一文看懂未來或將主宰能源世界的氫能

中國儲能網訊：18世紀60年代歐洲開始工業革命（TheIndustrial Revolution ），化石燃料（原煤、原油和天然氣）就(jiu)成(cheng)為(wei)人(ren)類(lei)主(zhu)要(yao)利(li)用(yong)的(de)一(yi)次(ci)能(neng)源(yuan)，並(bing)且(qie)消(xiao)費(fei)量(liang)逐(zhu)年(nian)增(zeng)高(gao)，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)以(yi)及(ji)全(quan)球(qiu)氣(qi)候(hou)暖(nuan)化(hua)。盡(jin)管(guan)這(zhe)種(zhong)現(xian)實(shi)目(mu)前(qian)還(hai)無(wu)法(fa)改(gai)變(bian)
，但(dan)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)以(yi)快(kuai)速(su)增(zeng)長(chang)取(qu)代(dai)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)
，將(jiang)逐(zhu)步(bu)走(zou)向(xiang)清(qing)潔(jie)的(de)氫(qing)能(neng)時(shi)代(dai)。

在宇宙誕生時，就存在氫和氦。氫為95%，氦為4%
，1%為重陽子。當星球發生核聚變反應
，生成了較重的元素，氫降低到90%，其他元素則增加，因此，氫是地球上最多的元素。

氫（Hydrogen）是元素周期表中第一位元素。化學式H2
，無色無味的氣體。很難液化（沸點－252.870C，臨界溫度－239.90C）
，凝固點－259.140C。化學性質活潑，能燃燒
，能與許多金屬和非金屬直接化合。

利用液態氫可以獲得低溫，也可作高速火箭的燃料
，氫也是燃料電池的能源。氫存在於自然界中的水、烴類等化合物中，但氫不能以一種單獨的資源形式存在於地球上，所以不是一次能源。

氫能時代

氫能時代（Hydrogen Era）以yi氫qing能neng作zuo為wei主zhu要yao能neng源yuan的de時shi代dai
，將jiang是shi一yi種zhong理li想xiang的de能neng源yuan時shi代dai。氫qing能neng時shi代dai是shi以yi天tian然ran氣qi作zuo為wei過guo渡du能neng源yuan，向xiang氫qing能neng時shi代dai逐zhu步bu發fa展zhan。氫qing能neng將jiang是shi人ren類lei社she會hui遠yuan期qi主zhu要yao的de、絕對清潔的能源。

未來的氫能社會應具有以下特點：

氫能以極高的轉換效率（50～90%）轉化為電能，以氫氣作為替代化石燃料的能源。石油
、煤炭、天然氣將不再作為能源使用，而是作為化工原料。

各種類型的氫燃料電池就地部分替代大電網運輸，，向用戶供電。

用以氫燃料電池為動力的汽車代替內燃機動力汽車。

消除相關的能源汙染和噪音源。

各用戶有完善的能源供應和回收循環係統。

氫能經濟是人類曆史上能量利用率最高的經濟社會，是無汙染、無噪音的綠色環境。

在(zai)現(xian)有(you)的(de)技(ji)術(shu)經(jing)濟(ji)條(tiao)件(jian)下(xia)，由(you)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)特(te)別(bie)是(shi)用(yong)天(tian)然(ran)氣(qi)製(zhi)取(qu)價(jia)廉(lian)氫(qing)。但(dan)隨(sui)著(zhe)利(li)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)製(zhi)取(qu)氫(qing)的(de)比(bi)例(li)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)，天(tian)然(ran)氣(qi)製(zhi)氫(qing)的(de)作(zuo)用(yong)將(jiang)不(bu)斷(duan)減(jian)小(xiao)。由(you)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)製(zhi)取(qu)氫(qing)是(shi)未(wei)來(lai)的(de)能(neng)源(yuan)體(ti)係(xi)，而(er)甲(jia)烷(wan)將(jiang)起(qi)著(zhe)輸(shu)送(song)和(he)儲(chu)藏(zang)氫(qing)的(de)作(zuo)用(yong)或(huo)者(zhe)作(zuo)為(wei)氫(qing)的(de)原(yuan)料(liao)。

製氫途徑

氫能是一種二次能源
，因為它是通過一定的方法利用其他能源來製取的。在自然界中，氫（H2）和氧（O2）結合成水（H2O）而存在的，必須采用熱分解或電解的方法分離出來氫。

