氢能源的利用现状分析

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2015年第34卷第9期·3248·化工进展氢能源的利用现状分析赵永志1，蒙波1，陈霖新2，王赓3，郑津洋1，顾超华1，张鑫1，张俊峰1（1浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027；2中国电子工程设计院，北京100840；3中国标准化研究院，北京100191）摘要：氢能是公认的清洁能源，它具有储运方便、利用途径多样、高利用率及来源广泛等特点，可为解决能源危机、全球变暖和环境污染提供帮助。当前，一些发达国家已将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，我国在氢能的研究及产业化方面也投入巨大。本文综合考虑氢能在能源和化工领域的应用，较为全面地总结了氢能作为清洁能源在燃料电池汽车、分布式发电、燃料电池叉车和应急电源，作为能源载体在可再生能源消纳以及作为重要化工原料在油品质量升级和煤制清洁能源各方面的国内外利用现状，分析明确了氢清洁能源的利用是目前推动氢能发展的主要动力，氢能源载体的利用有助于可再生能源和氢能的协同发展，而氢化工原料的利用则是目前最有希望实现氢能规模化利用的有效途径，同时指出氢的制取、储运和燃料电池技术依然是制约氢能发展的关键因素。关键词：氢能；清洁能源；能源载体；化工原料中图分类号：TK91文献标志码：A文章编号：1000–6613（2015）09–3248–08DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.09.007UtilizationstatusofhydrogenenergyZHAOYongzhi1，MENGBo1，CHENLinxin2，WANGGeng3，ZHENGJinyang1，GUChaohua1，ZHANGXin1，ZHANGJunfeng1（1InstituteofProcessEquipment，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，Zhejiang，China；2ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute，Beijing100840，China；3ChinaNationalInstituteofStandardization，Beijing100191，China）Abstract：Hydrogeniswidelyrecognizedascleanenergy.Itcanbestoredandtransportedconveniently，utilizedinmultiplewaysandefficiently，andalsohasrichresources，whichmakesitarealhelpforresolvingenergycrisis，environmentpollutionandglobalwarming.Atpresent，hydrogenisclassifiedasanimportantpartofthenationalenergystructureinsomedevelopedcountries.InChina，enormousinvestmentshavebeenmadeinresearchandindustrializationassociatedwithhydrogen.Inthispaper，hydrogenapplicationsinenergyandchemicalsectorsareconsideredandtheutilizationofhydrogeninChinaandabroadispresented.Hydrogenisusedinfuel-cellvehicles，distributedpowergeneration，fuel-cellforkliftsandemergencypowersuppliesascleanenergy.Itisusedinrenewableenergyconsumptionasenergycarrierandinoilupgradingandcleancoalasfeedstock.Theuseascleanenergyistheprimarywaytopromotehydrogendevelopmentandtheuseasenergycarriercancontributetocoordinateddevelopmentofrenewableenergyandhydrogen.Under收稿日期：2015-02-09；修改稿日期：2015-04-09。基金项目：国家高技术研究发展计划（2012AA051504）及国家自然科学基金（51206145）项目。第一作者：赵永志（1977—），男，博士，副教授，主要从事高压储综述与专论氢、氢安全、化工过程装备及计算颗粒力学方面的研究。联系人：顾超华，硕士，副教授，主要从事先进能源承压设备、极端承压设备方面的研究。[e-mail]。第9期赵永志等：氢能源的利用现状分析·3249·currentconditions，theuseasfeedstockisapromisingwaytoachievelarge-scaleutilizationofhydrogen.Besides，theproduction，storageandtransportationofhydrogenandfuelcelltechnologyarestillthebarrierswhichrestricthydrogendevelopment.Keywords：hydrogen；cleanenergy；energycarrier；chemicalfeedstock煤、石油、天然气等化石能源是当今社会的能源消耗主体，随着消费总量的不断提高，正面临储量减少，开采难度加大，生产边际成本上升的困境。研究认为，2020年之前，全球石油产量将到达顶点，天然气产量的顶点也将在不久之后到达，随之而来的供不应求势必导致世界范围内石油和天然气价格的飞涨。面对这样的能源危机，人们该如何应对？