世界氢能发展现状与技术调研

王 寒



世界氢能发展现状与技术调研

王 寒

（中国石油大学（北京）， 北京102249）

化石燃料是目前能源消费的主体，随着能源需求的不断增大，能源危机、全球变暖及环境污染等问题日趋严重，氢能因其取之不尽、高效、零污染的特性逐渐受到重视。氢能作为一种可持续发展的新型能源，其发展前景不可估量，但氢能的实际推广应用现状并不理想，氢能的廉价制取及其安全储存运输则是制约其发展的主要原因。主要对世界范围内氢能发展利用现状趋势及对石油工业的影响进行调研,针对当前形势提出在能源发展过渡阶段我们在积极发展传统化石燃料的同时,也应抓住机会从长远角度考虑问题积极发展氢能等新型能源。

氢能；新能源；发展现状

1 世界氢能开发利用现状及前景

1.1 世界氢能开发利用现状

美国GM公司于1970年就提出了氢经济的概念。1995年以来，逐年严重的环境恶化、对污染物排放量的要求、降低对进口石油的依赖性、对可再生电能储存及供应的需求等都直接或间接的促进了氢经济的发展[1]。氢能是一种新型能源，与传统化石燃料相比，具有零污染、利用率高、危险系数小、储量充足的优点，是人们寄予厚望的替代能源。虽然目前已经有很多氢能应用在取暖、发电等方面的实例，但氢能在日常生活的交通工具上的应用已经成为热点。早在1960年左右中国就开始了对氢能的研发工作，为了发展我国的航空航天许多国内学者在获取可用于火箭燃料的液氢以及氢氧燃料电池的研发方面做了很多努力也取得一定的成果。21世纪以来我国政府多次将氢能列入能源发展规划，以达到加速我国氢能发展进程，促进氢能商业化的目标。

在交通运输、军事、能源以及航空中氢能都有其用武之地。氢能源的利用有热化学方法，即燃烧，也有被称为电化学的方法。随着燃料电池技术的飞速发展，依托其发展起来的产业尤其是燃料电池领域将成为氢能清洁利用的最有利证明，而与之相关的一系列氢能基础设施建设则是该产业是否能持续发展的关键环节。它还可以作为一种能源载体进行开发利用。例如近年来发展形势大好的风能和太阳能等可持续发展型能源，由于不稳定性而出现电力上网难的问题，使能源利用率极低，成了他们进一步发展的瓶颈。用剩余电量通过电解法制氢，可以有效改善弃风弃光现象，制得的氢既可以直接应用到所需领域，也可以与天然气掺混后经由其管网混合运输后再进行应用[2]。

氢能作为清洁能源的应用最主要体现在其燃料电池领域的应用，人们也寄希望于它能解决日后能源危机问题。我国汽车企业的氢燃料电池技术与国外技术先进的车企相比相对落后，其中延长电池寿命及降低生产成本是国内车企急需提高的部分。毛宗强在接受采访时曾说，我国在推动氢燃料电池汽车的发展上仍有很多不足，加氢站没有相对完善的相应标准；我国缺少对车用加氢站详细的建设筹划，在氢燃料电池车上也需要一个更加明确的发展路线；国家没有相对成熟的专门机构促进氢能源发展，“中国氢能与燃料电池协会”有望通过参与政府氢能规划进而推动行标制定并最终完成氢能产业化。根据和讯网报道[3]，我国氢能产业正面临困境，国内氢能源市场并未真正启动，缺乏资金投入。在这种形势下，许多民营企业改变发展战略，期望借助大型企业的实力摆脱困境，这当中也有一些企业因缺少资金支持而破产。氢能产品大规模生产未能实现，企业难以获得收益，同时可用资金也制约了技术发展和产品的产业化，这些都造成了我国氢能企业目前的艰难困境，也正因为这样国内至今都没有较成型的氢能源企业。国内氢能源产品不能让投资者看到回报是其难以得到资本市场认同的主要原因。因此氢能企业的发展重心应该放在产品的商业化推广上。施涛认为，氢能源产业链的贯通对其实现商业化至关重要。面对发展困境，国内许多的氢能公司调整发展战略，将氢能源的技术研发转移到相对容易完成商业化生产目标更有利于企业发展的备用电源上[3]。

