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年10月，临港集团氢能专班成立以助力临港新片区氢能产业集聚发展。为系统全面了解氢能产业发展的基本情况，在搜集国内外氢能相关文章的基础上总结了氢能产业发展的概述。（临港集团创新发展研究中心刘尚博）Chapter1低碳战略碳排放造成的气候变化是全人类的生存威胁。年IPCC的成立以及年《联合国气候变化框架公约》的签订显示了全人类携手解决气候变化问题的决心。年，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了年碳达峰、年碳中和的“目标”。氢气，无论是应用于燃料电池还是直接作为燃料燃烧，排放产物都只有水蒸气。水蒸气虽然也是温室气体，但是其在大气中存留时间短，且会形成云层通过减少到地面的辐射形成气候变冷，其气候变暖潜能（GWP）可忽略不计。这样听起来似乎吻合联合国以及中国的低碳战略，但是没有这么简单。氢能源不能简单地归类为清洁（0碳）或者可再生能源。这两个概念一般只应用于一次能源，如太阳能、风能、地热能、水力等。氢气在大气中含量低且质量太小，无法直接捕获，只能通过制备获得，类似电能属于二次能源。我们一般不会把电能归类到可再生能源或者清洁能源，氢气亦然。氢能源清洁与否、可再生与否都和制氢的原料以及方式息息相关。制氢主要有四个方向：化石燃料制氢、电解水、太阳能制氢和生物制氢。化石燃料属于不可再生能源且化石燃料制氢会产生碳排放，明显不符合低碳战略。电解水是人们最熟悉的制氢方法，其原料是水和电。电也是二次能源，因此电解水是否属于低碳、可再生要看电的来源。目前我国超过80%的电力依然来自化石燃料，这也导致现阶段在中国电解水制得的氢气依然不够低碳的标准。但是如果我国严格实行计划，大力发展清洁、可再生一次能源发电，那么电解水制氢也会相应成为清洁能源。太阳能制氢是新提出的制氢方法。太阳能制氢分为集束阳光利用高温分解水的光热制氢和用光伏原理以电化学分解水的光电制氢。这两种技术目前都尚不成熟且效率偏低，目前还在研究阶段，尚没有专门从事太阳能制氢的企业。然而，这两种技术因为其0碳排放的特性以及对可再生一次能源（阳光）的直接使用，被业内看好成为未来制氢的一大趋势。图1：太阳能制氢生物制氢是利用微生物的降解作用制氢的原理，主要有分解生物质以及阳光下分解水两种途径。生物制氢目前效率低下，依然没有广泛商业应用。在我国，目前应用最广泛的依然是化石能源制氢。这意味着至少目前氢能源尚未达到低碳、可持续的要求。接下来的目标是要推广如清洁电力制氢以及太阳能制氢等0碳制氢模式。国内已经有新能源企业开始探索通过光伏发电来制氢。海上风电制氢已经被荷兰、英国等国家提上日程，而上海由于其临海优势也可以开始谋划相关项目。Chapter2技术与应用（一）存储氢气由于其密度小、易扩散、易燃易爆的特点，存储一直是一大难点。目前，存储技术基本分为两大类：物理存储和化学存储。物理存储目前主要有四种思路：压缩气体、低温压缩（低于-摄氏度）、液态存储和地质结构储氢。前三者都需要使用存储罐，地质储氢是将氢气储存于盐穴等地质结构。为了防止氢气逃逸泄露，物理储氢法对于密封性以及容器抗腐蚀性有很大要求。另外，耗能也是一大问题：压缩气体的过程耗能可以达到储存的氢气储能的20%，而液化氢气则需要氢储能的30%。化学储氢法是利用双向化学反应的方式来储氢：在储氢时让氢气与化学物质发生化合反应形成新的化合物，而在需要用氢时则利用逆反应让合成物分解为氢气和原化合物。目前常用的介质有金属化合物、有机液体等。化学储氢法的优势在于可以比物理储氢更好避免泄露，但是由于牵涉可逆反应，稳定性以及氢释放速度不可兼得。另外，化学储氢法氢气的释放慢于物理储氢。目前，不同应用场景根据不同存储方式的特性进行选择。车载储氢罐大多使用压缩气体储氢，库存目前三种物理储氢方式都有使用，地质储氢则适合大规模储氢。