全球变暖和环境污染对能源的使用提出了新的要求，由其导致的超强台风、飓风、海啸等灾害，暴雨、暴雪、高温、雾霾、酸雨等极端天气时有发生，控制温室气体和污染物的排放已迫在眉睫。面对全球日益严峻的减排任务，人们又该如何应对？氢能，是公认的清洁能源，被誉为21世纪昀具发展前景的二次能源[1-2]，它有助于解决能源危机、全球变暖以及环境污染，其开发利用得到了世界范围内的高度关注。本文将围绕氢能的利用展开，在确定氢能的战略定位之后，讨论了氢作为清洁能源、能源载体以及化工原料的应用，较为全面地总结了国内外氢能的利用现状，总结面临的挑战的同时提出涵盖能源和化工领域的氢能发展方式是推动氢能全面发展的重要途径。1氢能的战略定位2001年，在一个由联合国发展计划署发起的论坛上，皇家荷兰壳牌公司的主席菲尔·瓦特说[3]：“石油和天然气是昀重要的矿物燃料，它们曾经把整个世界推进了工业时代，但21世纪它们将为以氢经济为基础的能源新制度革命让出发展空间。”纵观全球，自进入21世纪以来，氢能的开发利用步伐逐渐加快，尤其是在一些发达国家，都将氢能列为国家能源体系中的重要组成部分，人们对其寄予了极大的希望和热忱。氢具有清洁无污染、储运方便、利用率高、可通过燃料电池把化学能直接转换为电能的特点，同时，氢的来源广泛，制取途径多样[4]。这些独特的优势使其在能源和化工领域具有广泛应用，集中表现为3个方面，如图1所示。首先，氢能是一种理想的清洁能源。不管是直接燃烧还是在燃料电池中的电化学转化，其产物只有水，且效率高。随着燃图1氢能源的利用途径料电池技术的不断完善，以燃料电池为核心的新兴产业将使氢能的清洁利用得到昀大发挥，主要表现在氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车和应急电源产业化初现端倪。其次，氢能是一种良好的能源载体，具有清洁高效、便于存储和输运的特点。可再生能源，特别是风能和太阳能在近十年来发展迅猛，但由于本身的不稳定，导致其电力上网难，出现大量的弃风、弃光现象，严重制约了它们的发展。将多余电量用于电解制氢，可大规模消纳风能、太阳能，制得的氢既可作为清洁能源直接利用，还能掺入到天然气中经天然气管网输运并利用。昀后，氢气还是化石能源清洁利用的重要原料。成熟的化石能源清洁利用技术对氢气的需求量巨大，其中包括炼油化工过程中的催化重整、加氢精制以及煤清洁利用过程中的煤制气加氢气化、煤制油直接液化等工艺过程，推进氢能在这些方面的应用有望加速氢能的规模化利用。2以燃料电池为核心的氢能应用氢能是一种理想的清洁能源，其在燃料电池领域的应用是发展氢能清洁利用的关键。燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具有转换效率高、零排放等特点，是昀佳的氢能利用技术。近年来，燃料电池技术的不断完善带动了以燃料电池为核心的新兴产业的快速发展，其中，氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车以及应急电源的应用已接近产业化。化工进展2015年第34卷·3250·2.1氢燃料电池汽车汽车是人类迈向工业时代的重要标志，是社会进步的关键因素。然而，传统车用燃料面临紧缺，且产生的汽车尾气是导致全球变暖和环境污染的主要因素之一，这使得汽车工业找到新的技术以替代传统的燃油技术并降低污染物排放变得尤为紧迫。氢燃料电池汽车（FCEV）可实现真正的零排放、零污染，是传统燃油汽车理想的替代品，也是氢能清洁利用的主要方式，图2给出了一种燃料电池汽车的概念设计图[5]。图2基于本田2005FCX模型的FCEV概念设计图[5]目前，交通用燃料电池的批量生产成本已由2002年的$275/kW降低到2012年的$47/kW[6]，这大大加速了氢燃料电池汽车的推广。2013年3月，现代汽车ix35燃料电池车批产型号在韩国蔚山工厂下线[7]，现代成为全球首个批量生产氢燃料电池车的汽车企业。同年，日本三大车企分别与其它巨头结盟，推进燃料电池汽车的商业化，它们是丰田和宝马、本田和通用、日产和戴姆勒及福特，先后计划于2015—2017年期间实现燃料电池汽车上市[8]，其中，丰田燃料电池汽车mirai已于2014年12月15日正式上市销售[9]。在国内，氢燃料电池汽车开发也紧随其步，在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会及深圳大运会期间都开展了燃料电池汽车的示范项目[10]。特别是2014年3月，上海汽车集团与德国大众汽车签署联合声明，双方将开展燃料电池技术合作，并宣布于2015年推出80辆燃料电池汽车，进入商业化示范阶段[11]。然而，氢的制取与储运、燃料电池性能的提高、以及加氢站的建设等问题仍是制约燃料电池汽车发展的主要因素，在产业初期，仅靠企业一己之力很难取得长足进步，还需很大程度依靠政府部门相关政策颁布及资金投入方面的支持。2.2分布式发电分布式发电一般是指靠近昀终用户或者就在昀终用户处（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人住户）的集成或者单机的小型发电装置。它具有利用技术种类多、发电规模可大可小、设备容易安装及可满足不同需求等优点，可为工业、商业和住宅的供电问题提供解决方案。目前，以燃料电池为主的分布式发电已在欧美日韩等发达国家和地区开始初步商业化。其中，日本的家用燃料电池发展领先于世界，截至2013年10月，家用燃料电池热电联供系统（CHP）安装量已达57000套，单套售价也已从2009年的350万日元降至今日的200万日元左右，有望至2016年降至（70～80）万日元，到时可完全实现商业化[8]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）和磷酸型燃料电池（PAFC）是现有家用CHP昀常用的燃料电池类型。CHP的安装方式主要分为两类，即离网和并网安装，前者为避免受负载波动的影响，使得系统的复杂性和价格提高，而后者可在用电高峰阶段实现电网补充供电，当用电量较少时可向电网输入多余电量，为了得到更高的效率，热存储单元对于两者都是不可或缺的，图3给出了并网安装的家用CHP示意图[12]。此外，燃料电池在工业生产过程领域的应用正在