分離方式很多，可以采用化石燃料、核(he)燃(ran)料(liao)或(huo)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)分(fen)離(li)方(fang)式(shi)，簡(jian)言(yan)之(zhi)，一(yi)次(ci)能(neng)源(yuan)都(dou)可(ke)以(yi)分(fen)離(li)水(shui)的(de)氫(qing)和(he)氧(yang)，但(dan)采(cai)用(yong)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)燃(ran)燒(shao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)或(huo)所(suo)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)的(de)電(dian)能(neng)來(lai)分(fen)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)
，經(jing)濟(ji)上(shang)不(bu)可(ke)行(xing)。

圖1 一次能源製取氫的途徑

1 化石燃料製氫

利用化石燃料（以天然氣最方便）製zhi氫qing時shi，燃ran料liao通tong過guo與yu氧yang或huo空kong氣qi作zuo用yong主zhu要yao生sheng成cheng氫qing和he一yi氧yang化hua碳tan，然ran後hou在zai催cui化hua反fan應ying器qi裏li使shi一yi氧yang化hua碳tan和he蒸zheng汽qi反fan應ying，以yi產chan生sheng二er氧yang化hua碳tan和he更geng多duo的de氫qing。這zhe種zhong方fang式shi通tong常chang應ying用yong於yu生sheng產chan合he成cheng氨an和he其qi他ta化hua工gong產chan品pin。

如丹麥托普索公司（Haldor Topsoe）開發的一種部分氧化製氫法
，其工藝過程是將天然氣或石腦油與蒸汽的混合物預熱到540～6500C，引入到自熱反應器頂部，在此與另一股預熱過的富氧空氣與蒸汽的混合物混合，產生部分燃燒，使溫度升高，並在鎳（Ni）催化劑作用下完成蒸汽轉化反應。溫度為930～9800C的合成氣通過廢熱鍋爐降溫後，再經過變換，二氧化碳脫除和甲烷化等過程，最後獲得高純度氫氣。

2 核燃料製氫

利用核燃料生產氫有兩種方式：

⑴ 水電解製氫。核能生產電力
，然後水電解產生氫氣
；

⑵ 熱化學循環製氫。該法既可以降低反應溫度,又可以避免氫-氧分離問題,而循環中所用的其他試劑都可以循環使用。

3 再生能源製氫

利用再生能源生產氫有兩種方式：

⑴ 水電解製氫。再生能源生產電力
，然後水電解產生氫氣；

⑵ 蒸汽轉化製氫。各種生物質經由蒸汽催化轉化製取氫。

可再生氫

當前全球氫氣生產48%來自天然氣，30%來自石油

，18%來自煤，而水電解隻占4%。這裏談及的“氫能”主(zhu)要(yao)指(zhi)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)製(zhi)取(qu)氫(qing)
，也(ye)不(bu)排(pai)斥(chi)核(he)能(neng)生(sheng)產(chan)氫(qing)，但(dan)跟(gen)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)製(zhi)取(qu)氫(qing)無(wu)關(guan)。利(li)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)製(zhi)取(qu)氫(qing)是(shi)新(xin)能(neng)源(yuan)領(ling)域(yu)的(de)一(yi)個(ge)研(yan)究(jiu)熱(re)點(dian)
，被(bei)稱(cheng)為(wei)拯(zheng)救(jiu)地(di)球(qiu)的(de)動(dong)力(li)。已(yi)經(jing)提(ti)出(chu)了(le)“可再生氫 (renewable hydrogen) ”的概念，正在開展的研究包括：利用可再生電力電解水製氫、生物質氣化和蒸汽轉化製取氫、生物質熱解製取氫、光(guang)電(dian)化(hua)學(xue)法(fa)製(zhi)取(qu)氫(qing)和(he)太(tai)陽(yang)能(neng)與(yu)熱(re)化(hua)學(xue)循(xun)環(huan)耦(ou)合(he)製(zhi)取(qu)氫(qing)等(deng)。如(ru)果(guo)在(zai)這(zhe)些(xie)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)使(shi)用(yong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)或(huo)核(he)能(neng)製(zhi)取(qu)氫(qing)，那(na)麼(me)整(zheng)個(ge)製(zhi)氫(qing)流(liu)程(cheng)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)排(pai)放(fang)可(ke)以(yi)趨(qu)向(xiang)於(yu)零(ling)。

