能源概论与氢能战略

2022-07-21闫慧忠

稀土信息 2022年6期

● 闫慧忠/文

未来，推动社会可持续发展包括5 个重要因素：环境（Environment），能源（Energy），经济（Economics），公平（Equity），教育（Education），其中环境与能源是最重要且密不可分的两个方面。大规模工业化进程中，人类无节制地开发和破坏自然资源造成环境持续恶化：大面积土地退化、大气和江海污染加剧、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁、温室效应导致的自然灾害等等，其中与能源利用相关度很高的环境影响是空气污染和温室效应。

空气污染又称大气污染，按照国际标准化组织（ISO）的定义，空气污染指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人类的舒适、健康和福利或环境的现象。100 多种空气污染物来自自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等），且以后者为主。

空气污染会对人体健康、植物、气候产生严重的危害。人需要呼吸空气以维持生命,一个成年人每天呼吸大约2 万多次，吸入空气达15 立方米～20立方米。大气污染物对人体的危害主要表现是呼吸道疾病与生理机能障碍，以及眼鼻等黏膜组织受到刺激而患病。空气污染会减少到达地面的太阳辐射量，导致人和动植物因缺乏阳光而生长发育不好；增加大气降水量，在大工业城市的下风位地区，降水量更多；硫酸雨毁坏森林、农作物、轻工制品、金属、建筑物等；增高大工业城市近地面空气的温度，气象学中称作“热岛效应”；大气中大量CO2能吸收来自地面的长波辐射，使近地面层空气温度增高，叫做“温室效应”；如果大气中CO2含量增加25%，近地面气温可以增加0.5℃～2℃；如果增加100%，近地面温度可以增高1.5℃～6℃。CO2含量如果持续增加，使得南北极的冰川融化，导致陆地大面积减少。1930 年12 月比利时的马斯河谷工业烟雾污染事件、1948 年10 月美国的多诺拉二氧化硫蔓延事件、20 世纪40 年代初期美国的洛杉矶光化学烟雾污染事件、1952 年12 月英国的伦敦烟雾事件（煤尘废气污染）等对人类和自然界造成了严重的后果。中国工业发达的东部地区整体PM2.5水平远超国际标准（25 微克/立方米），北京2015年的峰值高达1000 微克/立方米，逼近伦敦“雾霾杀人事件”水平。

温室效应归结为一句话：碳的排放量及速度超过了地球的吸收力。气候变暖的罪魁祸首就是二氧化碳等温室气体，焚烧化石燃料、砍伐森林并焚烧等等，都会产生大量的二氧化碳，温室气体能够高度透过太阳辐射的可见光，吸收地面辐射中的红外线，使得地球温度越来越高。温室效应的危害，除了我们熟知的冰川融化、海平面上升之外，还会导致全球降水量的重新分配，严重影响全球自然生态系统的平衡，并最终影响人类的生存。气候变暖会导致部分动植物物种因种种不适应而发生种群数量减少、迁移、生态退化，一些濒危物种难逃灭绝厄运。假如各国不采取措施，全球变暖保持目前的趋势，那么到2100 年地球升温幅度将达4.3℃，约六分之一的物种将面临灭绝风险。2015 年巴黎协定提出2℃温升目标，争取1.5℃。2020 年3 月，欧盟向联合国气候变化框架公约（UNFCCC）提交了欧盟低排放长期战略，目标是2050 年温室气体中和。2020 年9 月，中国在联合国大会上宣布碳达峰、碳中和目标分别是2030 年、2060 年。

空气污染、气候异常的红色警报拉响，我们该如何应对？改革能源结构，多采用无污染能源（如太阳能、风能、水力发电）和低污染能源（如天然气），对燃料进行预处理（如烧煤前先进行脱硫）、改进燃烧技术等均可减少排污量。另外，在污染物未进入大气之前，使用除尘消烟技术、冷凝技术、液体吸收技术、回收处理技术等消除废气中的部分污染物，可减少进入大气的污染物数量。

一、能源概论

构成客观世界的三大基础是物质、能量和信息。宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。能量是一切物质运动、变化和相互作用的度量，广义地讲，就是“产生某种效果（变化）的能力”。目前为止，人类认识的能量有六种形式：机械能、热能、电能、辐射能、化学能、核能。能量具有状态性、可加性、传递性、转换性、做功性和贬值性。

