世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)調(diào)研

世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)調(diào)研王寒【摘要】化石燃料是目前能源消費(fèi)的主體，隨著能源需求的不斷增大，能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問題日趨嚴(yán)重，氫能因其取之不盡、高效、零污染的特性逐漸受到重視.氫能作為一種可持續(xù)發(fā)展的新型能源，其發(fā)展前景不可估量,但氫能的實(shí)際推廣應(yīng)用現(xiàn)狀并不理想，氫能的廉價(jià)制取及其安全儲(chǔ)存運(yùn)輸則是制約其發(fā)展的主要原因.主要對(duì)世界范圍內(nèi)氫能發(fā)展利用現(xiàn)狀趨勢(shì)及對(duì)石油工業(yè)的影響進(jìn)行調(diào)研，針對(duì)當(dāng)前形勢(shì)提出在能源發(fā)展過渡階段我們?cè)诜e極發(fā)展傳統(tǒng)化石燃料的同時(shí)，也應(yīng)抓住機(jī)會(huì)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮問題積極發(fā)展氫能等新型能源.【期刊名稱】《當(dāng)代化工》【年(卷)，期】2016(045)006【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P1316-1319)【關(guān)鍵詞】氫能;新能源;發(fā)展現(xiàn)狀【作者】王寒【作者單位】中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京102249【正文語種】中文【中圖分類】TK911世界氫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及前景1.1世界氫能開發(fā)利用現(xiàn)狀美國(guó)GM公司于1970年就提出了氫經(jīng)濟(jì)的概念。1995年以來，逐年嚴(yán)重的環(huán)境惡化、對(duì)污染物排放量的要求、降低對(duì)進(jìn)口石油的依賴性、對(duì)可再生電能儲(chǔ)存及供應(yīng)的需求等都直接或間接的促進(jìn)了氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展［1］。氫能是一種新型能源，與傳統(tǒng)化石燃料相比，具有零污染、利用率高、危險(xiǎn)系數(shù)小、儲(chǔ)量充足的優(yōu)點(diǎn)，是人們寄予厚望的替代能源。雖然目前已經(jīng)有很多氫能應(yīng)用在取暖、發(fā)電等方面的實(shí)例，但氫能在日常生活的交通工具上的應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)。早在1960年左右中國(guó)就開始了對(duì)氫能的研發(fā)工作，為了發(fā)展我國(guó)的航空航天許多國(guó)內(nèi)學(xué)者在獲取可用于火箭燃料的液氫以及氫氧燃料電池的研發(fā)方面做了很多努力也取得一定的成果。21世紀(jì)以來我國(guó)政府多次將氫能列入能源發(fā)展規(guī)劃，以達(dá)到加速我國(guó)氫能發(fā)展進(jìn)程，促進(jìn)氫能商業(yè)化的目標(biāo)。在交通運(yùn)輸、軍事、能源以及航空中氫能都有其用武之地。氫能源的利用有熱化學(xué)方法，即燃燒，也有被稱為電化學(xué)的方法。隨著燃料電池技術(shù)的飛速發(fā)展，依托其發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)尤其是燃料電池領(lǐng)域?qū)⒊蔀闅淠芮鍧嵗玫淖钣欣C明，而與之相關(guān)的一系列氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)則是該產(chǎn)業(yè)是否能持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它還可以作為一種能源載體進(jìn)行開發(fā)利用。例如近年來發(fā)展形勢(shì)大好的風(fēng)能和太陽(yáng)能等可持續(xù)發(fā)展型能源，由于不穩(wěn)定性而出現(xiàn)電力上網(wǎng)難的問題，使能源利用率極低，成了他們進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。用剩余電量通過電解法制氫，可以有效改善棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，制得的氫既可以直接應(yīng)用到所需領(lǐng)域，也可以與天然氣摻混后經(jīng)由其管網(wǎng)混合運(yùn)輸后再進(jìn)行應(yīng)用［2］。