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摘要：氫氣作為一種新型的電力能源供應體系，具有清潔、高效、安全等優(yōu)勢，但也存在著(zhù)成本高、效率低等問(wèn)題，因此需要通過(guò)構建以合理有效的氫燃料電池系統為主的能源互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提高其運行性能并降低運營(yíng)成本。本文針對上述問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究，主要包括：（1）目前氫能應用現狀的綜合評價(jià)；（2）從理論基礎出發(fā)，結合目前國內氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況以及當前所面臨的技術(shù)挑戰，建立適合我國氫能行業(yè)特點(diǎn)的可持續發(fā)展模型；（3）對未來(lái)氫能源發(fā)展的展望。

中國的能源主要依賴(lài)于化石燃料，它們屬不可再生資源。根據國家能源局2021年統計，僅煤炭消費就占能源消費總量的56.8%。但這種能源結構不能減少溫室氣體（GHG）的排放，因此依賴(lài)不可再生資源的狀態(tài)是難以持續維持的。中國幅員遼闊，擁有豐富的太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，然而這些能量來(lái)源的問(wèn)題在于其性質(zhì)的不規律性，它們產(chǎn)生的能量不能被有效地儲存起來(lái)。目前，利用這些能量來(lái)發(fā)電，然后通過(guò)水電解，以氫的形式儲存起來(lái)的方式正在被越來(lái)越多的國家應用，以此來(lái)控制化石能源消費，改善能源結構[1]。

1 氫能應用現狀

氫是一種清潔、可再生和豐富的能源載體[2]，只有在燃燒時(shí)才會(huì )產(chǎn)生水蒸氣。氫的熱值很高，按重量計算是傳統化石燃料的3倍。氫的能量可以作為燃料電池的燃料有效地釋放出來(lái)，或者直接燃燒而不排放任何溫室氣體。此外，氫還廣泛應用于煉油和氨生產(chǎn)等其他工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。目前主要的制氫方法是天然氣蒸汽重整，全世界約有50%的氫是用這種方法處理的，其中只有約4%來(lái)自可再生能源。由可再生能源產(chǎn)生的氫被稱(chēng)為綠色氫，因為它不涉及化石燃料，也不涉及溫室氣體排放。如果綠色氫能夠為燃料電池汽車(chē)提供動(dòng)力，那么就可以大大減少溫室氣體排放。此外，氫也可以在國內用作燃料，氫燃燒產(chǎn)生的唯一產(chǎn)物是水，可以在水的電解過(guò)程中再用作原料，產(chǎn)生氫氣，如圖1所示，這樣就形成了氫氣循環(huán)，一個(gè)無(wú)碳排放且環(huán)保的循環(huán)體系。

圖1 氫供應鏈與可再生資源的綠色制氫

天然氣可以通過(guò)蒸汽甲烷轉化制氫，也可以用生物質(zhì)氣化制氫。綠色氫是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源電解水生產(chǎn)的，然后將氫儲存和運輸到燃料站使用[3]。

氫能作為清潔的二次能源，具有環(huán)保、低碳等特點(diǎn)?！吨袊鴼淠墚a(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》預測，到2030年我國氫氣需求量將達到6000萬(wàn)噸/年（折合11350億美元），在終端能源體系中占比約5%[4]。因此，發(fā)展和推廣使用氫氣成為了當前亟待解決的重要問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)燃料電池技術(shù)的不斷成熟，燃料電池汽車(chē)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化應用階段。截至2021年5月底，全國已有30個(gè)城市發(fā)布了相關(guān)政策文件或規劃目標，其中有22個(gè)城市計劃建設加氫站或者新建加氣站。預計2025年底前還將有26個(gè)城市加入“十四五”規劃，進(jìn)一步推動(dòng)加氫站建設。氫能的成本較高，目前仍處于研發(fā)試驗階段。未來(lái)隨著(zhù)規模效應逐漸顯現，以及產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加大對氫源供應與儲運環(huán)節的投入，氫能源技術(shù)及產(chǎn)品價(jià)格將會(huì )有所降低，從而帶動(dòng)下游氫燃料車(chē)銷(xiāo)量增加并拉動(dòng)上游制氫行業(yè)發(fā)展。

2 氫能應用目前遇到的限制

在氫能利用循環(huán)中存在著(zhù)一些制約因素，主要表現在制氫環(huán)節和儲氫環(huán)節。水電解制氫的效率比其他方法要高，但成本相對較高可能會(huì )阻礙其生產(chǎn)。電解通常比傳統能源生產(chǎn)成本更昂貴，在某些情況下，電解槽對水的雜質(zhì)很敏感，在此過(guò)程中需要使用純度較高的純凈水，這也會(huì )增加氫氣生產(chǎn)成本。在正常的大氣條件下，氫是以蒸氣的形式存在的。氫氣作為蒸汽的能量密度比汽油和天然氣低得多，因此，必須將氫氣壓縮成液態(tài)或其他方式儲存。儲氫方法是一項正在進(jìn)行的研究，包括在不同條件下的化學(xué)儲存和物理吸收，并使用不同的材料來(lái)提高其氫氣容量。要發(fā)展氫循環(huán)或氫經(jīng)濟，解決上述兩個(gè)制約因素在現階段至關(guān)重要。