能源是能够直接或经过转换而获取的某种能量的自然资源，可简单地理解为含有能量的资源。由于能源形式多样，通常有多种不同的分类方法，从不同的侧重面来反映能源的各种特征，或按能源的来源、形成、使用分类，或从技术、环保角度进行分类。按来源分为地球自身蕴藏的能源（核能、地热能等）、来自地球外天体的能源（宇宙射线、太阳能及其相关能源）、地球与其他天体相互作用的能源（潮汐能）；按利用程度分为常规能源（煤炭、石油、天然气、水能）、新能源（太阳能、地热能、潮汐能、核能、生物质能）；按获得方式分为一次能源（煤、石油、天然气、风能、水能）、二次能源（电、蒸汽、焦炭、煤气、氢）；按可否再生分为可再生能源（水能、风能、潮汐能、太阳能）、非再生能源（石油、煤、天然气、核燃料）；按本身性质分为燃料能源（石油、煤、天然气、地热、氢）、非燃料能源（风能、水能、海流、潮汐、波浪、雷电、火山爆发、电磁能）；根据对环境的影响分为清洁能源（太阳能、水能、海洋能、氢能）、非清洁能源（石油、煤、天然气）。

能源的发展经历了薪柴时期（18 世纪前），煤炭时期（18 世纪～20 世纪中期），石油时期（20世纪中期以来），以太阳能、风能、核能、氢能为代表的清洁能源时期（21 世纪）。可以看出，能源的发展历史是减碳增氢的历史。

为了合理地选择和使用能源，必需对各种能源进行正确的评价。通常能源评价指标包括：对环境的影响、储量、品位、地理分布、能量密度、可再生性、储存的可能性、供能的连续性、开发费用和利用费用、运输费用与损耗等。

我国能源体系存在不安全、不平衡、不可持续的问题。能源安全问题：2017 年，石油进口量突破4 亿吨，对外依存度高达68.85%，70%石油进入交通运输领域；天然气进口量946 亿立方米，39%的天然气依靠进口。煤炭利用问题：80%通过燃烧发电和供热，碳排放量大，污染严重；低质褐煤保有储量约1300 亿吨，占煤炭储量13%，氢含量相对高，开发利用不足。可再生能源发展问题：可再生能源并网消纳困难。2017 年可再生能源发电量占比仅增加0.7%，全年可再生能源电量达1007 亿千瓦时。碳排放问题：我国提出2030 年减排目标是单位GDP 的二氧化碳排放比2005 年下降60%～65%，以化石能源为主的能源结构为我国碳排放目标带来了巨大的挑战。电力系统问题：电力作为我国终端能源消费的主体，其最大问题是无法高效存储。可再生能源的接入带来的不确定性影响着电力系统的安全稳定运行。

解决能源问题（短缺、污染）需要做好两方面的工作，一是合理利用传统能源，重视环境保护；二是开发利用新能源，改善能源结构。当前可开发利用的新能源主要包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能、生物质能、核能、氢能等。

二、氢能战略

氢能是能源与环境问题的终极解决方案。未来绿氢比重将大幅提升，交通领域、分布式电站逐渐成为核心应用场景。

为什么是氢呢？氢是元素周期表中第一个元素，是原子量最小的元素，氢原子本身可以发生得失电子的氧化还原反应，理论上具有最大的能量密度。实际上氢是地球上能量密度最高的燃料，燃烧热值为142 kJ/g，是天然气和汽油的2 倍多，是煤的4 倍，是酒精的5 倍多。氢是宇宙中最丰富的元素，海洋的总体积约为13.7 亿立方千米，若把其中的氢提炼出来，约有1500 亿吨，所产生的热量是地球上矿物燃料的9000 倍。氢是最洁净的燃料，使用清洁能源从水中获得，作为能源使用后唯一的产物是水。

