氫能源利用現(xiàn)狀及發(fā)展展望

李天宇　田嬌　高菁菁等

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0105-03

眾所周知，氫能是21世紀最具發(fā)展前景的二次能源，其顯著特點是低碳和零碳。氫是宇宙中質(zhì)量最小，散布于各處，如果充分利用好氫能，使氫能得到大規(guī)模的應(yīng)用，那么人類就可以永久使用。它有效解決現(xiàn)在存在的能源短缺、溫室效應(yīng)造成的全球變暖以及大氣污染等問題，它的開發(fā)利用讓世界矚目關(guān)注。本文將主要介紹氫能的使用領(lǐng)域、制備方法、運輸技術(shù)等。

1氫能源的利用

目前在我國正在進行一場以氫能源汽車、氫燃料電池等形式為主的能源領(lǐng)域的變革。氫燃料電池是直接將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，轉(zhuǎn)化效率很高、環(huán)境友好、壽命高且可實現(xiàn)零排放，是現(xiàn)在存在的對于氫能利用最好的技術(shù)。目前廣泛使用的燃油汽車表現(xiàn)出被氫燃料汽車（FCEV）所取代的顯著趨勢，氫燃料汽車的使用可以達到零排放、零污染的目的。近幾年氫能源汽車的產(chǎn)銷量趨勢如圖1所示。

當今，被稱為二次能源的環(huán)保能源氫氣，還有以下幾個方面的用途：a.在食品工業(yè)中，對植物油通過加氫處理就可得到食用色拉油;b.在電子工業(yè)中氫氣通常作為保護氣體，制備集成電路顯象管等;c.在煉油工業(yè)中企業(yè)為了提高油產(chǎn)品的質(zhì)量以及將產(chǎn)品中的硫、氮及重金屬等有害物質(zhì)除去，利用氫氣對柴油、燃料油、稠油進行加氫精制。尤其是最近幾十年流行起來的氫燃料電池，不僅可直接供航空海洋事業(yè)還對陸路交通有著重要的作用，氫能承擔(dān)未來最具潛力能源的設(shè)想越來越成為現(xiàn)實。

2氫能源的制取

氫能不像煤、石油、天然氣可直接開采，氫氣的制取主要依賴化石能源，其中天然氣重整提供48%，油部分氧化提供30%，煤氣化提供18%，剩下的4%由電解水提供。各類制氫技術(shù)的基本參數(shù)如表1所示。

利用化石能源作原料來制取氫氣。通常有三種基本方法，如表2所示。

三種方法中比較成熟的技術(shù)是電解制氫。電解制氫根據(jù)不同電解質(zhì)分為三種：a.目前最成熟的電解技術(shù)，將堿性溶液作為電解質(zhì)制氫，即堿性電解（AEC）;b.固體氧化物電解（SOEC）;c.生物制氫是利用含氫有機物和水在生物活性酶的作用下將太陽能和生物能轉(zhuǎn)化為能量密度高的氫。以生物質(zhì)為介質(zhì)制氫就是利用化學(xué)作用或物理反應(yīng)來制取氫氣。天然氣重整制氫，目前看來是效率最高的，可制備純度較高氫氣。

3氫氣的運輸

因為氫氣來源不同，所以在進行氫氣輸送時其狀態(tài)是不一樣的，導(dǎo)致輸送氫氣的方式也不同。這幾年來，部分歐美發(fā)達國家提出了利用目前已建設(shè)的天然氣管道輸送混氫天然氣（在現(xiàn)有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣一天然氣混合氣體的方案）。目前，混氫天然氣技術(shù)是實現(xiàn)氫低成本輸送的主要方法。

高壓氫氣運輸：對于需求量比較小的地區(qū)，通常使用集裝格、長管掛車運輸;對于需求量比較大的工業(yè)地區(qū)，利用管道輸送是比較經(jīng)濟合理的。目前，美國及歐洲一些工業(yè)地區(qū)已經(jīng)建設(shè)并使用管道運輸氫氣，氫氣管道直徑大約為0.25～0.3m，壓力范圍為1～3MPa。目前氫氣管道主要用于輸送化工廠的氫氣。長管掛車運輸氫氣的經(jīng)濟性分析如圖2所示。

液氫運輸：目前國外加氫站通常采用罐車液氫運輸，由于液氫的體積密度是70.8 kg·m，密度達到8.5 MJ·L。直接運送氣態(tài)氫氣效率較低。因此，一般先將氫氣深冷至21 K使其液化后再利用罐車或管道運輸，液氧的運輸經(jīng)濟件分析如圖3所示。

4結(jié)語

研究表明，當氫氣含量較低時，可以在不做重大技術(shù)調(diào)整和重大投資的情況下?lián)交熘撂烊粴?，隨著經(jīng)濟性和安全性的不斷提升，以及在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上加快建設(shè)“運氫走廊”，氫能在天然氣行業(yè)的應(yīng)用將成為一種趨勢。未來隨著交通運輸場景發(fā)生顛覆性的改變，更多的驅(qū)動系統(tǒng)會應(yīng)用到氫能，氫能在商用卡車、客車和無人機等領(lǐng)域持續(xù)滲透，并在鐵路、航運、航空等重型運輸場景實現(xiàn)新突破，助力社會經(jīng)濟發(fā)展和生活消費的綠色轉(zhuǎn)型。氫能領(lǐng)域正在高速發(fā)展，氫能在未來將廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，同時應(yīng)當加緊規(guī)劃布局氫能產(chǎn)業(yè)，讓氫能在解決人類能源危機和環(huán)境污染的過程中發(fā)揮出更顯著的作用。