燃料电池发展方面，中国产业调研网发布的2016年中国氢能现状调研及市场前景走势分析报告认为[4]，燃料电池发动机的核心技术问题虽然已基本解决，但是燃料电池技术仍有继续深入研究的必要以保证技术的最大成熟化。目前政府应加大研发投入力度，给掌握关键技术的企业提供资金和融资能力方面的帮助，进而使中国在燃料电池发动机关键技术方面占据领先地位。此外，对燃料电池主要原材料、零部件国产化、规模化生产等方面国家还需要大力投入从而促进其产业链的延伸发展。

除中国外的其他国家也在都不同程度地开发氢能源。美国对加氢站的投运始于2002年，2009年时加氢站数目共有63座，随后成逐年下降趋势，截至美国能源部2015年7月19日发布的最新数据，目前处于运行中的加氢站数目仅为41座，处于规划之中的有50座，而处于临时停用状态有2座。美国能源部在2008到2011三年间[5]，拿出约9亿美元的资金用于氢能和燃料电池发展计划。目前，美国氢能输送管道约有1 500英里，但与纵横交错的石油和天然气管道相比，氢能输送管道的里程却只有其千分之一。美国国家可再生能源实验室2013年计算了十种不同制氢方式生产成本，结果显示“分布式天然气重整”是目前现有的技术条件下最便宜制氢方式，而“分布式乙醇重整”则是最昂贵的方式。由于一直以来氢能的大规模商业化应用未曾实现，其产量在过去30多年的时间里面并没有明显的增长。1982年的产量约为19亿ft3/d，到1995年超过30亿ft3/d后，此后产能在这一水平维持了约20年，仅有较小幅度的波动。

加拿大在2010年也同样大力推动过氢能，还专门为温哥华冬奥会启用了一批氢能公交车，但由于运营成本过高，这些公交车最终淡出了人们的视线。加利福尼亚州2004年曾宣布计划建设加氢站150~200座，但目前仅建成不到30座。自从2010年以来，随着相比之下性能更好的电池、电动汽车和其他可再生能源在全球范围内的推广，倡导氢能的力量也日渐微弱。

早在二十世纪九十年代末，冰岛[6]就曾声称计划在2030年之前将本国经济全面过渡到氢能经济。冰岛化石燃料储量不足，为满足本国人民对能源及电力方面的需求便大力发展本国蕴藏丰厚的水力电力及地热资源。冰岛重要的汽车业与船舶业都离不开以石油为代表的化石燃料，正是进口石油的高成本促成冰岛氢能经济发展规划的形成。冰岛电解氢产量每年约为两千吨，计划通过可再生氢替代石油天然气等化石燃料来为各行业提供能源[7]。

日本一直以来都以构建氢能社会为发展目标，其加氢站密度世界排名第一[8]。日本采用政府主导和立法先行等方式积极推动氢能源产业在本国的发展，通过立法的方式来体现对新能源产业发展的重视,而政策上也给相关技术研发机构和生产企业提供可观的补贴。2015年初，氢能源相关项目的预算是401亿日元，与2014年相比上涨了236亿。加氢站网络建设方面日本也毫不逊色,目标两年内建成100座加氢站,目前在建的有41座,已经完工的有4座。在政府战略指导下，日本众企业也看好氢能源的发展前景并陆续投入发展。丰田、日产等车企在燃料汽车上投入颇多, 迄今为止，丰田已经投入400亿日元用于推广氢气作为替代燃料；日本国土交通省2014年开始牵头开展生物气制氢的试验，计划利用福冈市中部水处理中心产生的污泥来制氢。