氫能作為清潔能源的應(yīng)用最主要體現(xiàn)在其燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用，人們也寄希望于它能解決日后能源危機(jī)問題。我國(guó)汽車企業(yè)的氫燃料電池技術(shù)與國(guó)外技術(shù)先進(jìn)的車企相比相對(duì)落后，其中延長(zhǎng)電池壽命及降低生產(chǎn)成本是國(guó)內(nèi)車企急需提高的部分。毛宗強(qiáng)在接受采訪時(shí)曾說，我國(guó)在推動(dòng)氫燃料電池汽車的發(fā)展上仍有很多不足，加氫站沒有相對(duì)完善的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；我國(guó)缺少對(duì)車用加氫站詳細(xì)的建設(shè)籌劃，在氫燃料電池車上也需要一個(gè)更加明確的發(fā)展路線；國(guó)家沒有相對(duì)成熟的專門機(jī)構(gòu)促進(jìn)氫能源發(fā)展，〃中國(guó)氫能與燃料電池協(xié)會(huì)”有望通過參與政府氫能規(guī)劃進(jìn)而推動(dòng)行標(biāo)制定并最終完成氫能產(chǎn)業(yè)化。根據(jù)和訊網(wǎng)報(bào)道［3］，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)正面臨困境，國(guó)內(nèi)氫能源市場(chǎng)并未真正啟動(dòng)，缺乏資金投入。在這種形勢(shì)下，許多民營(yíng)企業(yè)改變發(fā)展戰(zhàn)略，期望借助大型企業(yè)的實(shí)力擺脫困境，這當(dāng)中也有一些企業(yè)因缺少資金支持而破產(chǎn)。氫能產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)未能實(shí)現(xiàn)，企業(yè)難以獲得收益，同時(shí)可用資金也制約了技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，這些都造成了我國(guó)氫能企業(yè)目前的艱難困境，也正因?yàn)檫@樣國(guó)內(nèi)至今都沒有較成型的氫能源企業(yè)。國(guó)內(nèi)氫能源產(chǎn)品不能讓投資者看到回報(bào)是其難以得到資本市場(chǎng)認(rèn)同的主要原因。因此氫能企業(yè)的發(fā)展重心應(yīng)該放在產(chǎn)品的商業(yè)化推廣上。施濤認(rèn)為，氫能源產(chǎn)業(yè)鏈的貫通對(duì)其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要。面對(duì)發(fā)展困境，國(guó)內(nèi)許多的氫能公司調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，將氫能源的技術(shù)研發(fā)轉(zhuǎn)移到相對(duì)容易完成商業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)更有利于企業(yè)發(fā)展的備用電源上［3］。燃料電池發(fā)展方面，中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016年中國(guó)氫能現(xiàn)狀調(diào)研及市場(chǎng)前景走勢(shì)分析報(bào)告認(rèn)為［4］，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)問題雖然已基本解決，但是燃料電池技術(shù)仍有繼續(xù)深入研究的必要以保證技術(shù)的最大成熟化。目前政府應(yīng)加大研發(fā)投入力度，給掌握關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)提供資金和融資能力方面的幫助，進(jìn)而使中國(guó)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面占據(jù)領(lǐng)先地位。此外，對(duì)燃料電池主要原材料、零部件國(guó)產(chǎn)化、規(guī)?；a(chǎn)等方面國(guó)家還需要大力投入從而促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)鏈的延伸發(fā)展。除中國(guó)外的其他國(guó)家也在都不同程度地開發(fā)氫能源。