氢能源应用现状及前景分析

杭州制氧机集团股份有限公司□徐佳俊 劳利建

1 背景

按照巴黎协定的约定，其长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，具体到碳排放量的指标，经过推算，到2050年全球必须实现碳的0排放甚至负增长，而实现这一目标就意味着氢能源必将被广泛地运用在各行各业中。

2 氢能源的应用

在过去50年中，氢能源曾有两次成为世界关注的焦点，上世纪70年代的石油危机和90年代气候变化逐步吸引了人们的关注。以往大家曾经热衷于讨论用氢燃料取代化石燃料的可行性，随着技术的不断发展，在环境问题愈发紧迫的今天，氢能源产业的应用逐步走向成熟。

1）氢燃料电池。韩国现代的第二代NEXO氢燃料电池汽车在2019年正式发售。2020年6月，日本丰田联合了中国国内六家汽车厂家（第一汽车、东风汽车、广汽和北京汽车等）成立了联合燃料系统研发公司，专注于氢燃料电池系统的研究，而丰田自产的氢燃料电池汽车—Mirai的升级版也预计在2020年发售。氢燃料电池系统具有零排放、续驶里程长、燃料加注快的典型特点，在汽车产业中具有不可比拟的优势。

此外，除了汽车领域，氢燃料电池系统对远洋航运也有重要作用。远洋航运产业的碳排放量占全球总排放的2.5%左右，如果需要实现减排目标，必须要寻找新的能源供应方式。根据美国绿色运输委员会（Council on Clean Transportation）对往返中美两国之间的航线研究，这些航线均具备采用燃料电池驱动的可行性。

2）采用氢气代替天然气作为民用也具备一定的可行性。其主要优势在于可以利用现有的天然气供气管道。根据英国一家公司的评估，目前的天然气管网能够兼容最大20%比例的氢混合燃料气，并且只需要经过一定的升级改造，管道气管网就能同时兼容天然气和氢气。在一些西方国家，如澳大利亚、英国和德国目前均在尝试这一理念。2020年5月份，德国的管道气运行公司公布了一项计划，将升级改造总计1200km的天然气管道，该项目预计2030年完工。

3）在工业中代替原本采用的碳元素及其化合物作为还原剂。这一潜在应用主要在于炼铁产业，采用氢气代替原有的CO还原氧化铁，从而避免CO反应成为CO2最终作为温室气体排放。目前世界著名的几家钢铁公司，如阿塞洛-米塔尔和LKAB以及瑞士大瀑布电力公司均已立项验证这一方案的可行性。

3 氢能源的不足

在实际应用的过程中，氢能源系统的建立也要面对重重困难。

其中最根本的问题之一在于氢能源的能源密度虽然具备一定优势（以质量计），但由于氢的密度较低，如果以体积计算，氢的能量密度反而不如目前市场上的任何一种化石燃料，见图1。

图1 能量密度

如图1所示，以质量计算时，氢的能量密度是天然气、石油的三倍左右，是氨和甲醇的六倍，但当以体积计时，唯有压缩氢或液化氢的能量密度比常用的锂电池和锌-镍电池略高一点。这就意味着以氢气作为驱动的效率其实并没有期望中那么高。根据国际气候变化委员会（Committee on Climate Change）的估计，考虑同样来源于风电的前提下，一辆采用电池驱动的汽车可以将风电输出功率的86%转化为汽车的动能，而一辆氢燃料电池汽车，以目前的技术水平仅40%~45%。此外，氢燃料电池汽车也不能像普通电动车一样可以在家充电，而是必须去加氢站。而加氢站的安全风险大，工程难度高，目前仅在美国、日韩等少数国家才有配置。

在这种情况下，目前电动车的普及程度已经远远超过了氢燃料电池汽车。根据国际能源机构（IEA）的统计数据，截至2018年，仅有11200辆氢燃料电池汽车在使用，主要在日韩等少数几个发达国家，而对比之下电动车已经有510万辆，并仍在飞速增长。2019年，仅国内电动车的销售量就达到了120万辆，占总汽车销售量的4.7%。而在欧美国家这一比例更高，如挪威一半以上的汽车销量都是电动车。对比之下，氢燃料电池汽车在2018年的销量仅仅4000台。

