环保视角下氢能产业发展研究

张保华

摘要：20世纪50年代以来，世界各国都把节能减排和环境保护作为重要的产业发展方向，特别是“温室效应”、“低碳经济”理念的推广，由于氢能利用的最终生成物是纯净、无污染的水，符合各国低碳经济和环保政策需求，氢能的利用就显得更为重要。在环保的视角下，氢能的利用存在诸多约束条件下的利润最大化问题，在燃料电池方面，进行氢能商业化利用的研究是有益的，但在“氢发电”或“氢社会”建设方面，其潜在的环境危害需要经过科学验证，逐步开发，切莫急功近利。

关键词：氢能；燃料电池；环境保护；利润最大化

中图分类号：X21 文献标志码：A

前言

氢元素是地球乃至宇宙中最丰富的元素，基础能量密度约是汽油和天然气的3倍，约是现行锂电池的120倍，因此氢能被认为是“21世纪的终极能源”，氢燃料电池被称为是“宇宙黑科技”、“外星科技”。

特别是20世纪50年代以来，世界各国都把节能减排和环境保护作为重要的产业发展方向，认为全球气温升高，形成“温室效应”的主要元凶是人类工业活动过程中产生的二氧化碳，而氢能利用的最终生成物是纯净、无污染的水，所以氢能符合各国的低碳经济和环保政策需求，更是备受关注。《第三次工业革命》作者杰里米·里夫金认为：三次能源革命存在一个规律：碳含量降低、氢含量上升。燃料中碳原子数目与氢原子的比例从固态的煤（1：1），到液态的石油（1：2），再到气态的天然气（1：4），脱碳不断加速、含氢越来越高，这已成为能源开发利用的自然规律和趋势。

中国国家发展改革委和国家能源局制定的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》也把“氢能与燃料电池技术创新”作为重点任务，实现质子交换膜燃料电池（PEMFC）电动汽车的示范运行和推广应用。

那么氢能就真的那么完美无缺，人类对氢能的认识到底有多少呢？

1 文献综述与评价

国内外对温室气体的研究主要集中在温室气体的政府管控、温室气体影响排名以及由此产生的氢能利用范围等方面。2009年12月7日，美国环保署依据《空气清洁法案》，在认真考虑科学证据和广泛征求公正意见的基础上，认为目前以及所预测到的大气中的二氧化碳、甲烷、二氧化氮、氧化亚氮、全氟化物、六氟化硫6中温室气体的浓度危害到当前以及后代人的健康和福利，从而将“温室气体”列为污染物。2009年11月，国家发展和改革委员会发布的《中国应对气候变化的政策与行动-2009年度报告》中指出中国将进一步把应对气候变化纳入经济社会发展规划，并继续采取强有力的措施。

目前各国科学家普遍认为工业的发展导致了二氧化碳、甲烷等气体排放增多，引发了“温室效应”。但比利时皇家气象学院的气候专家吕克·德邦特里代在报告中指出，在人类排放的温室气体中，占总量最多的不是二氧化碳，而是水蒸气，研究证明人类排放的温室气体中有75%是水蒸气。更有研究表明，若以地球温室效应的影响来排名，前四名的气体是：水蒸气（36%-70%）、二氧化碳（9%～26%）、甲烷（4%～9%）、臭氧（3%～7%）。理论分析认为不断增加的水蒸气导致温度不断上升，这又让更多的水蒸气被空气所吸收，温度升高和水蒸气吸收成螺旋式增长，同时水蒸气反馈还能增强其他温室气体的升温效果，因此水蒸气被认为是“被遗忘的温室气体”。