美國(guó)對(duì)加氫站的投運(yùn)始于2002年，2009年時(shí)加氫站數(shù)目共有63座，隨后成逐年下降趨勢(shì)，截至美國(guó)能源部2015年7月19日發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，目前處于運(yùn)行中的加氫站數(shù)目?jī)H為41座，處于規(guī)劃之中的有50座，而處于臨時(shí)停用狀態(tài)有2座。美國(guó)能源部在2008到2011三年間［5］，拿出約9億美元的資金用于氫能和燃料電池發(fā)展計(jì)劃。目前，美國(guó)氫能輸送管道約有1500英里，但與縱橫交錯(cuò)的石油和天然氣管道相比，氫能輸送管道的里程卻只有其千分之一。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室2013年計(jì)算了十種不同制氫方式生產(chǎn)成本，結(jié)果顯示〃分布式天然氣重整”是目前現(xiàn)有的技術(shù)條件下最便宜制氫方式，而〃分布式乙醇重整”則是最昂貴的方式。由于一直以來氫能的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用未曾實(shí)現(xiàn)，其產(chǎn)量在過去30多年的時(shí)間里面并沒有明顯的增長(zhǎng)。1982年的產(chǎn)量約為19億ft3/d，到1995年超過30億ft3/d后，此后產(chǎn)能在這一水平維持了約20年，僅有較小幅度的波動(dòng)。加拿大在2010年也同樣大力推動(dòng)過氫能，還專門為溫哥華冬奧會(huì)啟用了一批氫能公交車，但由于運(yùn)營(yíng)成本過高，這些公交車最終淡出了人們的視線。加利福尼亞州2004年曾宣布計(jì)劃建設(shè)加氫站150~200座，但目前僅建成不到30座。自從2010年以來，隨著相比之下性能更好的電池、電動(dòng)汽車和其他可再生能源在全球范圍內(nèi)的推廣，倡導(dǎo)氫能的力量也日漸微弱。早在二十世紀(jì)九十年代末，冰島［6］就曾聲稱計(jì)劃在2030年之前將本國(guó)經(jīng)濟(jì)全面過渡到氫能經(jīng)濟(jì)。冰島化石燃料儲(chǔ)量不足，為滿足本國(guó)人民對(duì)能源及電力方面的需求便大力發(fā)展本國(guó)蘊(yùn)藏豐厚的水力電力及地?zé)豳Y源。冰島重要的汽車業(yè)與船舶業(yè)都離不開以石油為代表的化石燃料，正是進(jìn)口石油的高成本促成冰島氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的形成。冰島電解氫產(chǎn)量每年約為兩千噸，計(jì)劃通過可再生氫替代石油天然氣等化石燃料來為各行業(yè)提供能源［7］。日本一直以來都以構(gòu)建氫能社會(huì)為發(fā)展目標(biāo)，其加氫站密度世界排名第一［8］。日本采用政府主導(dǎo)和立法先行等方式積極推動(dòng)氫能源產(chǎn)業(yè)在本國(guó)的發(fā)展，通過立法的方式來體現(xiàn)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視，而政策上也給相關(guān)技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)提供可觀的補(bǔ)貼。2015年初，氫能源相關(guān)項(xiàng)目的預(yù)算是401億日元，與2014年相比上漲了236億。加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面日本也毫不遜色,目標(biāo)兩年內(nèi)建成100座加氫站,目前在建的有41座，已經(jīng)完工的有4座。在政府戰(zhàn)略指導(dǎo)下，日本眾企業(yè)也看好氫能源的發(fā)展前景并陸續(xù)投入發(fā)展。豐田、日產(chǎn)等車企在燃料汽車上投入頗多迄今為止，豐田已經(jīng)投入400億日元用于推廣氫氣作為替代燃料；日本國(guó)土交通省2014年開始牽頭開展生物氣制氫的試驗(yàn)，計(jì)劃利用福岡市中部水處理中心產(chǎn)生的污泥來制氫。1.2世界氫能開發(fā)利用前景展望日本政府計(jì)劃通過即將到來的東京奧運(yùn)會(huì)向世界展示其氫能發(fā)展利用情況，到時(shí)奧運(yùn)場(chǎng)館將使用以氫氣為能源的公交車。目前日本政府已經(jīng)聯(lián)合豐田巖谷等企業(yè)開始加氫站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，已經(jīng)建成加氫站十余個(gè)，其目標(biāo)是在整個(gè)日本建成并投入運(yùn)營(yíng)加氫站35座。