世界各国十分重视氢能技术和产业的发展，均把氢能上升到战略地位。美国对氢能的关注要追溯到20 世纪70 年代的石油危机时期，从氢气的生产、储运、下游应用以及基础设施方面均有布局。政府于1996 年推出《氢能前景法案》；2002 年发布《国家氢能发展路线图》，标志着美国氢能产业从构想转入行动阶段。2003 年正式启动《总统氢燃料倡议》，2004 年发布《氢立场计划》，2014 年颁布《全面能源战略》，确定了氢能在交通转型中的引领作用。2019 年9 月，能源部宣布启动29 个H2@Scale项目，实现低负担且可靠的规模化“制氢、运氢、储氢”和氢的应用。2017 年，日本发布了“氢能源基本战略”，主要目标是2030 年左右实现氢能源发电商业化。首次提出了“氢能社会”的概念，涵盖了制氢、储氢和氢能利用及基础设施建设等氢能全产业链。丰田公司已经推出第二代氢能源汽车（FCV PLUS）。日本氢能经济路线图是一条自下而上的发展路径：第一阶段（2015 年～2025 年）是燃料电池的商业化，扩大氢能使用场景；第二阶段（2025年～2030 年）是推进氢能基础设施的研发，洽谈氢气的国际供应，降低氢气价格，建立完全成熟的氢能发电和大规模氢气供应体系；第三阶段（2030年～2040 年）是对氢气供应体系的产业链加速进行战略性研究和规划，建立大规模零CO2排放+碳捕集和封存（CCS）和可再生能源的供氢系统。氢能产业预计规模：2030 年为1 万亿日元（约合590 亿元人民币），2050 年为8 万亿日元（约合4720 亿元人民币）。2020 年6 月，德国联邦出台了具有里程碑意义的《德国国家氢能战略》，38 项具体措施为德国的氢能源技术转型作出了重要的指引。2020年7 月，欧盟正式通过《欧盟能源系统集成战略》和《欧盟氢能战略》，为推动氢能发展制定了中长期“三步走”和近期20 项具体行动计划。德国氢能经济发展规划是一条由上至下的发展道路：2006 年起，研究与探索阶段；2020 年前，市场准备和验证可行性阶段；2020 年左右，商业化加速阶段，建成一定规模的加氢站网络以支持燃料电池车的大规模使用。

我国从2006 年将氢能及燃料电池写入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020 年）》；在2020 年5 月的政府工作报告中重点提及了氢燃料电池的投入研发；2019 年6 月，中国氢能联盟发布《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，氢能将成为中国能源体系重要组成部分，到2050 年氢能在能源体系占比约为10%，年产值超过10 万亿元。加氢站达到1 万座以上，交通运输、工业等领域将实现氢能普及应用。2022 年3 月，国家发展改革委、国家能源局联合研究制定发布了《氢能产业发展中长期规划（2021～2035 年）》，明确了氢的能源属性以及我国氢能产业发展定位、总体要求、发展目标、具体任务、保障措施。

内蒙古自治区氢能产业发展路线图包括氢制备、氢储存、氢运输、氢加注、氢应用全产业链。氢是内蒙古的优势资源，尽管绿氢占比很小。氢应用主要是氢燃料电池汽车、燃料电池分布式电站、风光氢储多能互补系统、燃料电池备用电源、家用热电联供系统、其它工业应用等场景。

氢能利用产业链包括上游制氢、中游储运、下游应用三个主要环节。氢能实用化需要解决的技术问题有制氢、储存和运输、能量转化（应用）。

制氢是将存在于天然或合成的化合物中的氢元素，通过化学过程转化为氢气。根据原料不同，氢气的制备方法可以分为非再生制氢和可再生制氢，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物质。主要有五种技术路线，每种技术的成本及环保属性都不相同。全球目前的氢气产量中，近99%的氢气制造仍然高度依赖天然气和煤等化石燃料，其中来自天然气的氢气产量占到76%。按照生产来源：使用可再生能源电解水得到的氢气，是零排放的，也被称为“绿氢”；以化石能源为原料，通过蒸汽甲烷重整（SMR）或自热重整（ATR）等方法制造的氢气，被称为“灰氢”，成本较低，但是碳强度较高；在甲烷蒸汽重整与自热重整制氢过程中增加碳捕捉和贮存环节（CCS），这样制出的氢气被称为“蓝氢”，可以降低碳排放量，但无法消除所有碳排。未来氢能产业中绿氢比例将会逐步提高，日本目前的绿氢比例超过50%。随着新能源电价的降低，绿氢的成本也将大幅度下降，按目前光伏发电价格0.1 元/KWh，碱性电解水的价格可以降到10元/千克以下，质子膜（PEM）电解水的价格可以降到20 元/千克，具备了市场竞争力。

氢气密度仅为0.0899kg/m3，只有空气的1/14，是世界上密度最小的气体，因此其高密度储存是一个世界级难题。氢能的存储和输运有以下方式：低温液态储氢、高压气态储氢、固态储氢和有机液态储氢等，各有优点和缺点，如表1 所列。

高压气态储氢是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术，其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里，优点是结构简单、压缩氢气能耗低、充装和排放速度快。致命的弱点是体积比容量低，DOE 的目标体积储氢容量70 克/升，而钢瓶目前达到的体积比容量仅有40 克/升。