可再生能源如光伏、風電場、海洋能等生產的電力是間歇性的、不(bu)穩(wen)定(ding)的(de)
，而(er)且(qie)多(duo)數(shu)在(zai)電(dian)力(li)需(xu)求(qiu)小(xiao)的(de)邊(bian)遠(yuan)地(di)區(qu)。如(ru)果(guo)能(neng)夠(gou)聯(lian)網(wang)直(zhi)接(jie)供(gong)給(gei)消(xiao)費(fei)地(di)如(ru)沿(yan)海(hai)地(di)區(qu)
，問(wen)題(ti)就(jiu)簡(jian)單(dan)了(le)，當(dang)其(qi)再(zai)生(sheng)電(dian)力(li)無(wu)法(fa)使(shi)用(yong)，於(yu)是(shi)產(chan)生(sheng)“棄風限電”這種現象。圖2表示風電場產生的電力過剩
，采用電解水產生氫
，然後注入燃料電池汽車。電解生產的氫經由壓縮機儲存在200 bar（1 bar=0.98692標準氣壓）的儲罐裏，以便供應給燃料電池汽車。

圖2 風電場產生的電力供應給燃料電池汽車

氫氣儲存

qingqichunengkekanzuoshiyizhonghuaxuechunengdeyanshen，qijibenyuanlijiushijiangshuidianjiededaoqingqiheyangqi。yifengdianchangzhiqingchunengjishuweili，qihexinsixiangshidangfengdianchongzudanwufalianwang、需要棄風時，利用風電將水電解製成氫氣(和氧氣)，將氫氣儲存起來
；當需要電能時

，將儲存的氫氣通過不同方式（內燃機、燃料電池或其他方式）轉換為電能輸送上網。

通常所指的氫氣儲能係統是電－氫－電的循環，且不同於常規的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環節，多以功率（kW）計算容量，代表氫氣儲能係統的“充電”功率
；後端的燃料電池環節，也以功率（kW）計算容量，表示氫儲能係統的“放電”功率；中間的儲氫環節，多以氫氣的體積（標準立方米Nm3）計算容量，儲氫環節的容量大小決定了氫儲能係統可持續“充電”或“放電”的時長
，所以如果想增加電能的儲存容量，加大儲氫罐的體積或壓力即可。

已被確認並被使用的氫氣儲存是經由壓縮或液化的純氫儲存；常用的氫氣儲存是壓縮氫氣。隨著壓力的增加，氫密度隨之增加。圖3表示氫氣在不同的壓力和溫度的條件下儲存的密度。

圖3 氫氣儲存密度與壓力和溫度的關係

另外還有兩種成熟的氫氣儲存技術：

1
、地下儲存氫（Undergroundhydrogen storage）是在地下洞穴、鹽丘和枯竭的油氣田儲存氫氣。ICI（英國帝國石油公司）把大量的氫儲存在地下沒有發生任何困難，大量液態氫儲存可作為電網儲能使用。地下儲存氫往返效率約40%（抽水儲能為75～80%），其費用高於抽水儲能
，但地下儲存氫氣仍被采用，其原因是初次建設費用低
，容量大。

2、電轉氣（Power to gas，簡寫P2G）是shi將jiang電dian能neng轉zhuan化hua為wei氣qi體ti燃ran料liao的de技ji術shu，解jie決jue再zai生sheng能neng源yuan電dian力li儲chu存cun的de難nan題ti的de一yi項xiang技ji術shu。目mu前qian采cai用yong三san種zhong方fang式shi，但dan所suo有you的de方fang法fa都dou是shi借jie助zhu於yu電dian力li將jiang水shui分fen解jie為wei氫qing和he氧yang。