虽然理论上氢燃料电池的能量密度比目前常用的锂电池高，但从目前汽车厂家公布的数据情况来看，这一优势并不明显。以目前丰田旗舰车型Mirai为例，其续航官方数据仅为502公里，而其储氢罐为121升；本田Clarity车型储氢罐141升，续航官方数据为565公里。由于其储氢罐体积远大于汽油车，氢能源汽车的内部空间反而更加逼仄。相比较而言，目前Telsa的入门车型Model 3的基础版续航为468公里，增强版续航为668公里，车内空间也更大，实用性上优势非常明显。在氢燃料电池本该更具优势的大型长距离运输行业，其高能量密度的特点在技术指标上依旧没有体现。以目前韩国现代的一款氢燃料电池重型货运卡车为例，其续航仅400公里，而对比Telsa发布的重型货运卡车Semi的官方续航数据高达800公里。

采用氢能源代替天然气的方案也同样面临挑战。由于民用天然气主要用于日常加热：烧水、采暖、烹饪等等，以英国为例，其每年消耗的天然气热值约在880T（1012）WH，是其电网输送电量的两倍，如果考虑全部采用电加热代替，就意味目前的发电能力及电网载荷远不能满足要求，需要进行大规模的升级和扩建。虽然相比较而言采用氢气代替天然气需要的管网升级花费比较少，但考虑到氢气的来源，比如来自水电解，考虑到水电解装置50%~70%左右的效率，发电量的缺口反而会进一步加大。

4 氢气的制备

和现有的化石燃料不同，氢并不能直接从自然界中取得，氢的制备同样需要高额的设备成本和能源消耗，目前主要的制氢方式包括：

1）目前主流的制氢方式是通过蒸汽转化（CO+H2O=H2+CO2），但其过程会释放大量的CO2。目前全球几乎所有7千万吨氢均来源于此工艺流程。和氢能源本身给人的完全绿色环保不相称的是，通过这个流程每生产1吨H2，将排放5~7吨CO2到大气中。这样的氢其实并不能真正称为绿色能源。根据国际能源机构统计，通过这种方式制氢的成本平均在10元人民币/千克左右。

2）为了实现环保目标，针对目前的氢气转化流程的更新方案中增加CO2的回收装置—CO2通过回收系统被回收压缩后埋到地下或者深海中，虽然其中无法避免会泄漏一些进入大气，但总体符合环保理念。挪威能源公司Equinor于今年7月宣布将在英格兰北部建立迄今为止最大的制氢工厂，即采用此种蒸汽转化+CO2回收的工艺流程。日本规划中的主要制氢方案也是采用此类工艺：在澳大利亚的产煤区制氢，CO2就地深埋，再将氢压缩或液化后运回消费。这种制氢方案的成本根据原料的差异变化较大，在15元人民币/千克~25元人民币/千克之间。

3）真正完全的“绿色制氢”目前仅是水电解制氢。水电解后产生氢气和氧气，不产生其他的环境污染。而水电解制氢的成本随电价波动幅度较大，通常在18元人民币/千克~35元人民币/千克，是三种制氢方式中成本最高的。

即使如此，水电解制氢的发展潜力却是最大的。在设备投资成本方面，在过去的五年中，水电解制氢设备造价平均下降了40%，尤其国内生产厂家的成本优势更加明显。以标准型50Nm3/h水电解制氢装置为例，国内厂家的预算约100万元人民币/套，而欧美品牌的造价约为600万元人民币/套，未来设备成本持续走低是必然趋势。

运行能耗成本方面的趋势则更为乐观。目前随着风能、太阳能发电的逐步普及，其规模效应已然凸显。在过去的10年中，此类可再生能源发电的成本已经下降了85%（见图2），已经远低于传统的燃煤发电。

图2 发电成本

这就意味着电解制氢的成本在这一趋势下具备进一步降低的可能。根据目前的趋势估计，到2050年，电解制氢的成本可以进一步降低到5元人民币/千克~12元人民币/千克，明显优于其他的制氢工艺。

5 结束语

氢能源将在未来的能源规划中成为重要的组成部分。根据国际氢能委员会 （Hydrogen Council）的估计，到2050年，氢能源消耗将占全球能源总消耗的18%。各国政府对氢能源的关注度正在明显提高，德国6月10日宣布了一项70亿欧元的资助项目，旨在奠定其国际氢能源技术的领导地位。欧盟透露的另一项计划中，规划了一个40GW的绿色氢气站。我国政府规划到2030年，全国将有100万台氢燃料电池汽车，而日本计划到2050年氢能源的成本将下降到目前的1/10。

虽然氢能源具能量密度更高，与现有基础设施有一定兼容性等优势，作为目前仅有的完全环保的燃气，其完全取代化石燃料目前的地位却不太现实。经过上文的分析，氢能源某种程度上来说只是另一种形式的电能而已，基于热力学第二定律，其效率必定比直接利用电能更低。就目前的趋势来看，仅在那些电能力所不能及的领域，才是氢能源真正的用武之地。