根據目前的研究，雖然氫能與化石燃料等傳統能源載體相比具有一定的優(yōu)勢，但完整的氫能技術(shù)仍不成熟，成本較高，沒(méi)有人能夠確定氫經(jīng)濟是否會(huì )真正到來(lái)，或者何時(shí)有可能用完整的氫技術(shù)取代現有的主要能源技術(shù)。建設整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò )的最終成本可能高達數萬(wàn)億美元。完整氫能技術(shù)的應用不僅包括生產(chǎn)可再生氫氣，還包括如何儲存和運輸氫氣。因此，根據目前氫能相關(guān)技術(shù)的水平，構建一個(gè)完整的氫能技術(shù)體系需要大量的基礎設施。在這些基礎設施中，有些需要重新開(kāi)發(fā)和設計。盡管存在上述問(wèn)題，但氫能仍有很好的發(fā)展前景。大多數氫能專(zhuān)家認為，氫能可以在大約半個(gè)世紀內穩定地成為主要的能源載體，因為氫能在技術(shù)和環(huán)境方面都有一定的優(yōu)勢。目前最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何建立一個(gè)完整的氫生產(chǎn)、儲存、運輸和應用的一體化網(wǎng)絡(luò )。

目前，制氫技術(shù)有很多，可以用來(lái)制氫的原料也有很多。使用天然氣、煤炭和其他原料生產(chǎn)的氫不能稱(chēng)為可再生氫。使用化石能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能或核能等）以外的技術(shù)生產(chǎn)的氫，或者像CCS（碳捕獲和儲存）這樣不產(chǎn)生任何溫室氣體排放的氫，可以被稱(chēng)為可再生氫。

目前應用最廣泛的方法是水電解和生物質(zhì)氣化。雖然電解水是目前最直接、最方便的制氫方法，但由于生產(chǎn)所需的電力成本較高，且與其他方法相比生產(chǎn)率較低，不建議今后繼續使用這種方法。在新的生產(chǎn)技術(shù)方面，生物和光電化學(xué)仍處在實(shí)驗室探索階段。

假設氫的生產(chǎn)能力和能源供應能力已經(jīng)達到與化石燃料相同的水平，下一步要解決的是如何大規模儲存和運輸氫。在對氫氣生產(chǎn)方法進(jìn)行廣泛研究的同時(shí)，對氫氣儲存和運輸技術(shù)的研究也在進(jìn)行中。目前，儲氫方法主要有地下液化氫儲罐和可運輸壓縮氫儲罐。作為一種可行的大規模儲氫方法，人們正在研究地下洞穴、含水層和天然氣田等地熱條件是否適合大規模儲氫。在氫氣輸送方面，除了使用壓縮罐輸送外，研究表明，將氫氣和天然氣按一定比例混合后，可以通過(guò)天然氣管道輸送?？蓡为気敋涞墓艿郎形囱芯砍晒?，但可以預見(jiàn)，隨著(zhù)未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)的增長(cháng)，氫管道的研究和建設將成為輸氫研究的主要方向。下文將介紹一個(gè)適合中國發(fā)展的大型的氫運輸和分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò )。

3 符合國情的氫能發(fā)展路線(xiàn)分析

氫氣能源相關(guān)的基礎設施包括大規模儲備倉庫以及穩定的運輸方式影響著(zhù)國內大型城市電力能源的穩定性。中國的大型城市非常區域化，以北京、上海、廣州、深圳等超一線(xiàn)城市為核心在中國版圖上呈現出多個(gè)大型城市群。很多地區的電力設施高度集中，城市化發(fā)展快速，這些城市群都具有較強的工業(yè)能力，氫氣生產(chǎn)行業(yè)的潛力很高，可以通過(guò)管道或管拖車(chē)來(lái)實(shí)現中短距離的氫氣輸送。像這樣的地區可以安裝大型的、位于中央區域的氫氣能源生產(chǎn)設施，以便在短距離內按需向周?chē)鞘刑峁錃饽茉础?/p>

3.1 儲氫技術(shù)