第一種方法是將所產生的氫氣輸入天然氣管網作為交通運輸燃料或工業利用。

第二種方法是將氫和二氧化碳相結合，把這兩種氣體采用甲烷化反應如薩巴捷反應（Sabatierreaction）轉化為甲烷（天然氣）


，或者采用生物甲烷化
，但會造成8%額外能量損失，然後輸入天然氣管網。

氫氣儲存仍然處於研究之中

燃料電池汽車是未來汽車發展的方向。燃料電池汽車氫儲存有三種方式
；

壓縮後儲存在高壓容器中；

液化後儲存在絕熱容器中
；

與某些金屬及合金化合後以固體氫化物儲存。在這種儲存方法中，金屬及合金的氫化物吸附氫就像海綿吸水一樣

，儲氫效率高。

目前
，世界上三種儲氫方法都有試驗樣車。如美國邁阿密汽車使用壓縮氫氣；加利福尼亞公共汽車使用氫化物儲存氫

；德國的一些示範公共汽車使用液態氫。

要使氫能達到規模化的商業應用其關鍵問題是：

⑴ 製氫技術。由於氫是一種二次能源，現有的製氫技術能耗大

，效率低，價格昂貴。

⑵ 安全可靠的儲運方法。由於液氫溫度很低（－253攝氏度），易氣化、著火、爆炸，因此需解決氫能的儲存和運輸問題。

因此，氫氣儲存技術的研究一直在進行中，名目繁多，其中儲氫合金特別值得關注。

利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。在一定的溫度和壓力條件下
，儲氫金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。然後
，將這些金屬氫化物加熱
，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這種會“吸收”氫氣的金屬，稱為“儲氫合金”。

儲氫合金的儲氫能力很強。單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣。

由you於yu儲chu氫qing合he金jin都dou是shi固gu體ti，既ji不bu用yong儲chu存cun高gao壓ya氫qing氣qi的de鋼gang瓶ping，又you不bu需xu存cun放fang液ye態tai氫qing極ji低di的de溫wen度du條tiao件jian，需xu要yao儲chu氫qing時shi，使shi合he金jin與yu氫qing氣qi反fan應ying生sheng成cheng金jin屬shu氫qing化hua物wu並bing放fang出chu熱re量liang
，需xu要yao用yong氫qing時shi通tong過guo加jia熱re或huo減jian壓ya使shi儲chu存cun於yu其qi中zhong的de氫qing釋shi放fang出chu來lai。因yin此ci儲chu氫qing合he金jin是shi一yi種zhong簡jian便bian易yi行xing的de理li想xiang儲chu氫qing方fang法fa。

儲氫合金主要有鈦係儲氫合金、鋯係儲氫合金
、鐵係儲氫合金及稀土係儲氫合金。

結 語

氫(qing)能(neng)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)在(zai)於(yu)高(gao)效(xiao)和(he)清(qing)潔(jie)
，大(da)大(da)減(jian)少(shao)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)排(pai)放(fang)
，而(er)且(qie)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)多(duo)種(zhong)能(neng)源(yuan)生(sheng)產(chan)。氫(qing)資(zi)源(yuan)豐(feng)富(fu)，但(dan)是(shi)必(bi)須(xu)從(cong)水(shui)或(huo)者(zhe)烴(ting)類(lei)中(zhong)製(zhi)取(qu)，這(zhe)需(xu)要(yao)消(xiao)耗(hao)大(da)量(liang)能(neng)源(yuan)。因(yin)此(ci)
，使(shi)用(yong)氫(qing)能(neng)源(yuan)必(bi)須(xu)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)氫(qing)能(neng)的(de)生(sheng)產(chan)、輸送和消費的成本以及溫室氣體的排放。

雖然表麵上
，氫是取之不盡，用之不竭的能源；但dan實shi際ji上shang此ci進jin程cheng既ji艱jian難nan又you漫man長chang。氫qing是shi二er次ci能neng源yuan，在zai氫qing能neng成cheng為wei可ke行xing的de燃ran料liao之zhi前qian，必bi須xu麵mian對dui許xu多duo挑tiao戰zhan，其qi中zhong包bao括kuo安an全quan問wen題ti以yi及ji生sheng產chan和he輸shu送song的de高gao成cheng本ben問wen題ti。

zaijinhoujiaochangshijiannei，yimeigonglixingshilichengsuoyongranliaofeiyongjisuan，qingqideshengchanheshusongfeiyongshiqiyoudeliangbei。shiyongkezaishengnengyuanzhiqingdechengbenhetouzizuida，ershiyongtianranqizhiqingdechengbenzuidi
，dantianranqiheqingqidejichusheshishibujianrongde
，yinciyehaihuizaochengtouzizengda。

人們對使用可再生能源製氫的研究一直在進行，因為使用可再生能源製氫並用作燃料的全過程都實現了“零排放”，但是生產成本很高。目前，美國可再生能源製氫的平均成本
，如果用風能
，成本為汽油的5倍，如果用太陽能
，成本就為汽油的17倍；此外，土地需求量也很大。

未來的能源形式已經提出多種，如甲醇經濟時代
、乙醇經濟時代


、以光伏發電為主的“第三次工業革命”
、全球能源互聯網、氫氣時代等。未來能源是以多元（種類）化、多源（渠道）化發展
，究竟未來哪種能源主宰世界
，其關鍵是環境和諧和成本價格。a