氢能发展模式应用

王恒

（青海广恒新能源有限公司，青海 西宁810000）

氢能是洁净的二次能源，具有能量密度大、容量大、寿命长、便于存储和运输的优点[1]。针对新能源弃风弃光严重，太阳能、风能存在间歇性、波动性、随机性特点，导致新能源发电在电网接入、电网调峰、电力输送和综合消纳方面存在诸多瓶颈问题[2]。结合新能源发电实际，对氢能发展模式进行研究[3]，既提升新能源发电的消纳能力、实现跨季调峰，提高风电系统的能源利用效率，降低发电控制系统的运行和维护成本；还可生产出高质量氢气，促进氢能产业链的全方位发展，实现太阳能、风能资源的综合利用[4]。

本文在介绍氢能各产业链基础上，对氢能发展模式进行讨论。以低品质风电制备氢能为起点，实现氢能制取、储存、运输和应用全生命周期碳零排放，提高太阳能、风能资源综合效益。探索氢能发展模式是缓解能源污染，构建安全高效、可持续现代能源体系的理想途径。

1 氢能发展模式技术路线

1.1 氢能产业链组成

氢能产业链主要包括上游氢的制取、中游氢的储运、下游氢的应用等环节，氢能产业链如图1 所示。

1.2 制氢

制氢主要通过煤炭、天然气化石燃料制取氢气，焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢化工副产物中提取氢气，利用太阳能、风能进行电解水制氢和采用来自生物的甲醇甲烷制取氢气。图2 为氢能的来源，图3为影响电解水制氢成本的因素。

图1 氢能产业链

图2 氢气的来源

分析可知：长远看采用电解水制取氢气理论成本低，电费成本占比达到70%～80%，用电成本决定电解水制氢成本，电解水制氢工艺需压低电费成本。资本成本、固定资产折旧和生产运行维护等其他因素，则通过技术进步、提升管理水平降低，整体占比较小且是长期过程。

图3 影响电解水制氢成本因素

2.3 储运

氢气液化温度极低，自然界无游离态氢存在，易发生氢脆。氢气高密度储运成亟待解决的难题，是影响氢能广泛应用的关键环节之一[9]。图4为高压储氢罐和低温储氢罐，表1和表2就4种氢能输运方式和储存方式进行对比。

图4 高压储氢罐和低温储氢罐

分析可知：运输半径在100～150 km 以内，气氢运输方式占据主导地位；随着氢燃料电池汽车不断推广，车辆保有量快速提升，加氢站数量快速增长，液氢输送成为更加经济的配送方式；当输氢规模巨大时，采用管道运输非常适合。氢能发展初期采用高压气态储运；在氢能源发展中期，车载储氢将以气态、低温液态为主，多种储氢技术相互协同，氢能源储运以高压、液态氢罐和管道输运相结合，针对不同市场和区域同步发展。远期氢气管网将密布城市、乡村，采用更高储氢密度、更高安全性的储氢技术。

2.4 氢能应用

随着科技进步和氢能系统技术的全面进展，氢能将被广泛应用，根据其主要应用方面，氢能应用从以下几方面发展。

2.4.1 新能源与制氢耦合发展

新能源与制氢耦合发展是全球范围内研究重点，风氢耦合发电为发达国家解决风电上网“瓶颈”问题的重要手段。通过控制系统调节风电上网与制氢电量比例，最大限度吸纳风电弃风电量，缓解规模化风电上网“瓶颈”问题，利用弃风电量电解水制氢。通过制氢可实现电力大规模跨季节调节成为可能，大幅提升电网灵活性水平。风氢耦合发电即可开发尚未利用的风能资源，将风电全部用于制氢，然后供氢给下游产业，挖掘风电增量建设空间，扩大氢气供应量；又可针对已投运的风电项目，利用弃风制氢，供氢给下游产业，解决消纳问题，提高风电上网电能品质，提高收益，挖掘存量的消纳空间，延伸绿色产业链条。风氢耦合系统极大地推动氢燃料电池汽车产业的快速发展。

2.4.2 燃料电池

燃料电池装置有助于实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，可广泛应用在交通、工业、建筑、军事等场景，图5 所示为氢燃料电池为核心的分布式能源网络。

氢燃料电池技术不断成熟，在逐步应用于汽车、船舶、轨道交通等交通领域；固定式发电领域可作为建筑热电联供电源、移动基站的备用电源。

2.4.3 燃料电池车

氢燃料电池系统较为复杂，但氢气储能密度较高，燃料电池生成物是水，其本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，没有硫和微粒排出，氢燃料电池汽车是氢能最有希望的发展方向，图6 为综合能效对比，表3不同类型汽车比较。