化学储氢法目前以有机液体储氢为研究重点，将来用于库存、运输等多用途。（二）应用场景1.储能在即将到来的新能源时代，太阳能、风能等气候资源将成为发电的主力军。然而，太阳能和风能并不持续，而供电需求却是持续的，单纯使用气候资源容易造成电力断供。另一方面，在气候资源充足的时候（如夏天中午、大风天）也会出现供大于求造成电力浪费。而储能技术可以将电力超供时的剩余电力储存起来用于电力供应不足的时候，这对于新能源的发展至关重要。储电也是氢能源的应用场景之一。当电力过剩需要将电力储存起来时，通过电解水制氢储存备用。当电力供应不足时，用储存的氢气通过氢燃料电池发电填补供电空缺。图2：氢燃料电池工作原理氢燃料电池的工作原理是电解水的逆反应：氢气注入系统后在负极在催化剂作用下分解为氢离子（+）和电子。氢离子通过电解质到正极，而电子则通过外部电路达到正极，这就在电路中形成了电子流。空气注入正极，其中的氧气和氢离子、电子在催化剂作用下合成为水蒸气。氢燃料电池原理类似于氢气燃烧，只是以电化学代替燃烧作为反应条件。燃料电池总共有5种：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及固态氧化物燃料电池（SOFC）。

表1：氢燃料电池对比

从表格中可以看出，氢燃料电池储能较灵活，如果分配合理可以满足从个人到家庭最终到整个社区的多种规模储电需求。然而，在每一种规模中，氢燃料电池都面临着竞争和挑战。在个人及家庭使用中，氢燃料电池最优选是PEMFC，而竞争对手则是锂电池。这两种电池共同的优势在于放电快，可以快速补充能源缺口，而且可以常温运行。PEMFC的优势在于其不易衰竭，但是高成本一直是其痛点。PEMFC的催化剂用的是碳支撑的铂，而铂是价格最高的金属之一，在整个燃料电池堆重量占比以千分或者万分计价格却占了将近40%。锂电池相比成本近几年一路走低，而且能量转换效率高达95%，比PEMFC高了30几个百分点。然而，锂电池易衰竭，低温环境会影响其性能，且能量密度低于氢。对于个人和家庭储能，成本会在消费者心中占重要地位。因此，锂电池会持续占据领先。而接下来就是PEMFC和蓄电池的技术突破赛跑：PEMFC需要找到更廉价的催化剂以降低其成本，而蓄电池则需要找到方式延缓衰竭并增加能量密度。在大规模使用中，氢燃料电池的代表是MCFC和SOFC，需要面对机械能储能的竞争。机械能储能的原理是机械能转化。在储电时，电能推动重物或水累积势能；放电时，势能转化为动能带动涡轮发电。机械能储能转化效率在80%上下，而MCFC和SOFC配合蒸汽涡轮转化效率可以达到85%，相差不大。三者也都存在放电慢的缺点。然而，机械能储能对地势有一定要求，需要大型设施且难以搬迁；而氢燃料电池可以任意放置且可以搬运、迁址。同时，MCFC和SOFC不需要贵金属作为催化剂，成本可控。然而，两种氢燃料电池也面临高温带来的衰竭问题。另外，MCFC和SOFC的储能上限较低，适用于为社区储能，而机械能储能可以作为城市规模储电。短期内，两者可以区别发展：氢燃料电池作为社区规模储电，而机械能储能为城市储电。然而，在新能源时代，大多数专家对于未来能源做出了分布化、智能化的预测，未来的能源体系最大单位有可能就是社区规模。因此，MCFC和SOFC在这一方面前景会更好，但是需要解决高温衰竭的问题。2、交通氢能源在交通领域有两种思路：氢燃料电池以及氢内燃机。氢燃料内燃机的思路是用氢燃料代替燃油应用于内燃机。氢燃料内燃机的优势在于内燃机技术成熟，成本低、且不需要纯氢。然而，内燃机能源转化效率低，且会促使空气中的氮气和氧气在高温下合成氮氧化物。氮氧化物是空气污染物和温室气体。如果要避免氮氧化物产出只能通过稀释氢气降低内燃机温度，这会极大牺牲发动机功率。现在电动汽车（无论是蓄电池车还是燃料电池车）动力输出迅速、能量使用率高等优势已经凸显出来，内燃机正逐渐被淘汰。氢燃料电池汽车（简称HFCV或FCV）是目前的主流发展方向。