表1 储氢方式及其特点

低温液态储氢不经济：液态氢是将氢气深冷至-253℃以下液化，密度是气体氢的845 倍，质量储氢密度可以达到5.7%。液态氢便于替换传统能源，储运简单，体积占比小。但制取液氢的能耗较大（液化相同热值的氢气耗电量是压缩氢气的11 倍以上，约占成本60%左右），液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器，储存容器需要抗冻、抗压以及必须严格绝热。所以这种方法仅适用于不太计较成本且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。

有机液体储氢是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应来实现储氢。有机液体具有高的质量和体积储氢密度。现常用材料环己烷和甲基环己烷等在常温常压下呈液态，与汽油类似，可用现有管道设备进行储存和运输，安全方便，并且可以长距离运输：催化加氢和脱氢反应可逆，储氢介质可循环使用。不足之处：技术操作条件苛刻，加氢和脱氢的配置较高，脱氢反应需在低压高温非均相条件下，受传热传质和反应平衡极限的限制，脱氢反应效率较低，且容易发生副反应，释放的氢气不纯，而且在高温条件下容易破坏脱氢催化剂的孔结构，导致结焦失活。

固态储氢方式能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方式的不足，且具有储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全等优点，特别适合对体积要求较严格的场合，如在燃料电池汽车上的使用，是最具发展潜力的一种储氢方式。储氢合金的存储体积密度普遍高于液氢，主要是因为储氢合金形成氢化物后，氢的相对密度大于液氢。由于储氢合金安全、无污染、可重复利用等优点，目前主要应用于潜艇、船舶等需要配重及港口等对重量不敏感的大型器械方面。

可在通常温度及压力条件下可逆、快速、大量吸/放氢的固态储氢介质是稀土系储氢合金。稀土储氢合金是由A、B 两类元素按一定的化学计量比组成的金属间化合物，基本组成包括AB2、AB3、A2B7、A5B19、AB4、AB5 型，A 为氢键合能力强的稀土元素（一般以La 元素为主，其它稀土元素用于调整吸/放氢特性），B 为氢键合能力弱的非稀土元素（一般以Ni 元素为主）。其中，AB2、AB5型合金为单一晶格结构，AB3、A2B7、A5B19、AB4型合金是由AB2、AB5 型亚单元构成的超晶格结构。目前广泛应用的AB5 型LaNi5 基储氢合金的重量储氢密度一般为1.4%左右，我国“十四五”国家重点研发计划“稀土新材料”重点专项提出开发高能量密度稀土储氢材料，有效储氢容量超过1.7 wt%，进一步超过2 wt%。尽管如此，稀土储氢合金的重量储氢密度仍然低于其它几种储氢方式，有必要利用稀土元素独特的性能研究开发稀土改性轻金属氢化物、化学储氢材料、高比表面积氢吸附材料等。

氢气运输方式有气态、液态、有机液体、管道和固态。气态氢主要使用长管拖车和低压管道运输。液态氢、有机液体氢运输是利用槽罐车等输送。固态氢气运输是通过金属氢化物实现氢气输送。有机液体和固态氢气运输由于技术、成本等条件制约，尚未进入广泛应用阶段。

长管拖车运输储存压力为20MPa，氢气的重量只占总运输重量的1%～2%。经济运输半径为200千米左右。长管拖车在制氢厂一般通过压缩机充装，平均每辆加注时间约8 小时。针对小规模用户，可采用15MPa 压力的氢气钢瓶和氢气集装格运输。

液氢罐车是气氢拖车单车运量的10 倍多，大大提高了运输效率，适合大批量、远距离运输。缺点是液氢储存、输送过程均有一定的蒸发损耗。国外已有广泛应用，某些地区液氢槽车运输超过了气氢运输规模。

2018 年初，由多家日本企业组成的新一代氢能链技术研究合作组（AHEAD）实现了全球首次远洋氢气运输，从文莱生产甲基环己烷、经由远洋运输至日本、再在日本分离氢气，年供给规模达到210 吨，将用于燃气涡轮机发电。德国HT 公司，基于二苄基甲苯为储氢载体LOHC技术。储氢量达到6.23wt%，产品可常规运输，目前LOHC 储氢示范装置已在德国、美国运行。