根據(jù)東芝公司預(yù)測(cè)，到2030年全球燃料電池發(fā)電設(shè)施、燃料電池車以及其他與氫能利用有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施等的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)40萬億日元，到2050年則有望擴(kuò)大到160萬億日元。正是由于日本政府和企業(yè)認(rèn)識(shí)到了氫能源巨大的市場(chǎng)潛力，才會(huì)大力發(fā)展氫能源，希望通過可再生能源制氫進(jìn)而掌握國(guó)際氫能源領(lǐng)域的制高點(diǎn)并搶占商機(jī)。除了氫能汽車及加氫站外，東京政府正規(guī)劃氫能快速公交系統(tǒng)，氫能輪船及水上巴士應(yīng)用于運(yùn)輸旅游部門，并在奧運(yùn)村和體育館安裝燃料電池。日本川崎重工計(jì)劃構(gòu)建液態(tài)氫能供應(yīng)鏈，氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)則是其開發(fā)的重心。川崎重工最新制氫計(jì)劃瞄準(zhǔn)了蘊(yùn)含大量褐煤的澳大利亞LatrobeValley煤礦，希望通過褐煤產(chǎn)氫，提高褐煤利用價(jià)值同時(shí)降低制氫成本。預(yù)計(jì)規(guī)模化產(chǎn)氫后，這些褐煤產(chǎn)生的氫氣可以供30萬氫能汽車?yán)?，而氫氣的生產(chǎn)成本同時(shí)也會(huì)減半，制氫站點(diǎn)最早將于2017年建成，每天可產(chǎn)20噸氫氣。據(jù)世界能源網(wǎng)工程估計(jì)[1]，日本通過可再生能源生產(chǎn)氫能產(chǎn)品約為210g-Nm3/ao根據(jù)國(guó)際能源署IEA預(yù)計(jì)，14年之內(nèi)插電式汽車、純電動(dòng)汽車仍會(huì)是全球新能源汽車市場(chǎng)的主力。預(yù)計(jì)到2030年氫燃料電池汽車約占全球汽車銷售總量的2%~3%[9],到2050年之前的未來二十年間，三種新能源汽車的發(fā)展優(yōu)先性及市場(chǎng)格局會(huì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中氫燃料電池汽車的比重會(huì)略有增加，同時(shí)加氫站的投建規(guī)模也必將隨之變化。中國(guó)目前并沒有針對(duì)氫能的發(fā)展政策，只是對(duì)新能源汽車做了一些規(guī)劃，加強(qiáng)基礎(chǔ)加氫站設(shè)施的建設(shè)將成為我國(guó)未來發(fā)展的趨勢(shì)。2國(guó)內(nèi)外氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)氫能作為眾所周知的新型能源，但實(shí)際應(yīng)用中卻存在一些困難：一是目前制氫還是要依賴于存量有限且會(huì)造成環(huán)境污染的化石能源，而且整個(gè)制氫過程耗能很大，目前制氫效率并不高。如何開發(fā)廉價(jià)的制氫方法顯得尤為重要，也是氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸所在。二是現(xiàn)存儲(chǔ)存及運(yùn)輸氫氣的方法不夠安全可靠。因?yàn)闅渚哂腥菀讱饣?、著火、爆炸的性質(zhì)，如何將制得的氫與需求用戶有效對(duì)接而不產(chǎn)生危險(xiǎn)，成了限制氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。氫氣作為一種常用的工業(yè)氣體，依據(jù)生產(chǎn)原料、能量來源、設(shè)備、生產(chǎn)成本情況，以及對(duì)氫氣純度和用量等方面的要求，可有以下幾種制備方式：電解制氫，水煤氣轉(zhuǎn)化法，烴類裂解法，烴類蒸氣轉(zhuǎn)化法。氫氣在工業(yè)生產(chǎn)中常以副產(chǎn)物的形式存在，加以提純處理后也可作為一種制氫途徑，例如釀造工業(yè)中用玉米發(fā)酵丙酮、丁醇時(shí)，發(fā)酵罐的廢氣經(jīng)多次提純后可生產(chǎn)氫。當(dāng)前形勢(shì)下，很多國(guó)家都正積極探索能用最少的資金投入制取大量氫氣的方法。學(xué)者們使用太陽(yáng)能并結(jié)合相應(yīng)催化劑的手段分解H2O進(jìn)而制得H2。日本一直以來都致力于構(gòu)建氫能社會(huì)，其采取的制氫方法多種多樣，從利用天然氣、污泥、褐煤到電解水等手段。有專家指出［10］，我們應(yīng)善于有效利用工業(yè)中以副產(chǎn)品形式出現(xiàn)的氫，比如利用焦?fàn)t煤氣制氫，我國(guó)盛產(chǎn)焦?fàn)t煤氣，內(nèi)地大部分省都有煉焦工廠；再有就是利用相對(duì)不那么集中的二次能源來獲取氫氣。有學(xué)者［11］認(rèn)為氫氣作為一種高效環(huán)保的能源至今沒有大規(guī)模推廣，氫氣大容量?jī)?chǔ)運(yùn)的問題就是關(guān)鍵。