氢燃料电池车通过氢燃料电池在车辆上当场发电为电机提供电力驱动汽车。由于温度和体积限制，FCV普遍采用PEMFC。氢燃料电池车（FCV）主要竞争对手是插电式电动车(BEV)。表2：燃油车、BEV和氢燃料电池车价格对比氢燃料电池的劣势在于价格以及效率。为了保证可比性表2选择了相同级别的车。可以看到氢燃料电池车价格是其中最高，这也导致了FCV销售数据的惨淡。在北美市场，年三款氢燃料电池汽车总销量为辆，这个数字在电动车销量榜排不进前10。而在欧洲市场，FCV独苗现代Nexo以辆在所有39款电动车中排名倒数第八。缺乏设施也是销量惨淡一大原因。据统计，全美现在只有个加氢站，却有个充电桩。效率较低也是FCV一大痛点。现在流行的锂电池能源转化效率已经可以高达95%，与转化效率高达90%的电动机组合后BEV的总体能源转化效率高达85.5%，而FCV只有45%的转化效率。如果要溯源到能源的来源，效率差别会更大：BEV高达73%，而FCV只有22%。图3：BEV与FCV全过程转化效率对比表3：燃油车、BEV和氢燃料电池车性能对比FCV的优势在于能源补充便利性以及能量密度。氢的能量密度大，一箱氢可以提供超过公里的里程。可以看到，FCV虽然里程上暂时还不如同级别燃油车，但是普遍好于同级别BEV。充电时长一直以来都是BEV的主要痛点。即使是快充依然需要15分钟到半个小时，FCV加氢的时长则只需要3-5分钟。FCV动力已经能赶上燃油车，而扭矩方面已经达到BEV的水平。由于里程和加氢时长的优势，FCV更适合跑长途。而其不逊色于BEV的扭矩也可以支持其载重性能。BEV和FCV应该差异化发展。BEV适合作为家用乘用车：其价格低廉；充电桩容易安装甚至可以居家充电；一般城市上下班对里程要求也不高。而FCV适合作公交车、长途车、大型货运车等：里程长、加氢快可以满足长途；线路相对固定，只需在线路上安装加氢站；一般是大企业采购，可以承担高价。现在临港新片区氢能公交已经上路，而包括上汽、解放、东风、陕汽等公司都已经推出了氢能源重型车辆。3.工业氢气已经在工业中大范围使用了，是制氨、炼油等领域重要的还原剂。然而，氢气在工业领域的潜能似乎不止于此：在当今低碳发展中，工业由于对热能的大量需求，很难找寻化石能源的替代者。而氢能作为已知的唯一零碳排放的燃料被列为化石能源的一种重要的潜在替代方案。德国弗劳恩霍夫系统与创新研究所的团队研究了这种可能性，他们假设了将来氢能源完全替代化石能源的场景。结论是，如果要实现工业完全氢能化，需要-TWh等量的氢能（TWh为亿千瓦时，10^9度），需要-TWh的电力生产，高于年德国全国用电量（TWh）。而这不包括氢燃料电池车、氢储能等应用场景。换言之，工业全部氢能化将导致德国用电翻倍。而在我国冬季部分地区已经出现限电的情况，这个额外的负担是难以承担的。然而，就此否定氢能作为工业燃料也不可取。氢能0碳排放、能量密度高、不需要改变现在的燃料供热的模式这三大优势也是不可忽视的。氢能在未来低碳发展中会在工业中占一席之地，但是也会有其他模式并行发展。目前，太阳能集热和碳捕捉在工业中应用被摆上台面，工业节能也持续进行中。工业低碳化需要多项举措并行，而不是吊死一棵树上。Chapter3结论回到开头提出的两个问题。氢能作为刚起步的产业，遇到的问题和挑战很多。甚至可以说，目前阶段的氢能在国家战略、技术可行性和经济实用性都是不及格的。然而，氢能的潜力很大，是值得发展的。在国家战略方面，配合可再生能源以及太阳能制氢技术，氢能可以契合低碳战略；在技术可行性方面，氢能的各应用场景已经基本清晰，在重型车、大规模储能以及工业上有一席之地；而经济实用性方面则需要市场、产业、院校和实验室共同努力。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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