表1 氢气输运方式比较

表3 不同类型汽车比较

通过分析知：氢燃料电池车能量转化效率高达60%～80%，为内燃机的2～3 倍，氢燃料电池车综合能效（从一次能源到动力）介于内燃机车和电动汽车之间，氢燃料电池车无污染排放、能效较高，相对于燃油汽车，有利于节能减排，相对于电动汽车，其在续航里程和燃料补充速度上有优势，表4对商用车、乘用车参数进行了对比。

通过分析可知：商用车与燃料电池乘用车相比，技术门槛较低，其电堆功率和储氢瓶内氢压要求较低，依靠加装储氢瓶，可实现长续航里程。燃料电池成本高昂，若搭载于成乘用车上，很难获得与其他动力车型相近的成本竞争力。商用车空间相对较大，对燃料电池系统紧凑性要求低。针对燃料电池汽车面临加氢基础设施制约，商用车具有续航里程长的特点，固定用途、点对点移动的长途商用车，只需定点建设少量加氢站，对基础设施的依赖就大为降低。对于氢能在交通领域的应用，可以考虑优先发展燃料电池汽车商用车。

图5 氢燃料电池为核心的分布式能源网络

图6 综合能效对比

表2 氢能储存方式比较

2.4.4 燃料电池固定式发电

燃料电池固定式发电领域包括分布式电站、家用热电联供系统、备用电源等3 种应用方向。分布式电站具有模块化性能强、场景适应性能好、可扩展性能好优势可作为主电网补充，也可为偏远地区进行独立发电。家庭与城市多采用1～5 kW 小型热电联供装置，既可以天然气为燃料，充分兼容现有公共设施；也可结合分布式光伏发电制氢打造零碳建筑。燃料电池备用电源产品具有能源效率高、环境友好、响应迅速、运行稳定可靠、寿命长等优点，广泛使用在通信、电力、医疗及公共事业部门。

2.4.5 富氢水

富氢水中溶入适量氢气，是最好的抗氧化物，集高氢量、弱碱性、负电位、小份子水为一体，平衡身体酸碱度，可有效防止多种疾病。

3 综合效益分析

充分利用无法消纳的上网电量电解水制氢，多余的低成本电转化价值较高的氢气，提升系统产值，提高设备发电效率，削减新能源发电高峰时段调峰压力，推进新能源高比例供应和消纳。

氢气是一种可再生能源，通过风、光等新能源发电制氢，可节约大量煤炭或油气资源，氢能产业链整个过程实现零排放、零污染、可持续，体现生态优先、绿色发展为导向的高质量发展要求，有利于环境保护，带来较好的社会影响。通过开展氢能源相关项目研究，提升对新能源的消纳和对氢能应用能力，促进氢能产业链上下游产业创新升级，挖掘氢能市场发展潜力，有力的促进新能源规模化开发利用，对推动能源革命。

4 结论和建议

本文综述了氢能产业链中氢的制备、存贮和应用，详细阐述了通过利用新能源生产无法消纳的“绿电”采用“电制氢”方式制备氢能、氢能全生命周期碳零排放的应用，避免能源浪费，实现生态优先、绿色发展为导向的纯绿色能源发展需求。大量的研究表明，氢能在未来的新能源发展中将拥有巨大的应用潜力，进一步研究氢能发展模式中设备及关键技术以及工程示范等对能源的发展具有重要意义。氢能的发展还存在诸多的问题，为使氢能稳定发展，提出以下几点建议：

采用“电制氢”方式制取氢气，发展氢能产业。进行相关产业孵化与扶持，最终形成和确立全生命周期的零碳氢能供给体系。

稳妥有序推进氢能基础设施建设，统筹先进技术和装备引进、吸收与市场拓展，发展跨区域、跨产业联盟，协同推进氢能发展。

表4 商用车、乘用车使用参数对比

氢燃料电池产业处于探索阶段，以氢能源公交车为先导，逐步拓展氢能在燃料电池等领域的应用，延伸绿色产业链条；考虑商用车电动化仍面临技术瓶颈，建议将中重型商用车和模块化燃料电池作为氢能商业化推广突破口，待规模化成本大幅降低后适时在乘用车领域推广，将产业发展引入增量降本的良性循环。

尽快制定氢能源发展规划。在充分、积极调研国内外氢能源产业发展现状和相关产业规划基础上，分析发展氢能源产业面临的机遇和挑战。对氢能产业的关键技术、发展方向、重点应用领域等重点研究，出台更加细化、分时间节点的氢能发展顶层设计，充分把握氢能源产业发展黄金期，制定氢能源产业发展路线图，为氢能产业发展方向和路径提供明确的专门指导。

加大氢能相关的研发投入和优惠扶持。设立专项资金，鼓励氢能等绿色能源的研发，使用奖励政策，增加政府高校研发合作项目，加强氢能高层次人才引进培养，规划建设国家级氢能产业创新研发平台。