周鵬等人［12］指出，氫的存儲(chǔ)對(duì)于氫能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化至關(guān)重要，常見的有物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫，而后者較為安全將成為未來儲(chǔ)氫材料發(fā)展的重點(diǎn)，其主要包括金屬氫化物，配位氫化物和有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫方法，而這三種方法也各有利弊。作者還指出，氫材料的研究近年來成果顯著，但仍存在一些問題，如儲(chǔ)氫容量、工作溫度、可逆循環(huán)性能等方面還有待于提高。除此外，還有文獻(xiàn)指出［13］可以通過生物酶催化CO2加氫的方法制得的甲酸鹽來完成氫能儲(chǔ)運(yùn)。氫氣能夠以氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)儲(chǔ)氫材料等方式輸送，其中液化法已成為大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)氫能產(chǎn)品的主要方法。有學(xué)者［14］已經(jīng)研發(fā)了一套無氫運(yùn)輸體系，該體系先通過一些措施讓氫以某種液體的形式存在，將其輸送到需求用戶后再制取氫，進(jìn)而改善低效運(yùn)輸問題，但這種方法的可行性還有待于進(jìn)一步證明。日本將目標(biāo)投向開發(fā)氫的長(zhǎng)距離運(yùn)輸技術(shù)，千代田化工建設(shè)正在研發(fā)將液態(tài)氫通過甲苯儲(chǔ)存的技術(shù)，使常溫常壓運(yùn)輸氫成為可能，還成立了以該技術(shù)為支撐發(fā)展的氫燃料公司。3氫能與石油工業(yè)2008年以前國(guó)際油價(jià)處于低迷期，很多國(guó)際石油企業(yè)積極發(fā)展包括氫能在內(nèi)的新能源，以尋求新的商機(jī)。有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道了部分國(guó)際石油公司氫能源發(fā)展情況［15］，BP和Shell兩家跨國(guó)石油公司立足于氫能的研發(fā)和改革技術(shù)，分別于1998和1999年先后成立了不同性質(zhì)的商業(yè)單位開展氫能研發(fā)工作。BP和Shell公司的研究包含全世界范圍內(nèi)的氫能研究計(jì)劃，其中Shell公司對(duì)氫能汽車市場(chǎng)頗感興趣，BP-直與美國(guó)和歐洲的兩個(gè)全球最大氫示范項(xiàng)目保持合作關(guān)系，在制氫和汽車加氫站試運(yùn)營(yíng)方面經(jīng)驗(yàn)豐富并參與了許多的氫能示范項(xiàng)目。除了上述以石油為主業(yè)的企業(yè)，Stuart能源系統(tǒng)、LindeAG以及空氣產(chǎn)品與化學(xué)品公司的業(yè)務(wù)范圍也拓展到氫能的零售。2008年后國(guó)際油價(jià)大漲，再加上2010美國(guó)頁(yè)巖氣的突破進(jìn)展使得國(guó)際石油企業(yè)重新將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向油氣業(yè)務(wù)。各石油公司能源戰(zhàn)略調(diào)整都有偏向綜合性能源的發(fā)展趨勢(shì)且都以利益為導(dǎo)向。對(duì)于各石油企業(yè)來說，準(zhǔn)確把握能源發(fā)展走向顯得尤為重要，一方面要保證傳統(tǒng)能源發(fā)展并尋求突破，另一方面也要積極投資新能源領(lǐng)域，提早適應(yīng)可能的能源結(jié)構(gòu)變化和能源競(jìng)爭(zhēng)，為企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做好準(zhǔn)備工作。［1］中國(guó)新能源與可再生能源網(wǎng).世界氫能研發(fā)及其政策［EB］.2005(12).[2]趙永志，蒙波，陳霖新，等.氫能源的利用現(xiàn)狀分析[J].化工進(jìn)展，2015,34(9):3248-3255.[3]張慧.氫能源產(chǎn)業(yè)困境[J].中國(guó)能源，2013(4):57-59.[4]2016年中國(guó)氫能現(xiàn)狀調(diào)研及市場(chǎng)前景走勢(shì)分析報(bào)告[R].[5]張聰.世界氫能技術(shù)研究和應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油石化節(jié)能，2014(8):56-59.[6]Jone.W.Ogden,Davi