一文看懂未来或将主宰能源世界的氢能

　　氢能已经成为时下能源圈的热点话题，虽然氢能具有取之不尽、高效和清洁等众多优点，但是安全和高成本也同样让普通人对氢能望而却步。今天我们就借这篇文章为还不了解氢能的能豆粉们科普一下氢能那些事儿。

　　18世纪60年代欧洲开始工业革命（TheIndustrial Revolution），化石燃料（原煤、原油和天然气）就成为人类主要利用的一次能源，并且消费量逐年增高，从而造成环境污染以及全球气候暖化。尽管这种现实目前还无法改变，但清洁能源以快速增长取代化石燃料，将逐步走向清洁的氢能时代。

　　在宇宙诞生时，就存在氢和氦。氢为95%，氦为4%，1%为重阳子。当星球发生核聚变反应，生成了较重的元素，氢降低到90%，其他元素则增加，因此，氢是地球上最多的元素。

　　氢（Hydrogen）是元素周期表中第一位元素。化学式H2，无色无味的气体。很难液化（沸点－252.870C，临界温度－239.90C），凝固点－259.140C。化学性质活泼，能燃烧，能与许多金属和非金属直接化合。

　　利用液态氢可以获得低温，也可作高速火箭的燃料，氢也是燃料电池的能源。氢存在于自然界中的水、烃类等化合物中，但氢不能以一种单独的资源形式存在于地球上，所以不是一次能源。

　　氢能时代

　　氢能时代（HydrogenEra）以氢能作为主要能源的时代，将是一种理想的能源时代。氢能时代是以天然气作为过渡能源，向氢能时代逐步发展。氢能将是人类社会远期主要的、绝对清洁的能源。

　　未来的氢能社会应具有以下特点：

　　氢能以极高的转换效率（50～90%）转化为电能，以氢气作为替代化石燃料的能源。石油、煤炭、天然气将不再作为能源使用，而是作为化工原料。

　　各种类型的氢燃料电池就地部分替代大电网运输，向用户供电。

　　用以氢燃料电池为动力的汽车代替内燃机动力汽车。

　　消除相关的能源污染和噪音源。

　　各用户有完善的能源供应和回收循环系统。

　　氢能经济是人类历史上能量利用率最高的经济社会，是无污染、无噪音的绿色环境。

　　在现有的技术经济条件下，由化石燃料特别是用天然气制取价廉氢。但随着利用可再生能源制取氢的比例不断增加，天然气制氢的作用将不断减小。由可再生能源制取氢是未来的能源体系，而甲烷将起着输送和储藏氢的作用或者作为氢的原料。

　　制氢途径

　　氢能是一种二次能源，因为它是通过一定的方法利用其他能源来制取的。在自然界中，氢（H2）和氧（O2）结合成水（H2O）而存在的，必须采用热分解或电解的方法分离出来氢。

　　分离方式很多，可以采用化石燃料、核燃料或再生能源分离方式，简言之，一次能源都可以分离水的氢和氧，但采用化石燃料燃烧所产生的热或所转换成的电能来分解水制氢，经济上不可行。

图1 一次能源制取氢的途径

　　1、化石燃料制氢

　　利用化石燃料（以天然气最方便）制氢时，燃料通过与氧或空气作用主要生成氢和一氧化碳，然后在催化反应器里使一氧化碳和蒸汽反应，以产生二氧化碳和更多的氢。这种方式通常应用于生产合成氨和其他化工产品。

　　如丹麦托普索公司（HaldorTopsoe）开发的一种部分氧化制氢法，其工艺过程是将天然气或石脑油与蒸汽的混合物预热到540～6500C，引入到自热反应器顶部，在此与另一股预热过的富氧空气与蒸汽的混合物混合，产生部分燃烧，使温度升高，并在镍（Ni）催化剂作用下完成蒸汽转化反应。温度为930～9800C的合成气通过废热锅炉降温后，再经过变换，二氧化碳脱除和甲烷化等过程，最后获得高纯度氢气。

　　2、核燃料制氢

　　利用核燃料生产氢有两种方式：

　　⑴水电解制氢。核能生产电力，然后水电解产生氢气；

　　⑵热化学循环制氢。该法既可以降低反应温度,又可以避免氢-氧分离问题,而循环中所用的其他试剂都可以循环使用。

　　3、再生能源制氢

　　利用再生能源生产氢有两种方式：

　　⑴水电解制氢。再生能源生产电力，然后水电解产生氢气；

　　⑵蒸汽转化制氢。各种生物质经由蒸汽催化转化制取氢。

　　可再生氢

　　当前全球氢气生产48%来自天然气，30%来自石油，18%来自煤，而水电解只占4%。这里谈及的“氢能”主要指再生能源制取氢，也不排斥核能生产氢，但跟化石燃料制取氢无关。利用可再生能源制取氢是新能源领域的一个研究热点，被称为拯救地球的动力。已经提出了“可再生氢(enewable hydrogen)”的概念，正在开展的研究包括：利用可再生电力电解水制氢、生物质气化和蒸汽转化制取氢、生物质热解制取氢、光电化学法制取氢和太阳能与热化学循环耦合制取氢等。如果在这些生产过程中使用可再生能源或核能制取氢，那么整个制氢流程的二氧化碳排放可以趋向于零。