日本政府在2014年4月11口召开的内阁会议上通过了《能源基本发展计划》，明确了二次能源结构的状态以及加速实现氢社会的措施。在能源基本发展计划中，首次出现了“氢发电”。在该基本计划中，对政府的燃料电池、氢事业也提出了数量目标，2030年，家用燃料电池将达到530万台，2015年，FCV用加氢站将达约100个。在发电部门，作为CO2排放少的技术之一，氢发电正在普及，高效率的采用闭路循环的纯氢、纯氧发电也有可能在2050年实用化。氢发电站与现在大部分的、大规模火力发电站一样，基本建在港湾附近，使用罐供给氢的能源载体。中国国家发展改革委、工业和信息化部和国家能源局在《中国制造2025-能源装备实施方案》中也把百千瓦级质子交換膜燃料电池（PEMFC）技术攻关和百千万至兆瓦级固体氧化物燃料电池（SOFC）发电分布式能源系统建设作为主要任务。沈浩明认为，发展氢能和氢燃料电池汽车产业需要发挥举国之力，进一步明确国家战略导向，构建高层次协调机制，在政策层面统一步调、形成合力、做好引导。2016年广东佛山、云浮两地开始投入试运营的氢燃料电池公交车，采购费用约为500万／辆，虽然每辆氢能源汽车能享受国家和地方的购置补贴合计100万元，但价格远高于传统汽车和纯电动新能源汽车。试验认为只有完善氢能产业基础设施，特别是加氢站的建设，才能助推氢能技术产业化发展。

2 研究设计

研究表明，化石燃料产生的烟气中，一氧化氮约占90%以上，二氧化氮约占5%-10%，主要产生原因是燃料燃烧时，空气中氮气在高温下与氧气反应而产生，随着反应温度升高，其反应速率按指数规律增减，当温度小于1500℃时，基本无氮氧化物生成，当温度大于1500℃时，氮氧化物开始生成，每增加100℃，反应速率增大6-7倍。

可想而知，氢能的燃烧也能产生高温，同样存在产生氮氧化物的问题，因此氢能的利用过程中存在环保问题的约束。

在经济学中，研究在约束条件下如何实现利润最大化是非常重要的理论，假设氢能产业收益函数定义为γ（γ）=p（y）y（式中p为商品价格，y为商品种类），环保约束条件成本为c（y），为简化期间，不考虑氢能生产的其他成本，氢能产业的利润最大化问题就可以表示为：

maxγ（γ）-c（y）

s.t.c（y）≥0

它的一阶条件是：

γ（γ）-c'（y）=0

这意味着，在氢能利用最佳处，应是氢能边际收益等于氢能环保边际成本。

对收益函数进行微分，可得到γ（γ）=p（y）+p（y）y，把该式带人厂商的一阶条件，就可达到以下的另外一种形式：

p（y）+p‘（y）y=c（y）

厂商利润最大化问题的二阶条件是：

y”（y）-c”（y）≤0

即：c”（y）≥y”（y）

这意味着氢能环保成本曲线的斜率大于等于氢能边际收益曲线的斜率。

3 实证检验

由于氢能用于发电的实验尚处于研究阶段，无法开展氢能电厂的烟气监测，但可类比现有的燃气轮机发电设备，对利用天然气（甲烷）燃烧发电后的排烟温度和氮氧化物浓度的监测数据，用以判断氢能发电潜在的环保问题。

对某燃气轮机排烟温度和氮氧化物排放浓度的监测数据见表1。

从表1中可看出：当天然气（甲烷）用于燃气发电，存在排烟温度较高和氮氧化物高浓度排放的问题，可以推定，当氢能用于燃气发电，也会存在与天然气发电相同的环保问题。

另一方面，1克氢气燃烧产生9克水蒸气，1克甲烷燃烧产生2.25克水蒸气，即等质量氢气燃烧产生的水蒸气质量是甲烷的4倍。如果全社会全部使用氢能发电，必将在环境中产生大量的水蒸气，假如环境空气中存在细颗粒物（PM2.5）、二氧化硫、氮氧化物、VOCs等污染物，它们与水蒸气结合将形成雾霾，即水蒸气是形成雾霾的重要前体物。

近来更有研究表明，氢气一旦发生泄漏，升到高空后会与臭氧反应，可能会大面积破坏臭氧层，这将使得太阳产生的紫外线通过臭氧空洞直接照射地面对动植物和人类造成伤害。

4 结论

在环保的视角下，氢能作为二次能源，从源头生产、过程利用和末端排放等方面都存在很大的不确定性，在环保诸多因素的约束条件下，氢能如何实现最大化利用，在经济学方面和科技方面都需要深入探究，中国政府开展质子交换膜燃料电池（PEMFC）的研发以及日本丰田汽车公司对氢能的商业化利用，都只是把氢能在燃料电池方面进行了应用，由于电化学反应温度低，且产生的水量较少并呈液态，尚不至于对环境空气造成危害，而一旦氢能用于“氢发电”或“氢社会”建设，其潜在的环境危害需要经过科学验证，逐步开发，切莫急功近利。