低压（工作压力1MPa～4MPa）管道运氢适合大规模、长距离运氢，比高压运氢能耗更低，但由于氢脆现象，管道材料有特殊要求，因此管道建设的初始投资较大。我国的输氢管道仅有100 公里，目前在天然气管网中掺混氢气（≤20%），运输结束后提纯氢气。根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》所制定的氢能产业基础设施发展路线，到2030 年，我国燃料电池汽车将达200 万辆，同时将建成3000 公里以上的氢气长输管道。成本最低的管道运输是未来发展方向。在0～1000 千米范围中，管道运输的成本最低。运输距离在250 千米内时，长管拖车运输成本低于液氢槽车，超过250千米则后者更具成本优势。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》提出了未来氢能运输环节的发展路径：在氢能市场渗入前期，氢的运输将以长管拖车、低温液氢、管道运输方式因地制宜、协同发展。中期（2030 年）氢的运输将以高压、液态氢罐和管道输运相结合，针对不同细分市场和区域同步发展。远期（2050 年）氢气管网将密布城市、乡村，成为主要运输方式。

氢气运输过程中的安全问题：氢气无毒；扩散迅速；遇雷电、静电、明火或温度达到700 ℃就可以燃爆。但除非密闭空间，不会产生严重后果。氢气运输的效率和经济性需要综合考虑能量效率、运输量、运输里程和氢的损耗。全球氢气输运的趋势是通过增加单次运输的氢气量来提高运营效率。美国Hexagon Lincoln 已开发25MPa 的IV 型容器，并实现管束车商业化装配，储氢量可提升至885 公斤。林德公司开发了一种50MPa 复合材料压力容器（垂直加载），单次最多能运输1.1 吨氢气。

在用氢方面，国际氢能委员会的预测，2050 年全球氢能源消费占比达到18%，市场规模超过2.5万亿元。氢能是唯一可同时用于交通、储能、发电等领域的新能源。

中国目前年产氢气2000 万吨，其中50%用于石油和煤化工领域，45%用于合成氨，即主要集中在传统应用领域。《氢能产业发展中长期规划（2021～2035 年）》的发展目标是：初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系；燃料电池车保有量约5 万辆，部署建设一批加氢站，实现可再生能源制氢量10～20 万吨/年，实现二氧化碳减排100～200 万吨/年。

氢能可实现可再生能源补充发电。近几年，以德国为首的西欧国家正尝试电转气（Power to Gas,P2G）模式：第一步是利用风能和太阳能等可再生能源产生的电能电解水制取氢气；第二步是氢气与二氧化碳反应制备甲烷，再通过天然气管道与天然气混合储存运输，或者直接将制得的氢气与天然气按一定比例混合后，再通过天然气管道进行储存运输。截至2016 年1 月，欧洲地区已经建成了50 个P2G 示范项目。到2050 年，高比例风能和太阳能并网将使储能需求显著增长，将可再生能源制氢与储氢相结合，可以为能源系统提供长期的季节灵活性。

以氢燃料电池为核心的分布式能源网络可提高能源利用效率。以太阳能/风能制氢，应用稀土储氢材料等固态储氢介质，依托氢燃料电池技术，建立分布式能源网络，做到区域或城市电力、热能和冷能的联合供应。稀土储氢材料的体积能量密度高，燃料电池自身的能源转化效率高，且分布式能源系统的能源输送距离短，以氢燃料电池为核心的能源网络的能源利用率明显高于传统能源网络。

日本家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）与将化学能转化为电能的其他单阶段过程（例如燃气轮机）相比，燃料电池的电效率更高（32%至70%）。目前丰田Mirai、现代iX35 以及本田Clarity燃料电池汽车已实现商业化生产。

2016 年，我国氢阳能源推出全球第一辆采用液态有机供氢技术的燃料电池大巴（泰歌号）工程样车，并随后陆续与江淮汽车、扬子江汽车推出星锐号、氢扬号客车。2018 年还与湖北三环集团合作研制成功基于同样技术的燃料电池物流车“新氢卡”。2021 年3 月1 日，内蒙古首台氢燃料电池商用车在包头市下线。100 千瓦级氢燃料电池环卫重卡，由北奔重汽和上海交大共同研制开发。配置4×210L的储氢气瓶，40Ah 的镍氢动力电池，一次加注氢燃料可续航350km 以上。

未来氢在我国终端能源体系占比至少要达到10%，成为我国能源战略的重要组成部分。氢能将纳入我国终端能源体系，与电力协同互补，共同成为我国终端能源体系的消费主体。基础建设是发展氢能经济的突破口，以加氢站为例，其前期投资巨大，单个产业和个体企业无法独立承担。充分利用我国丰富的稀土、钒钛资源开发不同平台压力的储氢合金材料，研制不同输出压力的金属氢化物-氢压缩机（MHHC），有望降低加氢站的建设成本。