　　可再生能源如光伏、风电场、海洋能等生产的电力是间歇性的、不稳定的，而且多数在电力需求小的边远地区。如果能够联网直接供给消费地如沿海地区，问题就简单了，当其再生电力无法使用，于是产生“弃风限电”这种现象。图2表示风电场产生的电力过剩，采用电解水产生氢，然后注入燃料电池汽车。电解生产的氢经由压缩机储存在200bar（1bar=0.98692标准气压）的储罐里，以便供应给燃料电池汽车。

图2风电场产生的电力供应给燃料电池汽车

　　氢气储存

　　氢气储能可看作是一种化学储能的延伸，其基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。以风电场制氢储能技术为例，其核心思想是当风电充足但无法联网、需要弃风时，利用风电将水电解制成氢气(和氧气)，将氢气储存起来；当需要电能时，将储存的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。

　　通常所指的氢气储能系统是电－氢－电的循环，且不同于常规的锂电池、铅酸电池。其前端的电解水环节，多以功率（kW）计算容量，代表氢气储能系统的“充电”功率；后端的燃料电池环节，也以功率（kW）计算容量，表示氢储能系统的“放电”功率；中间的储氢环节，多以氢气的体积（标准立方米Nm3）计算容量，储氢环节的容量大小决定了氢储能系统可持续“充电”或“放电”的时长，所以如果想增加电能的储存容量，加大储氢罐的体积或压力即可。

　　已被确认并被使用的氢气储存是经由压缩或液化的纯氢储存；常用的氢气储存是压缩氢气。随着压力的增加，氢密度随之增加。图3表示氢气在不同的压力和温度的条件下储存的密度。

图3 氢气储存密度与压力和温度的关系

　　另外还有两种成熟的氢气储存技术：

　　1、地下储存氢（Undergroundhydrogen storage）是在地下洞穴、盐丘和枯竭的油气田储存氢气。ICI（英国帝国石油公司）把大量的氢储存在地下没有发生任何困难，大量液态氢储存可作为电网储能使用。地下储存氢往返效率约40%（抽水储能为75～80%），其费用高于抽水储能，但地下储存氢气仍被采用，其原因是初次建设费用低，容量大。

　　 2、电转气（Power to gas，简写P2G）是将电能转化为气体燃料的技术，解决再生能源电力储存的难题的一项技术。目前采用三种方式，但所有的方法都是借助于电力将水分解为氢和氧。

　　第一种方法是将所产生的氢气输入天然气管网作为交通运输燃料或工业利用。

　　第二种方法是将氢和二氧化碳相结合，把这两种气体采用甲烷化反应如萨巴捷反应（Sabatierreaction）转化为甲烷（天然气），或者采用生物甲烷化，但会造成8%额外能量损失，然后输入天然气管网。

　　氢气储存仍然处于研究之中

　　燃料电池汽车是未来汽车发展的方向。燃料电池汽车氢储存有三种方式；

　　压缩后储存在高压容器中；

　　液化后储存在绝热容器中；

　　与某些金属及合金化合后以固体氢化物储存。在这种储存方法中，金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，储氢效率高。

　　目前，世界上三种储氢方法都有试验样车。如美国迈阿密汽车使用压缩氢气；加利福尼亚公共汽车使用氢化物储存氢；德国的一些示范公共汽车使用液态氢。

　　要使氢能达到规模化的商业应用其关键问题是：

　　⑴制氢技术。由于氢是一种二次能源，现有的制氢技术能耗大，效率低，价格昂贵。

　　⑵安全可靠的储运方法。由于液氢温度很低（－253摄氏度），易气化、着火、爆炸，因此需解决氢能的储存和运输问题。

　　因此，氢气储存技术的研究一直在进行中，名目繁多，其中储氢合金特别值得关注。

　　利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。在一定的温度和压力条件下，储氢金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。然后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这种会“吸收”氢气的金属，称为“储氢合金”。

　　储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍，也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。

　　由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气的钢瓶，又不需存放液态氢极低的温度条件，需要储氢时，使合金与氢气反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来。因此储氢合金是一种简便易行的理想储氢方法。

　　储氢合金主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。

　　结 语

　　氢能的吸引力在于高效和清洁，大大减少温室气体排放，而且可以利用多种能源生产。氢资源丰富，但是必须从水或者烃类中制取，这需要消耗大量能源。因此，使用氢能源必须综合考虑氢能的生产、输送和消费的成本以及温室气体的排放。

　　虽然表面上，氢是取之不尽，用之不竭的能源；但实际上此进程既艰难又漫长。氢是二次能源，在氢能成为可行的燃料之前，必须面对许多挑战，其中包括安全问题以及生产和输送的高成本问题。

　　 在今后较长时间内，以每公里行驶里程所用燃料费用计算，氢气的生产和输送费用是汽油的两倍。使用可再生能源制氢的成本和投资最大，而使用天然气制氢的成本最低，但天然气和氢气的基础设施是不兼容的，因此也还会造成投资增大。

　　人们对使用可再生能源制氢的研究一直在进行，因为使用可再生能源制氢并用作燃料的全过程都实现了“零排放”，但是生产成本很高。目前，美国可再生能源制氢的平均成本，如果用风能，成本为汽油的5倍，如果用太阳能，成本就为汽油的17倍；此外，土地需求量也很大。

　　未来的能源形式已经提出多种，如甲醇经济时代、乙醇经济时代、以光伏发电为主的“第三次工业革命”、全球能源互联网、氢气时代等。未来能源是以多元（种类）化、多源（渠道）化发展，究竟未来哪种能源主宰世界，其关键是环境和谐和成本价格。（【无所不能专栏作家，庞名立，曾在中国计量科学院（北京）和中石油（四川）工作。著有多本石油和天然气书籍。】）