高壓儲氫是最常用的儲氫技術(shù)，通常采用高壓氣瓶作為容器[5]。材料范圍從碳鋼容器到錳容器、鉻鉬容器和不銹鋼容器。如今，更復雜類(lèi)型的特殊合金容器也用于儲氫。由于氫密度小，儲存效率不是很高。當壓力達到15MPa時(shí)，儲氫質(zhì)量密度小于3%[6]。因此，在不斷開(kāi)發(fā)新材料、新工藝的基礎上，氣體容器的充裝壓力也需要不斷提高。但需要注意的是，如果氫壓過(guò)高，可能會(huì )導致氫分子逃離容器壁或造成氫脆。為了解決這一問(wèn)題，目前的研究主要體現在兩個(gè)方面：（1）容器材料的選擇。通過(guò)選擇合適的材料性能，容器能承受更高的壓力和更輕的重量，可以減少氫分子通過(guò)容器壁，避免氫脆。目前，在浸漬樹(shù)脂的碳纖維容器外包層上，鍛鋁合金襯墊效果最好。容器的最大壓力為70MPa，貯氫密度約為7%~8%。（2）在容器中加入一些吸氫物質(zhì)，這可以大大提高壓縮氫的儲氫密度，甚至達到“準液化”的程度。當壓力降低時(shí)，氫氣會(huì )自動(dòng)逸出[7]。該技術(shù)對于實(shí)現大規模、低成本的儲氫具有重要意義。

近年來(lái)，MOFs（金屬有機骨架）作為一種新型的理想支架結構材料，被用于氫能源儲存領(lǐng)域。它使用有機材料作為支架的框架，并使用金屬分子作為鏈接點(diǎn)，使材料的表面積最大化。它的孔徑是納米級的。通過(guò)減小孔徑，增加孔隙數量，可以進(jìn)一步擴大比表面積，增加存儲空間。MOFs材料可以從氧化鋅和對苯二甲酸酯等許多廉價(jià)的原料中提取，因此沒(méi)有成本。但目前，其制備技術(shù)尚處于發(fā)展階段，短期內無(wú)法投入實(shí)際應用。綜上所述，高壓儲氫是一項較為成熟的技術(shù)，但在壓力、容量、重量等方面都無(wú)法得到更好的改進(jìn)，還需要注意安全問(wèn)題。由于其他新型儲氫方式尚未真正實(shí)現工業(yè)化、民用化普及，基于價(jià)格考慮，目前較多采用高壓儲氫方式進(jìn)行儲氫。

3.2 氫氣運輸

地下管道可用于將大型儲氫設施與氫氣生產(chǎn)側或用戶(hù)側連接起來(lái)。目前，在全球范圍內的地下天然氣儲存主要是利用地面儲罐來(lái)完成運輸和存儲。而地下管線(xiàn)則可以分為兩種形式：一是直接鋪設到地表；二是通過(guò)隧道或者其他方式連接至地面。由于城市發(fā)展對能源需求越來(lái)越高，因此地下管線(xiàn)建設成為必然。但對于如何提高施工效率以及降低成本，一直是工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。傳統的天然氣管線(xiàn)管理系統存在著(zhù)系統復雜、缺乏統一的數據庫接口、無(wú)法提供全面有效的信息管理、難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監控需要等問(wèn)題。針對以上情況，在新型氫氣管道輸送系統中采用分布式數據管理模式，提出了一種面向分布式數據中心的氫氣管線(xiàn)信息系統整體架構。該體系包括三個(gè)部分：主服務(wù)器（Prime），中間件平臺（Mobile Developer）以及應用層軟件。近年來(lái)，隨著(zhù)大數據、云計算等信息技術(shù)的不斷成熟，基于這些技術(shù)的地下管網(wǎng)信息化管理逐漸得到重視并開(kāi)始應用于實(shí)際工作中。以“智慧”為核心的新型地下氫氣能源管線(xiàn)信息管理系統解決方案能夠實(shí)現從信息采集、分析處理到?jīng)Q策支持全過(guò)程的可視化管理。

下一步對中國未來(lái)的氫氣能源市場(chǎng)全面評估需要對目前公開(kāi)的各種儲氫技術(shù)和輸氫技術(shù)進(jìn)行模糊層次分析法（AHP）的分析和評價(jià)。因為層次分析法可以將需要逐級比較的技術(shù)與不同重要程度的技術(shù)進(jìn)行比較，以直觀(guān)地、嚴格地確定符合標準的最技術(shù)性的解決方案。然后，利用收集到的數據和AHP方法選擇的技術(shù)，設計一個(gè)完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，模擬從原料生產(chǎn)到產(chǎn)品應用的各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈過(guò)程，為中國未來(lái)的氫能源市場(chǎng)對電力能源系統的影響提供可能的評估。