1.2 世界氢能开发利用前景展望

日本政府计划通过即将到来的东京奥运会向世界展示其氢能发展利用情况，到时奥运场馆将使用以氢气为能源的公交车。目前日本政府已经联合丰田岩谷等企业开始加氢站网络的建设，已经建成加氢站十余个，其目标是在整个日本建成并投入运营加氢站35座。根据东芝公司预测，到2030年全球燃料电池发电设施、燃料电池车以及其他与氢能利用有关的基础设施等的市场规模预计达40万亿日元，到2050年则有望扩大到160万亿日元。正是由于日本政府和企业认识到了氢能源巨大的市场潜力，才会大力发展氢能源，希望通过可再生能源制氢进而掌握国际氢能源领域的制高点并抢占商机。除了氢能汽车及加氢站外，东京政府正规划氢能快速公交系统，氢能轮船及水上巴士应用于运输旅游部门，并在奥运村和体育馆安装燃料电池。日本川崎重工计划构建液态氢能供应链，氢能供应网络的开发则是其开发的重心。川崎重工最新制氢计划瞄准了蕴含大量褐煤的澳大利亚Latrobe Valley煤矿，希望通过褐煤产氢，提高褐煤利用价值同时降低制氢成本。预计规模化产氢后，这些褐煤产生的氢气可以供30万氢能汽车利用，而氢气的生产成本同时也会减半，制氢站点最早将于2017年建成，每天可产20吨氢气。据世界能源网工程估计[1]，日本通过可再生能源生产氢能产品约为210 g·Nm3/a。

根据国际能源署IEA预计，14年之内插电式汽车、纯电动汽车仍会是全球新能源汽车市场的主力。预计到2030年氢燃料电池汽车约占全球汽车销售总量的2%~3%[9]，到2050年之前的未来二十年间，三种新能源汽车的发展优先性及市场格局会基本处于稳定状态，其中氢燃料电池汽车的比重会略有增加，同时加氢站的投建规模也必将随之变化。中国目前并没有针对氢能的发展政策，只是对新能源汽车做了一些规划，加强基础加氢站设施的建设将成为我国未来发展的趋势。

2 国内外氢能技术发展现状、趋势

氢能作为众所周知的新型能源，但实际应用中却存在一些困难：一是目前制氢还是要依赖于存量有限且会造成环境污染的化石能源，而且整个制氢过程耗能很大，目前制氢效率并不高。如何开发廉价的制氢方法显得尤为重要，也是氢能大规模推广应用的瓶颈所在。二是现存储存及运输氢气的方法不够安全可靠。因为氢具有容易气化、着火、爆炸的性质，如何将制得的氢与需求用户有效对接而不产生危险，成了限制氢能大规模商业化发展的关键。

氢气作为一种常用的工业气体，依据生产原料、能量来源、设备、生产成本情况，以及对氢气纯度和用量等方面的要求，可有以下几种制备方式：电解制氢，水煤气转化法，烃类裂解法，烃类蒸气转化法。氢气在工业生产中常以副产物的形式存在，加以提纯处理后也可作为一种制氢途径，例如酿造工业中用玉米发酵丙酮、丁醇时，发酵罐的废气经多次提纯后可生产氢。当前形势下，很多国家都正积极探索能用最少的资金投入制取大量氢气的方法。学者们使用太阳能并结合相应催化剂的手段分解H2O进而制得H2。日本一直以来都致力于构建氢能社会，其采取的制氢方法多种多样，从利用天然气、污泥、褐煤到电解水等手段。有专家指出[10]，我们应善于有效利用工业中以副产品形式出现的氢，比如利用焦炉煤气制氢，我国盛产焦炉煤气，内地大部分省都有炼焦工厂；再有就是利用相对不那么集中的二次能源来获取氢气。

有学者[11]认为氢气作为一种高效环保的能源至今没有大规模推广，氢气大容量储运的问题就是关键。周鹏等人[12]指出，氢的存储对于氢能实现商业化至关重要，常见的有物理储氢和化学储氢，而后者较为安全将成为未来储氢材料发展的重点，其主要包括金属氢化物，配位氢化物和有机液体氢化物储氢方法，而这三种方法也各有利弊。作者还指出，氢材料的研究近年来成果显著，但仍存在一些问题，如储氢容量、工作温度、可逆循环性能等方面还有待于提高。除此外，还有文献指出[13]可以通过生物酶催化CO2加氢的方法制得的甲酸盐来完成氢能储运。

氢气能够以气态、液态及固态储氢材料等方式输送，其中液化法已成为大规模储运氢能产品的主要方法。有学者[14]已经研发了一套无氢运输体系，该体系先通过一些措施让氢以某种液体的形式存在，将其输送到需求用户后再制取氢，进而改善低效运输问题，但这种方法的可行性还有待于进一步证明。日本将目标投向开发氢的长距离运输技术，千代田化工建设正在研发将液态氢通过甲苯储存的技术，使常温常压运输氢成为可能，还成立了以该技术为支撑发展的氢燃料公司。

