈的能源，相對于常規能源燃燒生成的SO2、NO等有害產物，氫能燃燒產物僅為水。氫的熱值是焦炭的4.5倍，相同情況下，氫能放出的熱量更高。相對于常規能源的復雜分布情況和二次能源的難以儲存問題，氫能來源廣泛，可利用電解技術、光解技術、化石燃料副產品加工技術實現制備目的，便于儲運，適用于大規模儲能。氫的大規模儲運，高度依賴技術進步和基礎設施建設。我國在加氫站建設的快速發展下，氫能發展取得了實質性進展。

1.3 氫能意義

氫能作為緩解能源污染、提高能量儲存轉化效率、構建安全高效現代能源體系的綜合解決方案，對未來的能源系統至關重要。由于氫能全產業鏈較長，因此氫能產業的快速發展也可帶動經濟的全面發展。

2 應用

2.1 后級儲能

21世紀以來，世界各國對可再生能源領域投入了大量資源，以風能、太陽能為主要對象的新能源技術和產業得到了迅速發展，我國亦十分重視。2020年3月，由黃河水電開發公司承建的青海省太陽能光伏發電站已并網發電，該電站是世界第二大電站。

隨著風力發電、光伏發電的發展，電力輸送和綜合消納問題逐漸浮現。由于太陽能與風能具有隨機性，導致部分電能品質較差，不能被利用和存儲。氫能作為現代綠色儲能技術中最適合的方式，通過收集兩者廢棄的能量，可以有效提升風力發電與光伏發電中電能的儲存與運輸效率，具體系統結構見圖1。

圖1 氫能儲能方式結構圖

2.2 氫燃料電池

燃料電池有助于實現氫能的便攜化、普及化。氫燃料電池通過電化學方式產生水和熱，對環境無污染，發電效率可達到50%以上。氫燃料電池運行噪音小，適合在室內安裝，可被廣泛應用于通信、住房、交通等各種場合。氫燃料電池在航天領域做出了巨大貢獻。2008年，美國波音公司成功地在西班牙試飛了氫燃料波音飛機。2020年，ZeroAvia公司宣布經改裝后的六座氫動力飛機完成了環形試飛并成功降落。同年，我國開發的氫動力無人機續航時間打破了世界記錄。這些成果都表明，氫燃料電池在商用領域有著巨大的發展潛力。氫燃料電池產業鏈部分產業見圖2。

圖2 氫燃料電池產業圖

2.3 氫動力汽車

新能源汽車指使用非汽油能源發動機的汽車，包括燃料電池動力、混合動力、氫能源動力等。新能源汽車產業正蓬勃發展(見表1)，目前新能源汽車所用的電池以鋰電池為主，一般為磷酸鐵鋰電池和鋰硫電池，前者材料耐低溫性較差，后者可循環周期較短，安全性較低。這兩種電池，都未完全實現碳中和，存在一定的不足。氫動力汽車生成物是水，沒有硫和其他有害物質，所以氫電池相對燃油和鋰電池具備較大優勢。氫能源成本也在逐漸降低，未來新能源汽車的發展方向仍會以氫動力汽車方向為主。

表1 我國近年新能源汽車銷售情況

2.4 工業原料

氫氣除了作為絕佳的儲能材料外，也可作為工業原料用于石油煉制、合成氨、焊接、食品工業等方面。

2.5 富氫水

富氫水是含有一定濃度氫氣的水。富氫水的制備技術在一定程度上已比較成熟。富氫水通過飲用或作用于皮膚，可改善因皮膚老化而產生的色斑、皺紋等，其在醫學、體育及美容領域有著廣泛的應用。

3 總結與展望

氫能作為一種可再生能源，可通過多種方式制備，將節約大量的不可再生資源，其在新能源領域也具有大量且廣泛的應用。多項研究表明，氫能在未來能源發展中將起到重要作用，有著非常高的應用潛力，并且氫能的成本將會隨著科學技術的不斷進步而日益降低。在倡導節能減排、保護環境的情況下，氫能正越來越受到世界各國的重視。應加大對氫能相關產業的研發投入，積極制訂氫能發展規劃，使我國氫能技術和產業得到快速發展。