4 未來(lái)展望

儲氫技術(shù)還需要大量的研究和開(kāi)發(fā)，這與成熟的再生氫生產(chǎn)技術(shù)相比是有一定差距的。儲氫問(wèn)題是可再生能源大規模應用的關(guān)鍵問(wèn)題之一，由于現有技術(shù)和材料的限制，只有在某些特定領(lǐng)域采用先進(jìn)技術(shù)才能實(shí)現高效、安全地制氫。例如，在航空航天工業(yè)中，美國航天局目前使用的液化氫儲存方法從所儲存氫的質(zhì)量和體積性能來(lái)看是理想的，但其成本極其昂貴，而且相關(guān)的安全技術(shù)非常復雜，不適合民用。根據現有的研究，對固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)儲氫技術(shù)的研究具有一定的可行性，現有的儲氫技術(shù)主要包括：壓縮儲氫技術(shù)（氣體）、液態(tài)氫儲存、玻璃微球儲氫及有機復合儲氫。下一步將對現有的氫技術(shù)以成本、安全性和儲氫效率為主要因素，對各種儲氫技術(shù)進(jìn)行AHP分析，結合每種技術(shù)本身的優(yōu)缺點(diǎn)，對最佳綜合儲氫技術(shù)進(jìn)行評價(jià)。

氫氣輸送技術(shù)離不開(kāi)儲氫技術(shù)。從某種意義上說(shuō)，氫氣輸送技術(shù)是一種移動(dòng)儲氫技術(shù)。如何高效儲存氫氣，確保運輸過(guò)程中的安全，不僅是氫氣運輸的問(wèn)題，也是氫氣儲存的問(wèn)題。在各種運輸載體的成熟發(fā)展和應用條件下，如何以可再生能源為能源，實(shí)現可再生能源產(chǎn)品向目標設備或工業(yè)設施的高效、安全輸送，是氫能運輸技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。例如，氫能可以取代化石燃料，取代火力發(fā)電，成為可持續的氫能發(fā)電，但如何在短時(shí)間內高效、低成本地向發(fā)電廠(chǎng)供應大量的氫。此外，氫能汽車(chē)等氫能源移動(dòng)設備也需要有固定的加氫站，以不斷補充所需的氫。目前最理想的方法是通過(guò)大量的管道網(wǎng)絡(luò )以氣體的方式將氫輸送到目的地。一個(gè)完整的氫氣輸送管網(wǎng)需要大量的基礎設施和相應成熟的氫氣輸送技術(shù)。此外，對于氣態(tài)氫、液態(tài)氫和固態(tài)氫的運輸，也在研究不同類(lèi)型的運輸技術(shù)，但重點(diǎn)是如何保證運輸過(guò)程中的安全和運輸效率。因此，氫能運輸技術(shù)的層次分析法應考慮和評價(jià)運輸效率、運輸安全、運輸能力和運輸成本等因素。

氫能源的應用場(chǎng)景將從工業(yè)領(lǐng)域向交通、發(fā)電等其他行業(yè)拓展。目前，氫氣主要還在化工領(lǐng)域進(jìn)行利用，而在交通方面則以燃料電池汽車(chē)為代表。雖然短時(shí)間看氫氣能源會(huì )使部分制造業(yè)、城市居民的用電成本上升，但隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展以及成本下降，未來(lái)氫能有足夠的潛力代替煤、石油的化石能源，在電力能源網(wǎng)絡(luò )中占據重要地位。

作者簡(jiǎn)介:

丁一銘（1994-），男，北京人，助理工程師，碩士，現就職于國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

李   鑫（1983-），男，北京人，工程師，本科，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

哈   岳（1980-），男，北京人，助理工程師，大專(zhuān)，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

劉占鵬（1987-），男，河北辛集人，助理工程師，大專(zhuān)，現就職于北京京電電網(wǎng)維護集團有限公司管道分公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

莊   磊（1986-），男，河北保定人，助理工程師，本科，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為新型電力系統與高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

王保偉（1972-），男，北京人，助理工程師，現就職于北京卓越電力建設有限公司，研究方向為高壓電纜線(xiàn)路故障檢修。

參考文獻：

[1] 楊靜媛. 智能電網(wǎng)服務(wù) "智慧天津" [N]. 中國電力報, 2013.

[2] 馬紅翠, 陳景潤, 樊耀亭. 水解預處理對秸稈類(lèi)生物質(zhì)發(fā)酵生物制氫的影響[C]. 中國化學(xué)會(huì )2008年中西部地區無(wú)機化學(xué)、化工學(xué)術(shù)交流會(huì ), 2008.

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[4] 楊明清, 楊一鵬. 俄羅斯氫能源開(kāi)發(fā)現狀及未來(lái)發(fā)展[J].石油石化節能, 2021.

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[6] 劉關(guān)君, 李永峰, 陳紅. 綠色能源[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2012.

[7] 歐訓民. 氫能制取和儲存技術(shù)研究發(fā)展綜述[J]. 能源研究與信息, 2009, 25 (1) : 1 - 4.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