3 氢能与石油工业

2008年以前国际油价处于低迷期，很多国际石油企业积极发展包括氢能在内的新能源，以寻求新的商机。有相关文献报道了部分国际石油公司氢能源发展情况[15]，BP和Shell两家跨国石油公司立足于氢能的研发和改革技术，分别于1998和1999年先后成立了不同性质的商业单位开展氢能研发工作。BP和Shell公司的研究包含全世界范围内的氢能研究计划，其中Shell公司对氢能汽车市场颇感兴趣，BP一直与美国和欧洲的两个全球最大氢示范项目保持合作关系，在制氢和汽车加氢站试运营方面经验丰富并参与了许多的氢能示范项目。除了上述以石油为主业的企业，Stuart 能源系统、Linde AG以及空气产品与化学品公司的业务范围也拓展到氢能的零售。2008年后国际油价大涨，再加上2010美国页岩气的突破进展使得国际石油企业重新将重点转向油气业务。

各石油公司能源战略调整都有偏向综合性能源的发展趋势且都以利益为导向。对于各石油企业来说，准确把握能源发展走向显得尤为重要，一方面要保证传统能源发展并寻求突破，另一方面也要积极投资新能源领域，提早适应可能的能源结构变化和能源竞争，为企业长远发展做好准备工作。

［1］ 中国新能源与可再生能源网. 世界氢能研发及其政策[EB]. 2005(12).

［2］ 赵永志，蒙波，陈霖新，等. 氢能源的利用现状分析[J]. 化工进展，2015，34(9)：3248-3255.

［3］ 张慧. 氢能源产业困境[J]. 中国能源，2013(4)：57-59.

［4］ 2016年中国氢能现状调研及市场前景走势分析报告[R].

［5］ 张聪. 世界氢能技术研究和应用新进展[J]. 石油石化节能，2014(8)：56-59.

［6］ Jone.W.Ogden, David Whitsell, A.K.Brisdon,等. 世界各国聚焦氢能源经济[J]. 资源与人居环境，2010(3)：38-40.

［7］ Dunn S. The Hydrogen Experiment[J]. World Watch，2000.

［8］ 清洁能源未来之星[N]. 上海证券报，2015(11).

［9］ 曹建国，廖然，杨利花. 燃料电池电动汽车发展现状与前景[J]. 新材料产业，2015(4)：58-63.

［10］ 中国化工信息中心_资讯中心. 我国氢能的开发与利用情况(2)[R]. 2016(3).

［11］ Orimo S，Nakamori Y，Eliseo J R，et al. Complex hydrides for hydrogen storage[J]. Chemical Reviews，2007，38：4111-4132.

［12］ 周鹏，刘启斌，隋军，等. 化学储氢研究进展[J]. 化工进展，2014(8)：2004-2011.

［13］ Pereira IAC.Microbiology.An enzymatic route to H2storage.[J]. Science, 2013，342(6164)：1329-1330.

［14］ 毛宗强. 氢能知识系列讲座(4) 将氢气输送给用户[J]. 太阳能，2007(4)：18-20.

［15］ 国外大公司新能源开发战略[G]. 现代国企研究，2015(8).

Development and Technology Research of the World Hydrogen Energy

WANG Han

（China University of Petroleum, Beijing 102249，China）

Fossil fuels are the main part of current energy consumption; with increasing of the demand for energy, the energy crisis, global warming and environmental pollution problems have become more serious, and hydrogen energy gets increasing attention because of its inexhaustible, efficient and zero emission characteristics. Hydrogen is a new energy of sustainable development and has immeasurable prospects, but practical application status of hydrogen energy is not ideal; the problems of hydrogen preparation, storage and transportation are the main reason for constraining its development. In this article, development status and trend of the hydrogen energy were investigated as well as its influence on the oil industry. At last，it’s pointed out that new energy such as the hydrogen energy should be actively developed at the transition stage of energy development.

hydrogen; new energy sources; development status

TK 91

A

1671-0460（2016）06-1316-04

2016-03-22

王寒（1992-），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，研究方向：多相管流及油气田集输。E-mail：1485035007@qq.com。